预制U形UHPC永久性模板组合梁抗剪性能与延性协同设计方法研究

《Structures》：Research on the shear performance and ductility collaborative design method of prefabricated U-shaped UHPC permanent formwork composite beams

　　

# 摘要

预制混凝土非拆除模板可有效提高施工效率。超高性能混凝土（UHPC）凭借其优异的力学性能和成型性能，已成为轻质永久性模板的理想材料。为研究由预制U形UHPC模板和现浇普通混凝土（NC）组成的组合梁在集中剪力作用下的力学行为和剪切机理，本文通过模型试验、有限元模拟和理论分析相结合的方式，对六个试件梁进行了剪切加载试验，以UHPC模板厚度和内箍筋配筋率为主要参数。结果表明，UHPC永久性模板可显著提高组合梁的开裂荷载和极限承载力，延缓裂缝扩展并改善结构延性。基于桁架-拱理论，建立了一个考虑UHPC残余应力和材料软化效应的剪切模型，将UHPC壳、核心混凝土和箍筋的剪切贡献纳入统一的分析框架。承载力试验值与计算值之比为1.03，表明吻合良好。提出了基于UHPC壳和箍筋总剪切贡献比的延性控制指标，并建立了模板厚度比、材料强度比和箍筋配筋率之间的匹配关系。经桥梁承台弯帽全尺寸模型验证，结构剪切延性系数为2.75，承载力满足设计要求。研究结果可为U形UHPC永久性模板组合梁的剪切延性设计和工程应用提供理论依据和方法参考。

# 引言

预制混凝土非拆除模板是指使用预制混凝土构件或模板作为永久模板[1,2]。混凝土结构浇筑完成后，无需进行模板拆除工作。它与现浇混凝土结合形成新的组合结构体系，共同承受荷载、协调工作。该系统可有效降低模板组装构件的自重，便于预制构件的运输和吊装；简化现浇混凝土结构的支模和拆模施工工序，缩短现场施工工期，提高施工效率，显著减少模板支设的临时用地，并实现城市道路上上跨梁的低交通干扰施工。采用传统混凝土材料制作的预制模板受其力学指标限制，模板厚重，不利于长大构件的吊装施工。超高性能混凝土（UHPC）基于密实颗粒堆积原理，完全用细骨料替代粗骨料并掺入随机分布的钢纤维。因此，其拉伸和压缩性能是普通混凝土的3–4倍[3]。同时，它具有优异的流变成型特性，为施工中非拆除薄壁模板的轻量化设计提供了创新解决方案。它特别适合作为形成永久模板的材料。

国内外学者已对UHPC与普通混凝土或钢材组合构件的抗剪性能开展了一系列研究。在材料组合形式方面，Wirojjanapirom[4]发现预应力UHPC组合梁的抗剪承载力约为普通混凝土梁的两倍。Zhu等[5,6]采用FRP钢筋增强的UHPC-ECC作为永久性非拆除模板和RC梁的薄层增强。对于后者，使用3 mm FRP钢筋配合20 mm厚UHPC薄层可使承载力提高40.4%，钢筋强度利用率超过75%。Zhang[7]、Li[8]和Zhan[9,10]对预制UHPC-RC梁和组合弯帽的研究表明，其抗剪承载力与普通RC构件相比显著提高，UHPC可有效抑制裂缝发展。

在力学性能和参数分析方面，Weng[11]和Wang[12]基于FRP增强模板试验，分析了剪跨比、纤维类型、箍筋配筋率和横向肋间距等参数对组合梁力学性能的影响。该系统可显著提高初始开裂荷载和抗剪承载力，采取必要的界面施工措施可确保组合梁的整体力学性能。在理论模型和计算方法方面，Liu[13]、Miao[14]和Wang[15]分别基于极限平衡、修正压场和桁架-拱理论[16]，建立了UHPC-NC组合梁抗剪承载力的计算公式，考虑了尺寸效应和材料软化等因素。计算结果与试验值吻合良好。

Zhao[17]进行了有限元分析，发现UHPC永久性模板可显著增强组合梁的开裂荷载和极限荷载。基于UHPC的双线本构模型，得出结论：由于模板约束作用，箍筋配筋率的影响减弱。Zhang[18]通过12根抗剪非加筋梁的四点弯曲试验，研究了模板类型和剪跨比参数对组合梁承载力的影响，提出了基于叠加原理的承载力计算公式。

关于界面力传递机理，Jiang[19]通过推出试验揭示了凹槽结构的界面剪力传递机理和钢筋的销栓作用，并基于试验数据修正了主流规范公式；Wu[20]通过对12个试件的四点弯曲试验分析了螺栓参数和浇筑方式的影响，提出了剪力连接程度的限值以及刚塑性抗弯计算模型；Jiang[21]开发了钢-UHPC桁架节点横向PBL连接件，阐明了其力传递机理并给出了修正的承载力计算公式；Wang[22]研究了钢-聚丙烯混合纤维水泥基永久性模板的协同力学性能，建立了相应的挠度和承载力计算方法。此外，其他研究[23,24]确定了UHPC外箍强化加固的力学作用机理。

现有研究已建立了UHPC-NC组合梁抗剪性能分析的基本理论框架，但尚未建立组合梁抗剪延性的定量控制指标。此外，UHPC壳厚的优化可显著降低构件吊装重量和工程造价。目前，尚缺乏壳厚与箍筋配筋率协调匹配的定量设计方法。本文通过模型试验、有限元模拟和理论推导相结合，系统分析了UHPC壳厚和箍筋配筋率两个参数作用下组合梁剪力演化特性。基于桁架-拱抗剪模型，推导出各构件承载力的计算公式，并量化了UHPC壳、内核心混凝土和箍筋的抗剪贡献比例。建立了满足抗剪延性要求的壳厚与内箍筋配筋率的参数匹配关系，为U形UHPC永久性模板组合梁的工程设计提供理论依据和技术支持。

# 部分章节节选

## 组合结构的应用场景

高速公路桥梁整体预制盖梁的自重可达200–300 t，现浇施工支撑的拆装十分繁琐。采用工厂预制UHPC壳模板、现场后浇核心混凝土的施工方案，可显著降低吊装重量，提高施工效率。以跨度30 m的双车道盖梁、公路一级荷载为研究对象。

## 破坏模式

不同参数的抗剪试件梁的试验现象、极限承载力和破坏模式各异。

(1) RCB试件梁

当RCB梁加载至80 kN时，跨中处出现宽度小于0.01 mm的竖向弯曲微裂缝。荷载增至200 kN后，剪跨段的弯曲裂缝斜向扩展，逐渐演变为弯剪斜裂缝，而跨中的竖向裂缝继续扩展。

## 材料本构

(1) UHPC本构关系

UHPC的抗压应力-应变关系采用Shan[32]提出的拟合公式。

σ/fu,hpc = Ax + (6-5A)x? + (4A-5)x?，0≤x<1；B(x-1)2+x，x≥1

式中，fu,hpc表示轴心抗压强度，通过插值确定，参考规范[33]结合上述力学性能试验；x=ε/ε?，ε?为对应峰值点的应变值；A为初始切线...

## 基于桁架-拱模型的抗剪承载力计算方法

基于桁架-拱剪切理论，对组合梁的分数承载力进行定量计算。UHPC壳不仅具有优异的压缩性能，还对核心混凝土提供横向约束。梁顶部区域的拱效应显著，试件的整体破坏特征与桁架-拱的力学机理一致[[37],[38],[39],[40]]：多根受压杆形成在...

## 延性控制指标

尽管现有研究尚未提供箍筋抗剪贡献比的统一限值，但已明确箍筋抗剪贡献比过低容易导致构件脆性破坏[[48],[49],[50],[51]]。管品武[52]指出，当箍筋抗剪贡献比达到30%时，构件的应力模式发生变化；当该比值超过65%时，混凝土的抗剪贡献...

## 结论

(1) UHPC永久性模板可显著增强组合梁的抗裂性能、极限承载力和变形能力。与RCB梁相比，组合梁的开裂荷载提高约175%，极限抗剪承载力提高44.8%，延性系数提高93.6%。破坏模式由脆性斜剪切破坏转变为延性弯剪破坏。

(2) 斜截面上的剪力...

## CRediT作者贡献声明

Kai Wang：原创草稿撰写、验证、方法、调查。
Cijun Liu：审阅与编辑。
Xiaochun Xiao：原创草稿撰写、验证、调查、概念化。
Jiawei Wang：原创草稿撰写。
Jigang Han：监督指导。

## 资助

本工作得到宁波甬江科创2035计划（2024Z011）的支持。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。

## 致谢

作者衷心感谢辽宁省交通规划设计院有限责任公司土木工程结构实验室提供的实验支持。

Kai Wang | Cijun Liu | Xiaochun Xiao | Jiawei Wang | Jigang Han