張陽，黃松齡，劉穎峰，邵旭東

（湖南大學(xué)風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410082）

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是一種具有超高力學(xué)性能的新型水泥基復(fù)合材料［1］，由于在開裂后表現(xiàn)出的應(yīng)變硬化行為，其具有遠(yuǎn)超普通混凝土（NSC）的超強(qiáng)抗拉韌性［2］.UHPC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，孔隙極少，在耐磨、抗凍融循環(huán)以及抗氯離子侵蝕等耐久性指標(biāo)上也明顯優(yōu)于普通混凝土［3］.此外，已有研究表明，UHPC與NSC黏結(jié)界面具有較高的抗剪強(qiáng)度，黏結(jié)耐久性良好［4］.因此，UHPC是一種有前景的RC結(jié)構(gòu)修復(fù)材料，具有同步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與耐久防護(hù)的潛在優(yōu)勢［5］.

對使用UHPC加固RC 組合構(gòu)件的工作性能，國內(nèi)外已有學(xué)者展開了相應(yīng)研究.Habel 等［6-7］對UHPC-RC 組合構(gòu)件的抗彎性能與時變行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明UHPC加固層能夠延緩構(gòu)件裂縫的形成與開展，提高構(gòu)件的承載能力，而UHPCRC組合構(gòu)件的時變效應(yīng)主要由UHPC在90 d內(nèi)的自收縮控制，長期荷載作用下UHPC 與RC 表現(xiàn)出良好的幾何相容性.Oesterlee［8］和Safdar等［9］對UHPC-RC疊合梁進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在UHPC薄層配筋后可明顯提高抗彎加固效果，構(gòu)件抗彎剛度與承載能力隨著UHPC 層厚度以及配筋率的增大而提高.Al-osta 等［10］研究了現(xiàn)澆或膠黏UHPC 條帶加固RC梁的抗彎性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)對矩形梁進(jìn)行三面圍套加固時，結(jié)構(gòu)抗彎剛度與承載能力的提升最為顯著，但延性損失也相較嚴(yán)重，不同界面黏結(jié)方式對加固梁抗彎性能無明顯影響.張陽等［11-12］對配筋UHPC加固損傷RC梁、板進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)研究，分析了RC結(jié)構(gòu)損傷程度、UHPC增韌處理方法等參數(shù)對UHPC-RC 組合結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響，研究結(jié)果表明，UHPC 層加固效果隨著RC梁的損傷程度增大而減弱，UHPC增韌后加固梁的抗裂能力和抗彎性能得到進(jìn)一步提升.

上述研究結(jié)果均驗(yàn)證了使用UHPC加固RC 結(jié)構(gòu)的有效性.然而，常規(guī)配筋UHPC 層無法改善RC結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，原有損傷裂縫在外荷載作用下易重新開展，對于開裂嚴(yán)重、承載能力降低明顯的RC結(jié)構(gòu)而言，其加固效率還有待提高；為此，本文考慮在配筋UHPC層內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力UHPC加固層，以期實(shí)現(xiàn)損傷RC 結(jié)構(gòu)更加高效耐久的加固防護(hù).具體方法為采用單根細(xì)鋼絞線加小型扁平截面波紋管，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在UHPC加固薄層中的施加，并對損傷RC 結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行鑿毛刻槽處理，提高UHPC-RC 結(jié)合面黏結(jié)強(qiáng)度［13］，保證預(yù)應(yīng)力UHPC加固的工程可行性.

本文通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層加固損傷RC梁的抗彎和抗裂性能，探索分析了配筋UHPC層與預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)組合使用對RC結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響，為預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)在RC 結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)和技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計及材料特性

RC梁普通混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C50.加固材料UHPC 主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、混雜鋼纖維以及高效減水劑組成，為提高UHPC 的抗拉韌性，1%直徑為0.12 mm、長8 mm 的短直型鋼纖維與2%直徑為0.20 mm、長13 mm 的端勾型鋼纖維混雜搭配使用.普通混凝土與UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50081—2019）［14］與《活性粉末混凝土》（GB∕T 31387—2015）［15］規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測定，UHPC 初裂強(qiáng)度由狗骨頭試件單軸抗拉試驗(yàn)測定［16］，混凝土材料性能試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 混凝土材料性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Mechanical properties of concrete

設(shè)計試驗(yàn)梁3 根，分別為未加固對照梁（Reinforced Concrete Beam，RCB）、常規(guī)配筋UHPC加固梁（Reinforced-UHPC Strengthened Beam，RUB）、預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁（Prestressed-UHPC Strengthened Beam，PUB）.試驗(yàn)梁主要參數(shù)如圖1 所示，RC梁幾何尺寸為2 800 mm×400 mm×200 mm，凈跨為2 600 mm，梁內(nèi)鋼筋均采用HRB400級普通鋼筋，其中受拉縱筋為3φ18，架立筋為2φ12，箍筋布置情況彎剪段為φ10@60 mm，純彎段為φ10@140 mm.UHPC加固層厚度為50 mm，RUB梁常規(guī)配筋UHPC 層布置3φ12受拉鋼筋（HRB400），PUB梁預(yù)應(yīng)力UHPC 層布置2φ12 受拉鋼筋（HRB400）加單根直線型φ12.7 低松弛1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線.φ12、φ18鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度fy分別為466.7 MPa、435.5 MPa，φ12.7 鋼絞線實(shí)測屈服強(qiáng)度fpy為1 781.6 MPa.

圖1 試驗(yàn)梁幾何尺寸（單位：mm）Fig.1 Geometrical dimensions of test beams（unit：mm）

1.2 加固流程

預(yù)應(yīng)力UHPC 新型橋梁加固技術(shù)，主要針對RC梁截面受拉區(qū)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，圖2 所示為預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用示意.

圖2 預(yù)應(yīng)力UHPC加固技術(shù)應(yīng)用示意Fig.2 Application of prestressed UHPC strengthening technology

在實(shí)驗(yàn)室中，RC梁在常溫養(yǎng)護(hù)60 d 后，為模擬RC 構(gòu)件在加固前的實(shí)際開裂情況，加固之前對RC梁進(jìn)行了預(yù)壓加載，預(yù)壓至RC梁開裂并出現(xiàn)寬度為0.2 mm 的裂縫后卸載，采用UHPC 進(jìn)行加固，為保證準(zhǔn)確預(yù)壓至目標(biāo)裂縫寬度，預(yù)壓過程中采用裂縫觀測儀同時測試多條裂縫的寬度變化情況，當(dāng)其中有一條裂縫寬度達(dá)到目標(biāo)值時立即停止加載.

PUB 試驗(yàn)梁具體加固工序?yàn)椋孩賹㈩A(yù)壓損傷RC梁底面普通混凝土進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛深度為3～5 mm，為避免PUB梁UHPC-RC 界面因預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉發(fā)生剪切破壞，界面端部同時進(jìn)行了刻槽處理，槽深25 mm，界面處理完成后清理干凈表面殘余混凝土碎渣與灰塵，并保持界面處于濕潤狀態(tài)；②搭設(shè)UHPC加固層模板，布置受拉縱筋和預(yù)應(yīng)力波紋管，其中波紋管截面尺寸為20 mm × 50 mm，與縱筋平行布置，然后在模板內(nèi)澆筑UHPC加固層；③UHPC加固層常溫養(yǎng)護(hù)7 d 后，在波紋管預(yù)留孔道內(nèi)穿設(shè)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，控制應(yīng)力為0.5fpy；通過表貼應(yīng)變片及穿心式壓力傳感器實(shí)測得到UHPC加固層跨中底部壓應(yīng)變?yōu)?9 με，鋼絞線有效拉力為80.6 kN；最后在波紋管孔道內(nèi)壓注早強(qiáng)套筒灌漿料，使預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土黏結(jié)成為整體；④加固結(jié)束后進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)28 d以上直至加載.RUB梁加固工序與PUB梁相同，界面無須進(jìn)行刻槽處理.RC梁界面處理及UHPC層配筋如圖3所示.

圖3 RC梁界面處理與UHPC層配筋Fig.3 Interface treatment of RC beams and reinforcement of UHPC layer

1.3 試驗(yàn)加載及測量方案

如圖4 所示，試驗(yàn)梁采用四點(diǎn)彎曲加載進(jìn)行抗彎性能測試，純彎段長600 mm，剪跨長1 000 mm.試驗(yàn)過程中，主要測量并記錄了試驗(yàn)梁跨中、加載點(diǎn)以及端部支座處的撓度變化情況、彎曲裂縫寬度開展情況、梁內(nèi)受拉縱筋和混凝土的應(yīng)變變化情況以及加固梁UHPC-RC 界面的相對滑移情況.撓度與滑移數(shù)據(jù)的變化均由千分表測得；鋼筋、混凝土應(yīng)變變化由相應(yīng)表貼應(yīng)變計測得，混凝土開裂后名義受拉應(yīng)變由引伸儀測得；裂縫寬度變化由智能裂縫觀測儀（分度值為0.02 mm）進(jìn)行監(jiān)測.

圖4 加載裝置及測點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.4 Test setup and measuring point arrangement（unit：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞模式及荷載特征值

試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有試驗(yàn)梁的破壞模式均為傳統(tǒng)的彎曲破壞，即受拉縱筋屈服后，裂縫寬度迅速增大，梁體下?lián)霞觿?，頂部普通混凝土受壓破壞，加固梁破壞過程中還伴隨著鋼纖維從UHPC 基體中拔出的撕扯聲.3 根試驗(yàn)梁抗彎破壞時梁體變形及裂縫分布情況如圖5 所示，可以看出，未加固RCB梁裂縫總數(shù)量較少，但主裂縫數(shù)量較多，破壞時梁體下?lián)献冃螄?yán)重；而加固梁（RUB、PUB）由分別在UHPC加固層與RC梁中產(chǎn)生的彎曲裂縫在UHPC-RC界面處貫穿形成單根的彎曲主裂縫，其余RC 裂縫寬度及其平均間距均較小，UHPC 層密集分布多條微裂縫（裂縫寬度＜0.05 mm）.從加固梁的對比來看，PUB梁在預(yù)應(yīng)力的作用下，其抗裂能力及抗彎剛度均進(jìn)一步提升，破壞時梁體主裂縫寬度以及下?lián)献冃尉黠@小于RUB梁.值得一提的是，加固梁在彎曲荷載作用下均表現(xiàn)出良好的整體工作性能，其中PUB梁UHPCRC 界面黏結(jié)完好，水平裂縫寬度較小，而RUB梁界面在主裂縫局部位置開裂較嚴(yán)重，但未造成界面剝離破壞.

圖5 試驗(yàn)梁破壞模式Fig.5 Failure mode of test beams

試驗(yàn)梁實(shí)測荷載特征值見表2，其中Pcr為試驗(yàn)梁開裂荷載，Pccr為加固梁RC 裂縫重新張開荷載，Puy、Pcy分別為UHPC 層以及RC梁受拉鋼筋的屈服荷載，Pu為試驗(yàn)梁峰值荷載.需要說明的是，損傷RC梁在加固后，原有RC 損傷裂縫因UHPC 薄層的約束作用處于閉合狀態(tài)，Pccr即為RC 損傷裂縫重新張開達(dá)到可視寬度0.02 mm 時對應(yīng)的荷載值.由表2 可知，與未加固梁RCB 相比，加固梁抗彎性能有明顯提升；其中抗裂能力的提高主要得益于UHPC 層具有超高的初裂強(qiáng)度，在開裂前可承受的彎曲拉應(yīng)力更大，而梁截面高度和配筋率的提升以及UHPC層裂后的應(yīng)變硬化性能使得加固梁獲得了更高的抗彎承載能力.對比不同加固梁的加固效果，在抗裂能力方面，PUB梁在Pcr與Pccr上較RUB梁分別提高了89.2%、67.7%；在屈服荷載以及抗彎承載能力方面，PUB梁 在Puy、Pcy與Pu上較RUB梁分別提高了35.1%、40.9%、36.9%.PUB梁具有更高的抗裂強(qiáng)度是因?yàn)榻孛媸芾瓍^(qū)處于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，外荷載在該位置造成的主拉應(yīng)力可由預(yù)壓應(yīng)力部分抵消，即“消壓”過程，延緩了裂縫的形成與開展；同時，預(yù)應(yīng)力鋼絞線遠(yuǎn)超普通鋼筋的抗拉性能使得預(yù)應(yīng)力UHPC 層具有更高的拉伸強(qiáng)度和韌性，延緩了結(jié)構(gòu)受拉鋼筋的屈服，并進(jìn)一步提高了PUB梁的抗彎承載能力.總的來說，PUB梁在抗裂性能與抗彎承載能力方面較RUB梁均有顯著提升，即預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層的加固效率更高.

表2 試驗(yàn)梁實(shí)測荷載特征值Tab.2 Measured characteristic load of test beams kN

2.2 裂縫開展情況

反映各試驗(yàn)梁抗彎全過程UHPC（RC）裂縫寬度變化的荷載-裂縫寬度曲線如圖6 所示，圖中A點(diǎn)表示混凝土開裂荷載點(diǎn)（Pcr或Pccr），B點(diǎn)表示鋼筋屈服荷載點(diǎn)（Puy或Pcy）.可以看出，加固梁不僅在開裂荷載上較未加固梁RCB 有較大幅度的提升，其裂縫開展速度也明顯較慢.加固梁的彎曲裂縫的開展過程主要經(jīng)歷了兩個階段，階段Ⅰ（A-B）：多重開裂階段，此階段UHPC 層裂縫開展十分緩慢，但豎向彎曲微裂縫數(shù)量卻不斷增多，在加固層鋼筋屈服前，UHPC層各彎曲裂縫開展速度基本保持一致，無明顯的主裂縫出現(xiàn)；此外，多重開裂以及裂后應(yīng)變硬化的特性使得UHPC 層表現(xiàn)出良好的拉伸韌性，約束了RC 受拉區(qū)的拉伸變形，抑制了RC 新的裂縫形成和損傷裂縫的重新開展.PUB梁在此階段裂縫的開展因預(yù)壓應(yīng)力的作用而明顯延緩，其抗裂性能在RUB梁的基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步提升；階段Ⅱ（B點(diǎn)之后）：裂縫寬度非線性增長階段，UHPC加固層在內(nèi)部受拉鋼筋屈服后對混凝土裂縫寬度的控制能力減弱，UHPC 層多條微裂縫合并形成寬度較大（約為0.20 mm）的彎曲主裂縫，裂縫開展加快.

圖6 荷載-主裂縫寬度曲線Fig.6 Load-width of crack curves

各試驗(yàn)梁達(dá)到特征裂縫寬度時對應(yīng)的荷載值列于表3 中，其中P0.05、P0.10、P0.20分別為最大裂縫寬度達(dá)到0.05 mm、0.10 mm、0.20 mm 時對應(yīng)的荷載值.由表3 可知，試驗(yàn)梁在達(dá)到相同特征裂縫寬度時，加固梁承載能力較未加固RCB梁有顯著提升.對比不同加固梁，PUB梁在P0.05、P0.10、P0.20上較RUB梁分別提升了47.9%、67.9%、38.1%，說明預(yù)應(yīng)力UHPC層較常規(guī)配筋UHPC 層具有更強(qiáng)的拉伸韌性，對裂縫開展的抑制能力更強(qiáng)，使得PUB梁在較小的裂縫寬度下獲得了更高的承載能力.

表3 試驗(yàn)梁特征裂縫寬度荷載值Tab.3 Load value of characteristic cracks width of test beams kN

2.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系

UHPC加固層以及RC梁中受拉鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖7 所示.可以看出，鋼筋應(yīng)變隨荷載變化的過程基本上可以劃分為以下3 個階段.階段Ⅰ：UHPC（RC）開裂前階段（A點(diǎn)之前），此階段UHPC 層以及RC梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力水平較低，應(yīng)變呈線性增長；階段Ⅱ：UHPC（RC）開裂后至鋼筋屈服的AB階段，混凝土開裂后，截面應(yīng)力重分布，受拉鋼筋需要更大的應(yīng)變來承擔(dān)彎曲拉應(yīng)力，因此荷載-應(yīng)變曲線在A點(diǎn)出現(xiàn)了第一次轉(zhuǎn)折，鋼筋應(yīng)變增長速度加快；階段Ⅲ：屈服階段，當(dāng)荷載超過80%極限荷載之后，UHPC層與RC梁受拉鋼筋相繼屈服，應(yīng)變快速增長，曲線逐漸趨于平緩.通過對比加固梁與未加固梁RCB的鋼筋荷載-應(yīng)變曲線可看出，對應(yīng)相同荷載水平，加固梁鋼筋拉應(yīng)變明顯小于RCB梁，究其原因有三點(diǎn)：首先，加固梁截面高度增大，相同荷載作用下，梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力較??；其次，截面配筋率提高，使得單根鋼筋所承擔(dān)的拉應(yīng)力減?。蛔詈?，UHPC 開裂后鋼纖維沒有從基體中立即拔出，加固層由于鋼纖維的橋接作用仍具有一定的抗拉能力，為受拉鋼筋分擔(dān)部分彎曲拉應(yīng)力，延緩加固梁截面的應(yīng)力重分布.對比不同加固梁，采用預(yù)應(yīng)力UHPC 層對損傷RC梁加固后，截面受拉區(qū)有一定的預(yù)壓應(yīng)力儲備，在外荷載作用下，梁截面主拉應(yīng)力的減小使鋼筋的應(yīng)力水平也相應(yīng)降低，因此PUB梁中鋼筋應(yīng)變增長較RUB梁更為緩慢.RC 構(gòu)件中受拉鋼筋應(yīng)力水平的降低能有效減小混凝土裂縫寬度，從而提高構(gòu)件的耐久性能.

圖7 荷載-應(yīng)變曲線Fig.7 Load-tensile strain curves

RUB梁與PUB梁UHPC加固層開裂應(yīng)變（對應(yīng)開裂荷載Pcr）實(shí)測值分別為150.5 με 和237.3 με，后者較前者提高了57.7%，直觀地體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力對UHPC加固層抗裂強(qiáng)度的提升作用.值得一提的是，RUB梁UHPC加固層開裂應(yīng)變乘以實(shí)測彈性模量（見表1）所得開裂應(yīng)力為6.6 MPa，小于UHPC 實(shí)測初裂強(qiáng)度（見表1），這可解釋為UHPC-RC加固梁為新老混凝土組合結(jié)構(gòu)，后澆UHPC 硬化過程中的收縮變形受到了RC梁的約束作用，致使加固層產(chǎn)生了一定的約束收縮附加拉應(yīng)力，消耗了UHPC 的抗拉性能，導(dǎo)致了UHPC加固層開裂應(yīng)力的降低.

2.4 撓度及延性

各試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線如圖8 所示.從圖中可以看出，在加載前期（A點(diǎn)之前），加固梁受二次受力影響，撓度略小于未加固梁RCB.梁體開裂后（A點(diǎn)之后），RCB梁剛度明顯下降，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，而加固梁基本保持為線彈性工作狀態(tài)，且撓度遠(yuǎn)大于RCB梁，這是因?yàn)榕浣頤HPC 層不僅提高了加固梁截面抗彎慣性矩，且UHPC 開裂后仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度（應(yīng)變硬化現(xiàn)象），加固梁截面剛度得以維持.對比不同加固梁，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層中高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的存在使得PUB梁截面抵抗彎矩的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，且混凝土裂縫在預(yù)應(yīng)力作用下開展也較緩慢，較小的裂縫寬度也抑制了梁體的轉(zhuǎn)動變形，在荷載-跨中撓度曲線上表現(xiàn)為撓度的提高.隨著RC梁內(nèi)受拉縱筋的屈服（B點(diǎn)），各試驗(yàn)梁撓度均明顯降低，荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)明顯的屈服轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下?lián)献冃渭涌欤辉谶_(dá)到峰值荷載（C點(diǎn)）后，試驗(yàn)梁承載能力下降，下?lián)献冃渭觿?，曲線進(jìn)入下降段.

圖8 荷載-跨中撓度曲線Fig.8 Load-midspan deflection curves

試驗(yàn)梁位移延性性能可采用構(gòu)件塑性變形能力來反映，用延性系數(shù)μ（μ=Δu∕Δy）進(jìn)行定量評估［17］，其中Δy為RC受拉鋼筋屈服時所對應(yīng)的跨中位移，Δu為試驗(yàn)梁承載能力下降至85%Pu時對應(yīng)的跨中位移；試驗(yàn)梁實(shí)測Δy、Δu以及計算所得延性系數(shù)μ列于表4 中，其中γ為各試驗(yàn)梁與RCB梁延性系數(shù)μ之比.試驗(yàn)結(jié)果顯示，RC梁在使用UHPC 薄層加固后塑性變形能力稍有下降，RUB、PUB梁延性性能分別降至RCB梁的96.1%、86.9%.其中PUB梁延性損失相對較大的原因在于預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層具有較強(qiáng)的抗拉韌性，在受拉縱筋屈服之后，加固梁純彎段裂縫寬度較小，且只形成單根主裂縫，與其余試驗(yàn)梁數(shù)量多、寬度大的彎曲裂縫相比，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層較強(qiáng)的拉伸性能和數(shù)量較少、寬度較小的彎曲裂縫降低了PUB梁截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動變形能力，從而造成了結(jié)構(gòu)延性的損失.

表4 試驗(yàn)梁位移延性Tab.4 Deflection ductility of test beams

2.5 UHPC-RC界面相對滑移

UHPC-RC加固組合構(gòu)件在發(fā)生彎曲變形時，因UHPC 與普通混凝土之間彈性模量的差異，UHPC 層與RC梁在界面處產(chǎn)生了彎拉變形差，導(dǎo)致UHPCRC 界面發(fā)生相對滑移.加固梁UHPC-RC 界面相對滑移量實(shí)測結(jié)果表明，剪跨位置處界面相對滑移量最大，圖9 所示為加固梁實(shí)測荷載-滑移曲線，試驗(yàn)過程中測得RUB 與PUB梁界面水平開裂荷載分別為203.3 kN、310.5 kN（如圖9 中A點(diǎn)所示）.可以看出，水平裂縫出現(xiàn)之前，界面相對滑移增長較緩慢，而PUB梁截面剛度較RUB梁更大，在同等荷載作用下，PUB梁體彎曲變形較小，UHPC層與RC梁界面處的彎拉變形差也相應(yīng)較小，因此UHPC-RC 界面的相對滑移也更小.界面沿水平方向開裂后，相對滑移加快，但因水平裂縫僅在局部位置出現(xiàn)，且開展較慢，故直至構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)后，界面相對滑移也沒有進(jìn)一步加劇，在整個受力過程中，加固梁（RUB、PUB）UHPC層與RC梁黏結(jié)較完好，無剝離破壞發(fā)生，RUB與PUB梁界面最大相對滑移分別為0.181 mm、0.201 mm.總的來說，在對RC梁加固面進(jìn)行鑿毛處理后，UHPC-RC界面具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，保證預(yù)應(yīng)力UHPC層加固RC構(gòu)件后具有良好的整體工作性能.

圖9 荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slippage curves

3 極限抗彎承載力計算

3.1 材料本構(gòu)模型

在PUB加固梁極限抗彎承載力計算中，各材料的本構(gòu)關(guān)系選擇如下：①加固層UHPC 具有裂后應(yīng)變硬化特性，配筋UHPC 極限拉伸應(yīng)變εuu可達(dá)0.225%～0.261%［18］，超過了普通鋼筋的屈服應(yīng)變（0.2%）.因此，理論計算應(yīng)考慮UHPC 裂后應(yīng)變硬化行為，假定UHPC 初裂強(qiáng)度fut（見表1）與極限抗拉強(qiáng)度fuu相同，采用雙折線模型模擬UHPC 受拉本構(gòu)關(guān)系，UHPC 受拉本構(gòu)關(guān)系如圖10所示.②普通混凝土采用規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）［19］所給出的本構(gòu)模型.③加固梁中鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉、壓本構(gòu)關(guān)系均采用理想的彈塑性雙折線模型，即達(dá)到屈服強(qiáng)度后，應(yīng)變繼續(xù)增長而應(yīng)力保持不變.

圖10 UHPC受拉本構(gòu)模型Fig.10 Tension constitutive model of UHPC

3.2 抗彎承載力計算

PUB加固梁極限抗彎承載力計算模型如圖11所示，對于極限狀態(tài)下的PUB加固梁，受壓區(qū)普通混凝土已進(jìn)入塑性狀態(tài)，計算模型中將受壓區(qū)混凝土應(yīng)力分布等效簡化為矩形，認(rèn)為受壓區(qū)混凝土均勻達(dá)到其抗壓強(qiáng)度fc，同時極限狀態(tài)下普通鋼筋（預(yù)應(yīng)力鋼絞線）分別已達(dá)到其屈服強(qiáng)度fy（fpy）.根據(jù)圖10 所示的UHPC受拉本構(gòu)關(guān)系，在極限狀態(tài)下UHPC加固層未破壞失效，仍處于裂后應(yīng)變硬化階段，其抗拉能力保持在開裂強(qiáng)度fut不變，并假設(shè)拉應(yīng)力沿UHPC厚度方向均勻分布.

圖11 PUB加固梁極限抗彎承載力計算模型Fig.11 Analytical model of ultimate flexural capacity of PUB

根據(jù)圖11 所示計算模型，混凝土受壓區(qū)高度x可通過截面靜力平衡關(guān)系求得，然后由對受壓鋼筋合力點(diǎn)取矩之和為零的平衡條件可得到加固梁極限抗彎承載力M，計算公式如下：

式中：hc、hu、h分別為原RC梁截面、UHPC加固層以及PUB加固梁組合截面的高度；as為RC梁受拉縱筋截面重心至RC梁底距離；a's為RC梁受壓縱筋截面重心至RC梁頂距離；au為加固層受拉鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線重心至PUB加固梁梁底距離；Ast、Asc分別為RC梁受拉縱筋與受壓縱筋的截面面積；Asu、Ap分別為UHPC加固層受拉縱筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積；Au為UHPC加固層截面面積.

將PUB加固梁各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上述公式后求得極限承載彎矩，換算成施加荷載為528.6 kN，記為Pcu，與試驗(yàn)實(shí)測值Pu進(jìn)行對比，得到Pcu∕Pu為94.9%，理論計算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，且小于試驗(yàn)實(shí)測值，計算結(jié)果偏安全.

4 結(jié)論

為探究預(yù)應(yīng)力UHPC加固損傷RC梁的抗彎性能，對加固技術(shù)分別為常規(guī)配筋UHPC 薄層、預(yù)應(yīng)力UHPC 薄層的2 根RC加固梁（RUB、PUB）以及1 根未加固RC 對照梁進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)研究，并對預(yù)應(yīng)力UHPC加固梁極限承載能力進(jìn)行了理論分析，得出以下基本結(jié)論：

1）未加固梁與加固梁均表現(xiàn)為傳統(tǒng)的彎曲破壞；損傷RC梁在使用UHPC加固后，抗裂強(qiáng)度與抗彎承載能力均明顯提升.其中預(yù)應(yīng)力UHPC 層加固效率更高，與RUB加固梁相比，PUB加固梁在開裂荷載以及抗彎極限承載能力上分別提升了89.2%、36.9%.

2）預(yù)應(yīng)力UHPC加固層主動改善了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部受拉鋼筋的應(yīng)力水平的同時也延緩了裂縫的形成與開展，與未加固RC 對照梁和RUB加固梁相比，PUB加固梁在較小的裂縫寬度狀態(tài)下獲得了更高的承載能力.

3）損傷RC梁在使用預(yù)應(yīng)力UHPC 層加固后，梁體下?lián)献冃蔚玫搅烁鼮橛行У目刂疲箯潉偠容^RUB加固梁進(jìn)一步增大，但其塑性變形能力下降，造成了一定的延性損失.

4）RC梁加固面在經(jīng)鑿毛處理后，預(yù)應(yīng)力UHPC加固層與RC梁界面間的黏結(jié)性能優(yōu)異.在試驗(yàn)過程中，PUB加固梁界面相對滑移很小，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好.

5）提出了PUB加固梁極限抗彎承載力計算公式，理論計算值與試驗(yàn)實(shí)測值吻合良好，計算結(jié)果偏安全.

6）配筋UHPC 與預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的組合使用使其加固效率較常規(guī)配筋UHPC 層大幅提高，更加高效地改善了RC結(jié)構(gòu)在使用階段的工作性能.