常温养护钢-UHPC组合桥面板早期收缩效应

何武超

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

钢-超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）组合桥面板通过焊钉等连接件将UHPC 板与正交异性钢桥面板相结合，可显著地提高桥面板刚度，有助于解决钢桥面板疲劳开裂问题［1］。由于UHPC 粗集料含量少、水胶比低，UHPC 较普通混凝土早期收缩发展速度更快、收缩量更大［2］。在组合桥面板结构中，UHPC的收缩受到钢筋、剪力连接件和钢结构等的共同约束产生次内力，存在开裂的风险，进而影响组合桥面板的耐久性和受力性能。

UHPC 的收缩呈现出早期收缩快且占比重大、后期收缩较小的特点，且早期收缩以材料的自收缩为主［3］。根据李家和等［4］的研究，早期收缩是造成UHPC 开裂的主要原因。因此，研究UHPC的早期收缩规律具有重要的实际意义。目前对于UHPC 早期收缩的起始点时间的选取没有形成统一的观点。赵筠等［5］认为初凝后发生的收缩是导致开裂的主要原因。因此，测量与评价UHPC 收缩的起始点应该是初凝的时间点。Huang 等［6］通过改进的方法测量水泥浆内部相对湿度的变化，发现水泥浆的内部湿度在终凝后没有立刻降低，并将新的测量“时间零点”定义为内部湿度开始下降的时间点。

养护制度是影响UHPC 早期收缩发展的重要因素。目前实际工程中UHPC 的养护制度主要有高温养护和常温养护。高温养护可以显著促进胶凝材料的水化进程，加快养护期间的自收缩发展和早期强度的形成，减少UHPC 的残余收缩［7］。目前已有学者针对养护制度对UHPC 收缩发展的影响进行了研究。崔存森［8］研究了不同养护制度对UHPC 收缩的影响，结果显示，与标准养护相比，热水养护与干热养护均可使UHPC 的抗压强度有不同程度的提高。胡功球［9］研究了标准养护条件下UHPC 试件的早期自收缩和干燥收缩，结果表明标准养护条件下UHPC 的早期自收缩较大，约为干燥收缩的1.5 倍。在实际工程中，高温蒸养增加了施工的难度，常温养护从方便施工角度更具有优势。但是常温养护UHPC 收缩受到变化的环境温湿度等外在因素的影响，各国规范尚未给出建议值。这给常温养护条件下组合桥面板收缩效应的影响特征研究带来了困难。

一方面，组合桥面板中UHPC 收缩效应与UHPC 本身的收缩特性相关，另一方面又受到结构约束作用的影响。目前常温养护条件下组合桥面板UHPC 次内力、钢板及钢筋应力的影响特征仍未明确，这是研究钢-UHPC 组合桥面板收缩特点及机理的重要基础。本文以实际工程为背景，结合钢-UHPC 组合桥面板夏季高温施工特点，设计桥面板足尺节段模型进行自然环境常温养护下的收缩监测试验，监测组合桥面板中各构件的应变发展与分布特点。结合监测结果，引入弹塑性损伤本构和弹性模量变化的有限元模型对试验结果进行模拟与分析。研究结果为常温养护条件下钢-UHPC 组合桥面板考虑收缩效应的合理设计积累了监测数据和分析基础。

1 收缩监测试验设计

1.1 试件设计与材料性能

设计钢-UHPC 组合桥面板足尺节段试件如图1 所示。板件厚度、加劲肋构造、纵横肋间距等均参照背景工程中构件尺寸。试件长7 000 mm，宽1 960 mm，高488 mm；加劲肋高180 mm，厚11 mm，间距400 mm；横肋间距2 000 mm。UHPC板厚度为60 mm，钢盖板厚度分别为12 mm，两者接触表面未做特殊处理。UHPC 板内钢筋采用HRB400，直径为16 mm，间距为100 mm，纵桥向钢筋底部保护层和横桥向钢筋顶部保护层厚度分别为15 mm和13 mm。试件中焊钉直径为13 mm，高度为40 mm。

图1 试件构造示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of specimens（Unit：mm）

试验所用UHPC 由粉体材料和外掺定制特种钢纤维组成。粉体材料组分包含水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰、石英粉、降粘剂、石英砂、减水剂、流变稳定剂等。钢纤维的体积掺量为2.3%。材性试件养护条件与桥面板试件相同。根据规范［10］分别测量UHPC 养护7天与28天时的材料基本力学性能，材性试验结果见表1。根据规范［11］测得钢筋与钢板的材性试验结果见表2。

表1 UHPC材性试验结果Table 1 Material property test results of UHPC

表2 钢筋和钢板材性试验结果Table 2 Material property test results of rebar and steel plates

1.2 测点布置与试验过程

UHPC 收缩效应测试应变计布置位置如图2所示。分别用编号G、R 和S 表示埋入UHPC 内部的光纤应变计、测量钢筋应变的振弦应变计和粘贴在钢板表面的振弦应变计。UHPC 板内部沿纵向布置共5 个光纤应变计以监测UHPC 板收缩纵向分布情况。同时，在两侧位置分别设置1 个温度计监测UHPC 内部温度变化情况。埋入式光纤应变计的布置高度与钢筋平齐，距离钢底板约25 mm。在位于中心线上的纵向钢筋两端位置处各布置1 个振弦应变计监测钢筋受力情况。在横截面1—1和3 ℃3位置钢顶板下缘和钢肋下缘分别布置1个振弦应变计，在2—2截面钢顶板下缘布置1个振弦应变计以监测钢结构上应变分布情况。

图2 试件应变计布置示意（单位：mm）Fig.2 Schematic diagram of specimen strain gauges layout（Unit：mm）

为了减少徐变对收缩监测的影响，在组合桥面板的下面沿纵横向垫置木块。UHPC 浇筑完成时刻的环境温度为23.1 ℃，湿度为64%。浇筑完成约1 小时后对UHPC 表面洒水并覆盖塑料薄膜进行养护，静置于室外环境中持续监测。

2 试验结果与分析

2.1 温湿度监测结果

图3 为UHPC 内部G2 测点的温度日监测结果。图4 为环境湿度的日监测结果，包括日最值和日均值。监测时间约为90天。UHPC内部的日平均温度呈现先上升后下降的趋势。监测过程中UHPC 内部温度变化范围为17 ℃～55 ℃。环境湿度的变化范围主要为50%～90%，浇筑完成初期环境湿度相对较高，养护20 天后环境湿度均值有所降低。

图3 UHPC内部温度变化（G2测点）Fig.3 UHPC internal temperature change（G2 measuring point）

图4 环境湿度变化结果Fig.4 Environmental humidity change results

2.2 UHPC收缩监测结果与分析

在整个监测试验中，自然养护条件下组合桥面板UHPC 未发现明显收缩裂缝，主要因为试件采用了较高的配筋率。以组合桥面板浇筑完成时刻作为监测时间零点和应变零点，表3 为前72 小时和90 天内主要监测结果。初凝时间判定在3.3节中进行说明。根据监测结果，组合桥面板UHPC 在前72 小时内最大收缩量达到350 με，发生于G3 测点。收缩分布总体表现为中心区域（G5 测点）收缩较小，靠近边缘区域收缩较大，主要原因是各区域受焊钉约束作用差异和与环境接触面积不同。此外，G1 和G3 是位于UHPC 板对称位置处的两个测点，可以观察到两测点早期监测数据具有一定离散性。这是因为UHPC 板内材料分布不完全均匀、水化反应放热有所差异，导致不同位置处UHPC 应变发展不同。但随着龄期增加，UHPC 收缩发展趋于稳定后，G1 和G7 测点检测到的应变差异逐渐减小。同时，此次监测试验采用的光纤传感器自身也存在监测误差。

表3 UHPC应变监测结果统计Table 3 Statistics of UHPC strain monitoring results με

为研究组合板试件UHPC 收缩发展过程，以早期收缩最大的G3测点为例，绘制UHPC前72小时应变发展，如图5（a）所示。其中，正值表示应变增加，负值表示应变减小（与应变零点相比较）。每天的监测结果由于受到环境温度和湿度变化的影响，存在一定的波动，因此计算UHPC 应变的日均值和最值并绘制发展过程，如图5（b）所示。

图5 UHPC应变监测结果Fig.5 UHPC strain monitoring results

前3 天UHPC 应变以24 小时为周期呈现波动式的收缩，这主要是受到日间温度变化的影响。白天环境温度较高，UHPC 受热膨胀，夜晚则因温度降低而收缩；整体呈现的是收缩趋势。根据长期监测结果可知，UHPC 浇筑初期受水化反应热和较高环境温度的影响发生一定膨胀，之后快速收缩，约40 天时日平均应变达到最小值。可见夏季炎热环境下（温度：17 ℃～42 ℃，湿度：50%～90%）组合桥面板UHPC收缩发展在40天内基本稳定。

2.3 钢筋与钢结构应变监测结果与分析

以桥面板浇筑完成时刻作为时间零点和应变零点，计算钢筋测点各时刻的应变。绘制纵向钢筋R3测点前72小时应变变化，如图6所示，其中，正值表示受拉，负值表示受压。浇筑完成后15 小时内钢筋应变基本为0，之后钢筋逐渐受压。说明此时钢筋开始受到UHPC 收缩引起的次内力作用，可以推断UHPC 的初凝时间在15 小时左右。约48 小时后钢筋应变发展趋于稳定，说明钢筋次内力主要由前48 小时UHPC 收缩产生。前72 小时钢筋最大压应变值约为280 με，对应的压应力值约为58 MPa。附近G3 测点处UHPC 最大收缩量为350 με。

图6 钢筋应变监测结果Fig.6 Rebar strain monitoring results

以浇筑完成时刻作为时间零点和应变零点，绘制3—3 截面钢板S4 测点和钢肋S5 测点应变发展均值与最值分别如图7（a）和图7（b）所示，其中，正值表示受拉，负值表示受压。

图7 钢结构应变监测结果Fig.7 Steel structure strain monitoring results

监测结果表明：钢板下表面受压、钢肋下表面受拉，说明收缩对钢结构产生了正弯矩次内力作用，使钢桥面板发生一定程度的弯曲变形。浇筑完成初期钢结构次内力迅速增长，30～40 天后钢结构应变趋于稳定，这与UHPC 的收缩稳定时刻吻合，说明钢结构次内力随UHPC 收缩的增长而增加。监测过程中边部钢板最大日均压应变约为130 με，钢肋最大日均拉应变约为150 με。

3 有限元模拟与分析

本文基于UHPC 材料弹塑性损伤和早期弹性模量变化建立有限元模型，对试验中钢-UHPC 组合桥面板收缩效应进行模拟，模型尺寸与试件尺寸一致。需要说明的是，常温养护组合板UHPC收缩受到环境温湿度变化、材料弹性模量及早期膨胀系数变化等诸多因素影响，目前相关研究尚不充分。本文数值模拟并不是对监测过程的精确模拟，而是在不考虑温湿度影响的情况下对钢-UHPC 组合桥面板的收缩效应进行定性模拟，作为对监测试验的重要补充，也为总结收缩效应规律奠定基础。

3.1 有限元模型设置与材料本构

通过ABAQUS 软件建立试验中组合桥面板的有限元模型，其中，UHPC 板、钢筋、钢结构分别采用C3D8R 单元、T3D2 单元和S4R 单元模拟，焊钉采用Connector 单元模拟并考虑了刚度非线性，具体参数参照文献［17］的试验结果。考虑UHPC与钢盖板之间的界面切向摩擦系数为0.3，法向为“硬接触”。边界条件与试验静置时保持一致，垫放木块处设置竖向支撑。有限元模型示意如图8所示。

图8 有限元模型示意Fig.8 Schematic of finite element model

UHPC 抗压和抗拉强度等参考表1 中材性试验结果。材料属性中考虑UHPC 弹塑性损伤，以模拟UHPC 可能的受拉开裂特征。参考文献［12-14］推导应力-非弹性应变曲线和损伤因子-非弹性应变曲线。

参照欧洲FIB 模式规范与材性试验结果，浇筑完成初期UHPC 弹性模量的变化按图9 进行设置。参考Zhang Xiuzhen［2］、Soliman A M［5］、Huang Hao 等［15］学者对UHPC 收缩发展的研究成果，结合试验监测结果，有限元分析模型中引入了如图10 所示的UHPC 收缩发展特征曲线。

图9 UHPC弹性模量变化Fig.9 UHPC elastic modulus change

图10 UHPC收缩随时间发展Fig.10 UHPC shrinkage development over time

UHPC 其他材性参数参照文献［16］设置。钢板、钢筋本构关系采用基于材性试验结果的双折线弹塑性模型，泊松比与弹性模量分别设置为0.3与210 GPa。焊钉剪切刚度采用基于焊钉推出试验结果［17］的非线性模型定义，其中，弹性段剪切刚度约为353 kN/mm。

3.2 有限元模拟结果对比

表4 为主要构件测点的试验监测值与计算结果的对比。可见，在UHPC 应变发展与试验基本吻合的情况下，钢筋和钢结构测点计算值与试验值的误差在10%～25%。由于模拟中未考虑温湿度变化等环境因素的影响，因此可以认为误差在合理范围。结合图13 的UHPC 应变计算分布，数值模拟中UHPC 收缩在中心区域较小，靠近边缘区域较大，与试验监测分布规律一致。可见，计算与试验结果能够较好吻合，验证了计算方法的可行性。

表4 各类型测点有限元计算值与试验值比较Table 4 Comparison of finite element calculation values and test values of various measuring points

3.3 基于试验与有限元模拟结果的收缩效应分析

图11 为UHPC 横向中心线上应变分布图，横轴为距离跨中的距离；纵轴为UHPC 的应变，应变负值表示收缩。可见，组合桥面板的跨区域UHPC收缩较小，表明跨中区域UHPC受到的约束作用较强。距跨中距离越远UHPC 收缩应变越大，说明组合桥面板不同位置处受焊钉的约束作用有差异。

图11 UHPC应变计算结果Fig.11 UHPC strain calculation results

图12 和图13 分别为横向边部钢板（S1 测点所在纵向线）应力与横向中心线上钢筋应力的分布图，横轴为距跨中距离，正负表示跨中两边不同方向；纵轴为钢板或钢筋应力，正负分别表示受拉和受压。可见，钢板跨中受压应力大于边缘区域，结合UHPC 收缩分布结果，分析其原因是中心区域受焊钉约束作用更强，UHPC 收缩更小，对应的钢板次内力更大。而跨中区域钢筋受压应变则较小，原因是钢筋与UHPC 应变具有一定的协同性，跨中区域UHPC 在强约束作用下收缩较小，因此钢筋压应变也较小。

图12 钢结构应力计算结果Fig.12 Steel structure stress calculation results

图13 横向钢筋应力计算结果Fig.13 Longitudinal reinforcement stress calculation results

根据端部截面纵向应变分布（图14），组合桥面板UHPC 越靠近上表面处收缩越大，原因是靠近上表面处受焊钉约束作用小，且结构次弯矩在不同高度处引起的内力不同。端部UHPC 与钢板之间的应变差约为250 με。UHPC 收缩引起的钢结构次内力使钢板受压，钢肋底部受拉，与试验监测结果一致。

4 结论

本文在夏季炎热环境下（温度：17 ℃～42 ℃，湿度：50%～90%）对钢-UHPC 组合桥面板足尺模型进行常温养护收缩静置监测试验与分析，探究了组合桥面板中UHPC 收缩发展与分布规律，以及对钢筋、钢结构等构件次内力发展的影响。在验证有限元计算结果的基础上对组合板收缩效应进行了更深入的分析，结论总结如下：

（1）在温度为17 ℃～42 ℃、湿度为50%～90%的养护环境中，钢-UHPC 组合桥面板中UHPC 未发现明显开裂情况，UHPC初凝时间约为15小时。前72 小时内组合桥面板UHPC 最大收缩量约为350 με，中心区域收缩量较小。约40 天时UHPC收缩基本稳定。

（2）UHPC 收缩对钢结构产生正弯矩次内力作用，引起钢板下表面受压，钢肋受拉；UHPC 板内钢筋则受到压应力作用，钢筋与UHPC 的变形具有一定的协同性。

（3）基于试验设计的有限元分析表明，组合桥面板不同位置处受焊钉的约束作用有差异，越靠近中心区域所受约束作用越强，UHPC 收缩次内力和钢板次内力也越大。端部截面UHPC 与钢板界面应变差约为250 με。根据滑移分布结果，远离跨中方向UHPC与钢板间的结合作用减弱。

（4）在结构设计方面，UHPC收缩由于受到约束会产生次内力，导致UHPC 板内存在拉应力，从而使UHPC 的材料性能使用率下降、材料优势降低。在施工方面，若不加考虑，UHPC 收缩会导致UHPC 早期开裂，降低组合桥面板耐久性和安全性。