鼎兴土木，专注UHPC
1 简介
超高性能混凝土（UHPC）以其超高的力学性能和耐久性，提供了可与钢结构相媲美的工程解决方案。本文介绍了UHPC在学校建筑项目中的应用，该项目在施工阶段将顶层的功能从教室改为礼堂。这一改变需要取消三层结构顶层的中间柱，从而将跨度从6.875m增加到13.75m。使用传统的钢筋混凝土 (RC) 或预应力梁 (PT) 会导致周边柱上的应力显着增加，也会使它们显得笨重。作为解决方案，设计了与 RC 板形成组合结构的无粘结预应力 UHPC-I 梁。 UHPC 使用干混料在现场制备，梁在地面预制，并使用无粘结钢绞线施加预应力。使用起重机将 UHPC 梁吊装到位后，RC 面板在现场浇筑。与原跨度6.875m的框架相比，该设计减少了楼板系统约30%，从而减轻了顶层周边柱子的应力。本文介绍了印度首个采用大跨度UHPC-工字梁的RC-UHPC复合楼板系统的设计和施工过程。
2 项目概况
印度孟买以北 75 公里处有一个技能开发和培训机构项目。该建筑是一座三层的培训综合楼，最初设计有一组教室。然而，随着施工的进展，业主意识到应该在最顶层设置一个大礼堂。原始框架系统由一组钢筋混凝土（RC）梁、周边柱和内部柱组成，如图1（a）所示。典型的内部 RC 梁宽度为 300 毫米宽，750 毫米高。 RC板厚度为175mm，楼板采用双向受力板设计。
图1(a)。最顶层框架图
图 1(b) 无内柱原框架 图 13 跨度 75m 钢筋混凝土（RC）板或预应力混凝土（PT）梁楼面结构体系
图1(c) 无内柱UHPC梁楼板结构体系
楼板功能的改变需要消除内部柱，如图 1(b) 所示，这导致 RC 梁沿 X 方向的跨度加倍。最简单的解决方案是提供一组更高的 RC 梁或带有 250mm 厚单向板的预应力混凝土 (PT) 梁。然而，这一变化给地板系统和外围柱增加了更多的负载。由于荷载增加，底层现有周边柱的结构应力不满足要求，需进行加固以提高其承载能力。然而，这样的方案并不能满足业主的要求。
第二种方案是采用小间距空间钢桁架或钢梁搭配组合混凝土楼板，这意味着在施工过程中又增加了一项特殊的施工内容，同时也延长了工程交付时间。
UHPC 已开始进入印度市场，因此大跨度预应力 UHPC-I 梁被提议作为可行的替代方案。建议这些梁在现场预制并吊装到位。如图1（c）所示，一组轻质UHPC-I型梁等间距排列，与100mm厚的RC板形成组合结构。该系统比 RC 梁和 PT 梁解决方案分别轻 40% 和 40%。 35%。此外，UHPC系统比原来带内柱的地板系统轻30%。楼盖体系结构重量的减轻，有利于降低结构体系的荷载和地震力，使原柱的承载力满足要求。
3 结构设计
13.75m跨UHPC梁经过仔细分析设计，两端采用简支。此类UHPC梁共13根，按照中心距1.875m排列。这些梁采用后张法预应力技术，与现场浇筑的100mm厚RC板形成复合结构体系。
3.1 设计荷载、配筋和截面形状
UHPC梁设计需要满足梁关键截面的抗弯、抗剪要求。标准组合下的跨中弯矩和距支点有效高度（截面位于距支点中心822mm）处的一次剪力如表1所示。
表1 使用荷载作用下关键部位弯矩和剪力
负载类型
跨中弯矩（kN·m）
临界截面剪力 (kN)
梁子忠
73
19
钢筋混凝土板
111
28
附加静载 (SDL)
66
17 号
活荷载(LL)
133
34
设计中提出的UHPC梁截面及其尺寸如图2所示。梁的单位重量为3.1 kN/m，纵向放置3根直径为12.7-7mm的直后张法无粘结钢绞线。梁的底部翼缘。股线中心间距为 150 毫米，最小网覆盖厚度为 35 毫米。梁的底部翼缘还装有4根12mm直径的钢筋。钢筋的中心距和最小网覆层厚度与无粘结钢绞线相同，钢绞线和钢筋的质心距梁截面底边53毫米（见图2）。
图2 所有无粘结预应力UHPC梁截面与钢筋混凝土楼板的截面几何形状
3.2 材料模型
3.2.1 超高性能计算
UHPC 28天抗压强度特征值为150MPa，弹性模量为48GPa。采用法国设计标准（NF P 18-710, 2016）推荐的弹塑性应力应变模型获得UHPC在压缩状态下的设计应力。 -应变响应（如图3（a）所示），极限抗压强度按照（NF P 18-710，2016）的指导方法降低，设计抗压强度为85MPa，抗压峰值强度为应变取为0.0032。
图3 应力应变设计曲线，包括(a)UHPC压缩本构，(b)UHPC拉伸本构，(c)钢筋混凝土板压缩本构
28天时，UHPC的弹性极限拉伸设计值为6.1MPa（0.89千磅/平方英寸），其裂纹局部应变为0.005（参考SIA 2052，2016），如图3（b）所示。 UHPC的蠕变系数以及相应的收缩应变值采用瑞士设计标准（SIA 2052，2016）的规定计算，极限收缩应变值取0.075%。图4显示了UHPC在第4天、第28天和第1825天的蠕变系数和收缩应变。 UHPC在第4天、第28天和第1825天的弹性模量分别取为35、45和48GPa。 。
图 4 根据瑞士建议 (2016) 的 UHPC 蠕变和收缩曲线
3.2.2 常规混凝土（RC板）、预应力钢筋和钢筋
取常规混凝土的特征抗压强度fck为45MPa，压缩应力应变本构曲线如图3(c)所示，破坏应变取0.0035，不同龄期的徐变和收缩参数根据印度标准规范(IS 456，2000)确定混凝土在第4天、第28天和第1825天的弹性模量分别取为20.8、24.6和27.4GPa。
预应力钢绞线极限强度为1860MPa，弹性模量为195GPa，断裂应变极限为0.035（按IS 1343钢结构设计手册 模量，2012），钢绞线松弛系数取0.13。钢筋弹塑性应力应变模型（Fe 500）屈服强度为500MPa，设计强度为435MPa，屈服应变为0.2%（见IS 456，2000），钢筋弹性模量为200GPa。
3.3 施工过程及正常使用极限状态分析
UHPC梁计算分析分四个步骤进行。每步施加的荷载和截面类型如表2所示。第一步在第4天施加预应力和梁自重，第二步在第28天施加钢筋混凝土板。永久荷载和第四步均在第28天施加。但是，在第三步至第四步中，假设截面组合，长期挠度的荷载年龄假设为1825天（5年）。本文2.2节给出了所有材料在每个加载龄期对应的蠕变系数、收缩应变和弹性模量。
载荷步分析是通过在 MATLAB® 上开发的内部程序进行的，该程序结合了 UHPC、钢筋混凝土板和钢绞线的松弛的即时和随时间变化的影响，包括蠕变和收缩。该程序还计算每个步骤中考虑的即时和长期影响的应力和偏转。各台阶跨中截面计算的应力如图5所示。正值表示拉应力，反之表示压应力。组合截面有效翼缘宽度取1665mm。断面底边拉应力小于4.1MPa，钢筋混凝土楼板顶边压应力小于2.3MPa。还显示预应力完成后截面的应力图。本步骤传递的钢绞线张拉控制应力为极限抗拉强度的75%，总预应力为410 kN，UHPC梁顶缘拉应力为1.2MPa，近期和长期挠度第四步加载后的变形限制为8.9mm，比允许挠度极限低20mm。
图5 各施工阶段跨中截面应力图及第一步结束截面应力图（单位：mm）
3.4 承载能力极限状态分析
跨中总折算弯矩为575 kN·m，根据强度荷载组合计算（按IS 456, 2000标准）。 UHPC梁-钢筋混凝土组合梁的名义抗弯承载力是基于平面截面的假设。方法通过内部开发的MATLAB®设计工具确定弯曲失效模式，假设UHPC梁的极限拉伸抗力达到裂纹局部应变的0.005。图 6 显示了假设失效模式下的应变和应力图。中性轴计算为钢筋混凝土板最外侧150mm高度被压缩的距离。无粘结钢绞线和周围的 UHPC 不满足平面截面假设。无粘结钢绞线极限状态下的应力根据ACI 318-14标准计算，等于1290MPa。计算得到的极限弯曲承载力为975 kN·m，大于折算弯矩的要求。
图6 弯曲极限状态下截面应力应变图（单位：mm）
剪力设计遵循瑞士设计标准（SIA 2052，2016），该标准基于斜拉力引起的梁腹中的主要拉应力场。总剪切阻力由UHPC纤维材料和钢筋的剪切能力提供。总抗剪承载力。
组合截面中，受压区最外侧到预应力钢绞线质心（有效高度）的距离h为822mm，压力与拉力的合力（杠杆臂）z取740mm，腹板b的厚度为65mm。根据SIA 2052、2016标准，主压应力的倾角取30°。根据强度荷载组合，关键地段最大剪力设计值为147 kN。
鉴于UHPC的设计弹性抗拉强度和极限抗拉强度均为6.1 MPa钢结构设计手册 模量，UHPC的抗剪承载力高达508 kN，远远超出了预期的抗剪要求。此外，由于腹板中存在压应力场和拉应力场，在有效高度处会产生附加的纵向拉力，该拉力由布置在底翼缘内的纵向钢筋承受。
UHPC梁与钢筋混凝土板界面处的纵向抗剪所需钢筋按照PCI设计手册（2010年版）中的剪摩擦概念进行设计。界面设计剪力计算结果为1216 kN。假定表面位于界面处。对于粗糙度，请使用 1.0 的剪切摩擦系数。为了抵抗梁全长的界面剪力，中心距300mm布置直径12mm的钢筋。这种设计保证了结构在剪力作用下的稳定性和安全性。
4 施工
专门的UHPC干混料用大袋运输到现场，钢纤维体积百分比为2%，纤维尺寸为0.2mm x 13mm长，极限拉伸强度为2600MPa。还使用了1.8kg/m3的聚丙烯（PP）纤维。现场使用大功率行星搅拌机来混合UHPC干混物、碎冰和纤维。浇筑梁时的环境温度在35至40摄氏度之间。使用桶将湿法混合的 UHPC 倒入钢模板中。浇注完毕16小时后拆除模板侧板。然后，喷水固化7天，并用湿亚麻布和聚乙烯薄膜包裹。每天浇筑一根梁，同时浇筑6个100mm立方体，获得28天的抗压强度数据。现场生产的UHPC的中值抗压强度为165.6MPa，标准差为12.6MPa。图7展示了整个构建过程。
最后一根梁浇筑后 15 天，使用单绞线千斤顶在地面上进行绞线后张拉。张紧后立即在梁的跨中位置记录到约 2 毫米的平均向上弯度。现场观察到的股线伸长率与理论值一致。锚固系统由冷镀锌单股锚栓和钢板组成。这有助于防止锚固系统立即生锈。为了在钢丝后面提供进一步的保护，拉力锚栓端部采用 UHPC 进行铸造，这是一种封装锚栓的新颖方法。然后使用 40 吨移动式起重机将梁吊至所需高度。吊装点位于横梁两端的三分之一处。安装所有梁总共花费了六个小时，随后现场浇筑了钢筋混凝土楼板。
图7 UHPC梁浇筑、张拉、安装过程图片
5 结论
本文提出一种UHPC-RC组合梁来解决施工过程中改变建筑顶层（教室至礼堂）使用功能的需要。 13.75m跨UHPC-RC组合梁采用无粘结预应力技术，帮助减少内柱，楼盖系统自重降低约30%。本文介绍了印度首个商业化生产的 UHPC 梁的设计和施工过程。这些梁是现场铸造的。现场 UHPC 湿拌料的生产实现了高标准的质量控制。 UHPC梁的制作和安装也已成功进行。结束。
鼎兴观点
UHPC-RC梁结合了超高性能混凝土（UHPC）和钢筋混凝土（RC）的特点，提供高性能、高效、经济的施工解决方案。无应力UHPC-RC复合材料结构非常相似。以下是UHPC-RC组合梁的一些显着优点：
1、增强强度和刚度：UHPC材料的高强度和高韧性与钢筋混凝土的结合，使UHPC-RC梁具有优异的承载荷载和抗变形能力。
2、减少结构自重：UHPC的高强度性能允许设计更薄的梁截面，从而减少结构自重，减少对施工支撑的需要。
3、耐用、寿命长：UHPC优异的耐久性使UHPC-RC梁能够抵抗腐蚀、冻融循环、紫外线辐射等恶劣环境的影响，从而延长结构的使用寿命。
4、提高结构的抗裂性：UHPC的高韧性有助于抵抗裂纹的扩展，提高结构的抗裂性。
5.设计灵活性：UHPC-RC梁可以根据项目需求进行定制，提供更多的设计选择，以适应不同的施工和工程挑战。
6、施工效率：UHPC梁的快速预制，简化了施工流程，加快了施工速度，有利于缩短工程整体工期。
7、经济效益：虽然UHPC材料的成本比普通混凝土高，但由于其强度高，所以用料较少。同时，其维护成本低、使用寿命长，使得该类结构的全寿命成本较低。
8、抗震性能：UHPC-RC梁的高强韧性，显着减轻了楼板结构体系的重量，降低了柱的地震力，提高了结构的安全性。
9.环境可持续性：UHPC的生产可以利用工业废物，减少对自然资源的依赖。同时，其高耐用性也减少了建筑垃圾的产生。
10、预应力技术：预应力结构在房屋建筑结构中应用较少。本工程采用预应力技术，可以提高梁的承载能力和抗裂能力，同时降低梁的高度，减少梁内部空间的占用，为其他管道和设施提供空间都是为了方便而安排的。
11、本工程与国内UHPC-RC组合结构的区别：（1）本工程UHPC预制梁采用无粘结预应力梁。我国普遍采用粘结预应力梁。本工程可采用无粘结预应力梁，以缩短工期。应力，无粘结钢绞线的耐久性需要特别考虑； （2）本工程UHPC预制梁采用洒水养护7天，未采用蒸汽养护。现场条件可能不支持蒸汽养护条件。国内UHPC预制构件一般采用蒸汽。养护和蒸汽养护可以减少收缩和蠕变的长期影响； (3)本项目UHPC材料中添加PP纤维。本项目建筑结构需考虑防火要求。添加PP纤维可以提高UHPC的防火性能。同时可以提高UHPC的抗裂性能。
参考
[1] 孙向东，马玉泉，田跃强。超高性能UHPC桥梁设计与施工关键技术问题探讨[J].广东公路交通，2019，045（005）：25-30。
[2] 孙向东，徐家波，田跃强。 UHPC预制梁在农村公路老桥改造中的应用研究[J].广东交通职业技术学院学报，2023，22(02)：46-49。
[3]萨蒂什·贾恩，拉格文德拉。印度首个大跨度无粘结后张RC-UHPC复合工字梁[C]。 2023年第三届国际超高性能混凝土互动研讨会
