钢筋混凝土-超高性能混凝土组合板在四点弯曲下的性能：试验研究、数值模拟与解析方法

《Buildings》：Performance of Reinforced Concrete–UHPC Composite Slabs Under Four-Point Bending: Experimental Tests, Numerical Simulations and Analytical Methods

　　

研究人员通过试验、有限元模拟和解析建模，研究了普通强度混凝土（NSC）-超高性能混凝土（UHPC）组合板在四点弯曲下的性能。共测试了12块板在静力荷载下的性能，以考察UHPC层位置、UHPC厚度、UHPC层配筋率以及剪跨比对荷载-挠度行为、裂缝发展、应变演化和破坏模式的影响。试验结果表明，当UHPC位于受拉区时，板通常表现出更高的开裂后刚度和承载能力。将UHPC层纵向钢筋间距从100 mm减小至50 mm的试件，极限荷载增加约16%，但在高配筋率和小剪跨比下更易出现局部裂缝和剪切破坏。当UHPC位于受压区时，试件表现出更大的变形能力。在相同UHPC厚度、配筋率和剪跨比下，其破坏挠度约为对应UHPC位于受拉区试件的1.5–4.8倍，而破坏主要由界面脱粘控制。还建立了有限元模型并与试验结果进行了验证，随后进行了参数分析。数值结果表明，界面粘结强度对破坏模式和变形能力起主导作用，尤其对于UHPC浇筑于受压区的板。增加UHPC厚度通常提高刚度和承载能力，而厚度不足则增加剪切破坏或界面脱粘的风险。最后，提出了一种适用于不同UHPC层位置组合板的解析模型，该模型能合理预测弯曲主导板的荷载-挠度曲线。

**论文解读：钢筋混凝土-超高性能混凝土组合板四点弯曲性能的试验、数值与解析研究**

### 研究背景与问题
超高性能混凝土（UHPC）因高强度、优异耐久性和抗裂性在桥梁、隧道等结构中潜力巨大，但其高成本限制了广泛应用。为平衡性能与经济性，将UHPC仅布置在关键区域与普通强度混凝土（NSC）组合使用是合理途径。现有研究主要集中于UHPC局部增强梁板或钢-混凝土组合梁中的NSC-UHPC组合板，但对NSC-UHPC组合板本身弯曲行为的系统研究不足，尤其缺乏UHPC层分别位于受拉区和受压区配置的对比。已有工作表明，UHPC位置显著影响裂缝控制、刚度和承载力，但不同UHPC层位置下弯曲行为差异、破坏模式转变及其与关键参数的交互作用尚未明确。此外，现有解析方法多针对特定构件或荷载条件，缺乏适用于不同UHPC布置且能预测完整荷载-挠度曲线的模型。因此，有必要通过试验、数值模拟和解析建模系统研究NSC-UHPC组合板在四点弯曲下的性能，并提出通用解析方法。

### 研究内容与结论
研究人员设计了12块NSC-UHPC组合板，分为RU组（UHPC在受拉区）和UR组（UHPC在受压区），通过四点弯曲静力试验、有限元模拟（DIANA软件）和解析建模，考察了UHPC层位置、厚度、纵筋间距和剪跨比的影响。结论包括：UHPC层位置显著影响弯曲性能，RU组刚度和承载力更高，UR组变形能力更强；RU组出现弯曲和剪切两种破坏模式，高配筋率和小剪跨比易诱发剪切破坏；UR组全部因界面脱粘破坏，但整体变形能力优于RU组；参数分析表明，增加UHPC厚度提高刚度和承载力，厚度不足增加脆性破坏风险；高配筋率提升RU组承载力但增加剪切破坏可能，对UR组则可能促进界面脱粘；大剪跨比有利于弯曲破坏，小剪跨比易触发剪切或脱粘。论文发表在《Buildings》。

### 关键技术方法
1. **四点弯曲试验**：对12块NSC-UHPC组合板（2400 mm长、600 mm宽、170 mm厚NSC层，UHPC层厚50或75 mm）进行静力加载，测量荷载-挠度、裂缝、应变和破坏模式。样本来源为重庆广全贸易有限公司供应的钢筋。
2. **有限元模拟**：采用DIANA软件建立二维有限元模型，混凝土和UHPC采用总应变裂缝模型，界面采用界面单元，参数基于材料试验和文献数据。
3. **解析模型**：基于平截面假定、本构关系和粘结滑移修正，通过弯矩-曲率分析和变形协调计算荷载-挠度曲线，并在MATLAB中实现。

### 研究结果

#### 3.1 开裂与破坏模式
**3.1.1 RU系列**：在正弯矩下，RU板出现弯曲破坏（纵筋断裂于主裂缝）和剪切破坏（界面裂缝与斜裂缝连接导致承载力骤降）。
**3.1.2 UR系列**：所有UR板因界面脱粘破坏，裂缝到达界面后未穿透UHPC层，而是引发剥离。小剪跨比时伴随斜裂缝，大剪跨比时UHPC层受压区开裂为主导。

#### 3.2 承载能力与挠度
RU系列中，UHPC厚度从50 mm增至75 mm仅提高极限荷载约6%，但刚度显著提升；纵筋间距从100 mm减至50 mm使极限荷载增加约16%，但导致剪切破坏。剪跨比从800 mm增至1000 mm使破坏模式从剪切转为弯曲，延性提高76%。UR系列中，UHPC厚度增加提高承载力（如UR75-100-1比UR50-100-1提高13%），但高配筋率降低承载力；UR系列延性优于RU系列（如UR50-100-1极限挠度81 mm vs RU50-100-1的17 mm），但受界面粘结强度制约。

#### 3.3 应变发展及分布
**3.3.1 混凝土应变**：RU弯曲破坏板受压区混凝土压碎，剪切破坏板未压碎；UR板UHPC受压区最终达到极限压应变，增厚可降低应变。
**3.3.2 沿深度应变分布**：RU和UR板在荷载20%-40%极限荷载时应变呈线性，80%极限荷载时因界面开裂出现非线性，UR板受压区高度减小。
**3.3.3 钢筋应变**：RU板底层钢筋应变在弯曲破坏后屈服后缓慢增长，剪切破坏板持续增长；UR板因界面脱粘导致中层钢筋应变在破坏前出现转折点，复合作用丧失。

#### 4. 数值模拟
**4.1 有限元模型**：采用DIANA二维模型，钢板、混凝土和UHPC用实体单元，钢筋用线单元，界面用界面单元，参数基于材料试验和文献。
**4.2 模型验证**：数值结果与试验破坏模式、荷载-挠度曲线吻合良好。
**4.3 参数分析**：
- **界面粘结强度**：完全粘结使RU板剪切破坏转为弯曲，提升承载力；UR板在完全粘结时承载力提升39.4%，延性提升178.1%。无粘结时承载力显著下降。
- **UHPC层厚度**：增加厚度（40-100 mm）提高RU板承载力并改变破坏模式（从剪切到弯曲），厚度不足（40 mm）降低承载力并导致剪切破坏；UR板增加厚度提高承载力但略降低延性，厚度不足引发界面脱粘。
- **UHPC层配筋率**：增大配筋率（直径8-12 mm）使RU板从弯曲转为剪切，承载力提高但延性下降；UR板高配筋率使界面过早脱粘，降低承载力与延性，小剪跨比时更敏感。

### 解析模型与讨论
研究人员提出了基于平截面假定、本构关系和粘结滑移修正的解析模型，适用于弯曲主导的RU和UR板。模型假设理想界面粘结，通过截面曲率分析和变形协调预测荷载-挠度曲线，与试验结果吻合良好，但峰值后局部损伤模拟精度有限。讨论指出，设计时应综合考虑UHPC层位置、界面粘结、配筋参数和破坏模式，而非仅关注材料强度。未来研究需纳入界面粘结-滑移关系和剪切破坏准则，以拓展模型适用范围。

### 研究结论
（1）UHPC层位置显著影响弯曲性能：受拉区布置提高刚度和承载力，受压区布置提高变形能力，并改变荷载传递机制和破坏模式。
（2）RU板出现弯曲和剪切破坏，受拉区UHPC有效改善抗裂性但导致裂缝局部化，高配筋率和小剪跨比下更易发生剪切破坏。
（3）UR板均因界面脱粘破坏，但变形能力优于RU板，得益于受拉区NSC层裂缝更分散。
（4）参数分析表明，UHPC厚度、配筋率和剪跨比的影响因板类型而异：增加厚度提升刚度和承载力，厚度不足增加脆性破坏风险；高配筋率提升RU板承载力但增加剪切可能，对UR板则可能促进脱粘；大剪跨比有利于弯曲破坏，小剪跨比易触发剪切或脱粘。
（5）提出的解析模型适用于弯曲主导的NSC-UHPC组合板，能合理预测荷载-挠度行为，但需假设理想界面粘结。未来研究可纳入界面粘结-滑移关系、牵引-分离法则和剪切破坏准则，以拓展至界面脱粘或剪切破坏的板。