摘要
在 UHPC 梁桥中施加预应力可防止结构开裂，提高结构整体刚度，降低钢筋用量，是实现桥梁长寿命、轻量化与超高性能的重要途径之一。因UHPC材料具有超高的力学性能（抗压强度、抗拉强度、弹性模量），预应力UHPC梁较传统的PC梁截面尺寸大幅降低，呈现薄壁化的特点。沿用传统的预应力体系和锚固系统，可能不能完全匹配预应力UHPC结构特点，不能充分发挥UHPC材料优异的力学特性。基于此，本文提出了轻量化预应力UHPC锚固系统，研究了其局部承压与总体抗裂性能，建立了局压区极限承载力和总体区抗裂配筋计算方法；发展了大直径先张-缓粘结后张混合预应力体系，研究了先张-后张缓粘结混合预应力UHPC-NC梁受弯、受剪性能；提出了基于受压分区破坏机制的有无预应力UHPC梁受剪承载能力计算方法，构建了两极限状态下纤维桥接作用合理量化的 UHPC 梁受弯承载力分析模型，推导了考虑纤维桥接作用的 UHPC 键齿干接缝受剪承载力计算公式。具体研究内容与成果如下： （1）轻量化预应力UHPC锚固系统局压性能与承载力计算 设计了20个传统预应力锚固系统局压区和轻量化预应力UHPC锚固系统局压区试件，比较了两者的承压性能，分析了锚固区构造（有无喇叭口锚垫板、有无螺旋筋参数、有无附加钢筋）、纤维体积率和螺旋钢筋直径、约束直径和高度等参数对UHPC锚固局压区承压性能的影响，揭示了 UHPC 锚固区局部承压机制与破坏特征。基于 UHPC 锚固局压区破坏模式与特点，理论推导了UHPC抗压贡献、箍筋约束承压贡献和裂后纤维增强贡献，提出了 UHPC 锚固局压区承载力计算公式，其对 UHPC 局压区承载能力的预测精度可达96%。 （2）轻量化预应力UHPC锚固系统总体区抗裂性能与配筋计算 首先，进行了15个锚固总体区试件的抗裂性能试验，分析了纤维掺量、劈裂配筋面积、垫板宽度与受荷截面高度比值（a/h）、板厚（b）、劈裂钢筋布置方式等对UHPC锚固总体区抗裂性能的影响规律，揭示了总体区劈裂破坏过程与机制，评估了其裂后性能。研究发现，纤维体积掺量直接影响UHPC锚固总体区的极限抗裂能力；当纤维掺量由0%增加至1%，其极限抗裂承载力增加46.7%。其次，基于“局压冲切-劈裂”联合破坏特征，考虑总体区与局压区的破坏平衡和裂后纤维的桥联作用，建立了塑性平衡极限分析模型。 （3）先张-后张缓粘结混合预应力UHPC-NC组合梁弯/剪性能试验 试验设计了10根先张-后张缓粘结混合预应力UHPC-NC组合梁，研究其受弯、受剪性能。分析了纤维掺量对其弯剪性能的影响；比较了无腹筋高纤维掺量（Vf =2.0%）和有腹筋低纤维掺量(Vf =1.0%, Vf =0.75%)梁结构的抗剪性能，量化纤维与箍筋等代作用；研究了剪跨比和腹板厚度对梁结构抗剪性能的影响。研究发现，当纤维掺量大于1.0%，梁结构受弯、受剪均呈现延性破坏特征；纤维在一定程度上可以替代箍筋的作用，无腹筋梁纤维掺量为2.0%时与有腹筋梁（配箍率 0.25%）纤维掺量为 1.0%时的受剪承载能力基本相同。 （4）基于受压分区破坏机制的有无腹筋预应力UHPC梁受剪承载能力计算 建立了247片UHPC梁受剪试验数据库，进一步分析、研究了UHPC梁受剪性能影响参数与破坏特征，系统评估了现有UHPC结构设计规范与标准中受剪承载能力计算公式的准确性。根据受压区破坏机制和裂缝开裂模式，充分考虑纤维细观受拉强度贡献和受压区破坏机制，提出了有/无腹筋预应力 UHPC 梁受剪承载力计算公式，进一步实现了对UHPC梁抗剪承载能力的准确预测。 （5）正常使用与承载能力极限状态下纤维桥接作用与受弯承载能力计算 揭示了跨裂缝纤维在循环荷载作用下因纤维失效脱粘导致正常使用阶段部分纤维桥接作用消失的问题。基于 UHPC 应变硬化与软化对梁结构受弯承载力和失效特征的影响，考虑正常使用极限状态下特定裂缝宽度时的纤维桥接作用退化，建立了受弯全过程纤维桥接合理量化的UHPC梁受弯承载力计算方法。验证结果表明，该计算公式可对应变硬化与软化UHPC梁承载能力进行准确预测。 （6）考虑纤维桥接作用的UHPC键齿干接缝受剪承载力计算 基于纤维-基体分离模型，考虑UHPC基体、纤维桥联和摩擦力三部分受剪贡献，提出了无配筋 UHPC 键齿干接缝受剪承载力计算公式。该公式充分考虑了 UHPC 材料力学特性和键齿受剪破坏特点，其计算结果与试验结果比值的平均值达0.98。
NETL