1試驗概況
1.1試驗材料與構件制備
用超細水泥替代矽粉制備新型UHPC[3,4]，配合比見表1錯誤！未找到引用源。。其中，超細水泥52.5級，比表面積570m2/kg；42.5級普通矽酸鹽水泥，比表面積350m2/kg；S95級粒化高爐礦渣粉，比表面積408m2/kg；40～70目天然石英砂；西卡高效聚羧酸減水劑，按固體摻量計算。UHPC的鋼纖維體積摻率壹般為0.5%～3.0%[5]，本試驗按1.5%采用，鋼纖維抗拉強度大於2850MPa，平均長度及長徑比分別為10mm和60。采用攪拌機將拌合物攪拌均勻，攪拌完成後澆築構件和試塊，並振搗密實。拌合物流動性良好，易施工。待試件具有初始強度後拆模，並采用90oC蒸汽養護3d。構件的澆築與養護見圖1。試驗得到的UHPC基本力學性能指標為：100mm邊長立方體抗壓強度平均值140.2MPa，100mm×100mm×300mm棱柱體軸心抗壓強度均值115.1MPa，彈性模量Ec為50GPa。
1.2構件設計與試驗方法
試驗梁包括4根矩形梁和2根T形梁，梁長均為3200mm，鋼筋采用HRB500級高強鋼筋，沿梁底通長布置。加載裝置與梁截面尺寸見圖2，試驗梁的實際安裝情況見(a)矩形梁(b)T形梁圖3。考慮到鋼纖維的增韌作用，配置單排縱筋的梁均未配置箍筋，配置多排縱筋的梁每500mm設置壹直徑6mm的HPB235箍筋以固定縱筋，保護層厚度10mm。位移計布置在跨中、加載點和兩個支座處，且跨中增設線性差動位移計（LVDT）精確測量試驗梁跨中豎向位移。梁跨中UHPC表面沿截面高度方向及鋼筋表面粘貼應變片。在各級荷載下，采用裂縫寬度觀測儀測量梁體的裂縫寬度。試驗梁的配筋率ρ、截面有效高度h0和換算截面抵抗矩W0見表3。
2試驗結果
梁的荷載—撓度曲線見圖4，梁純彎段裂縫照片見圖5。由荷載—撓度曲線可知，高強鋼筋UHPC梁的撓度曲線與混凝土梁無本質區別，大致由開裂前、裂縫出現後至鋼筋屈服和鋼筋屈服後三階段組成。第壹階段：加載初期，彎矩小，梁尚未開裂，表現出彈性變形特征，撓度隨荷載線性增長，且梁的剛度不變。第二階段：達到開裂彎矩後，梁剛度降低，撓度增長速度加快，曲線出現拐點。在純彎段及加載點附近的梁底位置先出現裂縫，裂縫數量、寬度和高度均隨荷載的增長而增加。繼續加載，撓度進壹步增加，純彎段裂縫越來越密集，並且剪彎區也逐漸出現裂縫。
3開裂彎矩計算分析
水工混凝土及鋼筋混凝土結構設計規範[7-9]中均以材料力學的開裂彈性計算公式為基礎，即假定UHPC開裂時受壓區和受拉區應力圖形均為三角形，並引入截面抵抗塑性影響系數γ（彈塑性抵抗矩與彈性抵抗矩之比）進行修正計算開裂彎矩。(1)式(1)中，γ可選用混凝土類材料受拉區塑性化的應力圖形進行換算，或使用數理統計方法確定[10],前者更為嚴謹；後者更為簡便，且可滿足應用要求。故本文選用第二種方法，即根據開裂彎矩和抗拉強度實測結果計算並擬合出其計算公式。本試驗所用矩形梁截面尺寸和UHPC的抗拉強度測試方法與文獻[6]相同，故采用該文獻值和本文試驗數據推出γ值，並進行分析。
文獻[6]采用HRB400級鋼筋，UHPC抗拉強度均值10.2MPa。回歸分析可知鋼筋級別對UHPC梁的γ值無明顯影響。對於混凝土梁，計算時壹般考慮截面高度而不考慮截面形狀對γ的影響，因此本文中截面尺寸對γ的影響也近似認為由截面高度引起。分析發現UHPC梁的截面高度h在小於400mm時對γ有明顯影響。由開裂彎矩和抗拉強度實測結果計算的γ及相應的擬合曲線見圖6。由於配筋提高了材料的極限變形，強化了UHPC梁受拉區的塑化能力[11]，γ值隨鋼筋用量的增加而增大，並在配筋率達到0.025時趨於穩定。為便於計算和應用，文獻[6,12]的γ曲線均采用二折線。對試驗數據進行擬合分析發現，考慮截面高度和配筋率的影響後，γ曲線可按式(2)和(3)計算。
4短期剛度與撓度計算分析
4.1直接計算方法
4.1.1剛度計算公式的建立由材料力學和鋼筋混凝土梁的剛度計算基本原理可知，高強鋼筋UHPC受彎梁短期荷載作用下截面抗彎剛度Bsf可按下式計算：(4)式中，Es為梁受拉鋼筋彈性模量；As為梁受拉鋼筋面積；h0為截面有效高度；ψ為鋼筋應變不均勻系數；η為裂縫截面處的內力臂系數；ζ為UHPC受壓邊緣平均應變綜合系數；αE為梁受拉鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρ為梁受拉鋼筋配筋率。4.1.2參數ψ、η、ζ的確定（1）受拉鋼筋應變不均勻系數ψ由於鋼纖維的加入可使構件裂縫變得更加細密均勻，故受拉鋼筋應變不均勻系數ψ仍按《GB50010-2010》的關系式進行保守計算：(5)式(5)中，ρte為按有效受拉UHPC截面面積計算的受拉鋼筋配筋率；σs為試驗荷載下構件縱向受拉鋼筋等效應力。
（2）開裂截面內力臂系數η試驗結果表明，與鋼筋混凝土梁相似，在使用荷載下，高強鋼筋UHPC梁處於第二階段工作狀態，截面相對受壓高度ξ變化很小，故內力臂增長不大。本次試驗由實測截面應變得到的η值在0.81～0.91之間波動，其變化範圍與鋼筋混凝土梁區別很小，故可取與《GB50010-2010》相同的簡化計算值0.87。（3）受壓UHPC邊緣平均綜合應變系數ζζ=vξωη反映了四個參數對受壓UHPC邊緣平均應變cε的綜合影響。(6)在正常使用階段彎矩（0.5～0.8Mu）範圍，UHPC的受壓應力應變曲線處於線性上升段，該階段彈性系數v（約為1）與應力圖形系數ω（約為0.75）基本恒定，ξ隨M的增長減小，η則隨之變大，且ξ與η在該工作階段的變化不大，兩者作用的結果使M在使用荷載範圍內對ζ的影響不大，故在撓度計算時可假定ζ與M無關，主要取決於UHPC強度、配筋率與受壓區截面形狀。
4.2簡化計算方法
摻入鋼纖維可使鋼筋混凝土梁的剛度提高10%～40%[13]，可推斷鋼纖維的摻入也是強化UHPC梁剛度的主要因素之壹。
4.3撓度計算結果對比分析
跨中撓度實測值與分別采用Bs、Bsf、Bsf1和Bsf2計算的撓度值對比見UHPC梁的短期剛度和撓度。相對而言，直接計算方法中各剛度參數均根據試驗和分析得到，修正算法中的式(10)形式上較為簡單，故推薦采用以上兩種方法計算短期剛度。
5裂縫寬度計算分析
對於高強鋼筋UHPC梁，決定裂縫寬度的本質特征仍是主裂縫間混凝土與鋼筋的應變差，只是在UHPC基體開裂的基礎上由於鋼纖維的阻裂增韌作用降低了裂縫寬度，故UHPC構件的裂縫寬度以鋼筋混凝土構件的經驗公式為基礎計算：本試驗未考慮長期效應，故τ0（長期效應系數）取1，其余參數均按《GB50010-2010》取值並計算。分析發現，由於鋼纖維的貢獻，將計算的最大裂縫值乘以0.7的修正系數後所得結果與實測梁底跨中純彎段位置最大裂紋寬度符合較好，其實測值與計算值之比的均值為1.0，變異系數0.038。
6結論
1）高強鋼筋UHPC梁的正截面破壞過程與普通混凝土梁相似，但UHPC梁中鋼纖維的承拉和阻裂作用使梁整體剛度得到了提高。2）通過擬合分析得到了鋼筋UHPC梁的截面抵抗塑性影響系數，使用該系數計算的開裂彎矩與試驗值吻合良好。3）分析並確定了高強鋼筋UHPC梁的鋼筋應變不均勻系數、開裂截面內力臂系數和平均綜合應變系數，從而得到了高強鋼筋UHPC梁的短期剛度計算公式。4）計算發現，計算鋼纖維混凝土結構短期剛度的方法適用於高強鋼筋UHPC梁。
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