1.2組件設計和測試方法
試驗梁包括四根矩形梁和兩根T形梁，長度均為3200毫米。鋼筋采用HRB500高強鋼筋，沿梁底布置。加載裝置和梁的截面尺寸見圖2，試驗梁的實際安裝見圖3(a)矩形梁和(b)T形梁。考慮鋼纖維的增韌作用，單排縱筋梁不配置箍筋，多排縱筋梁每500mm配置直徑6mm的HPB235箍筋固定縱筋，保護層厚10mm。位移計布置在跨中、加載點和兩個支座處，並在跨中增加壹個線性微分位移計(LVDT)，以精確測量試驗梁的垂直位移。在梁跨中部，沿截面高度方向在UHPC表面和鋼筋表面粘貼應變片。在各種荷載下，用裂縫寬度觀測器測量梁的裂縫寬度。試驗梁的配筋率ρ、有效截面高度h0和換算截面抵抗矩W0見表3。
2測試結果
梁的荷載-撓度曲線如圖4所示，梁的純彎曲截面的裂縫照片如圖5所示。根據荷載-撓度曲線，高強鋼筋UHPC梁與混凝土梁的撓度曲線沒有本質區別，大致由開裂前、出現裂縫後、鋼筋屈服後三個階段組成。第壹階段:加載初期，彎矩較小，梁尚未開裂，呈現彈性變形的特點，撓度隨載荷線性增加，梁的剛度不變。第二階段:達到開裂彎矩後，梁剛度降低，撓度增加較快，曲線出現拐點。裂縫首先出現在靠近純彎段和加載點的梁底，裂縫的數量、寬度和高度隨著荷載的增加而增加。隨著持續加載，撓度進壹步增大，純彎曲段裂縫越來越密集，剪切彎曲段逐漸出現裂縫。
3開裂彎矩的計算與分析
《水工混凝土及鋼筋混凝土結構設計規範》[7-9]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的應力模式為三角形，引入截面抗塑性影響系數γ(彈塑性抵抗矩與彈性抵抗矩之比)對開裂彎矩進行修正計算。(1)在公式(1)中，γ可以利用混凝土材料受拉區的塑性應力模式進行換算，也可以利用數理統計確定[10]，前者更為嚴謹；後者更簡單，能滿足應用需求。因此，本文選擇了第二種方法，即根據開裂彎矩和抗拉強度的實測結果計算並擬合計算公式。本試驗采用的矩形梁截面尺寸和UHPC抗拉強度的試驗方法與參考文獻[6]相同，故本文由參考值和試驗數據推導出γ值並進行分析。
參考文獻[6]采用HRB400級鋼筋，UHPC抗拉強度平均值為10.2MPa，回歸分析表明鋼筋等級對UHPC梁γ值無明顯影響。對於混凝土梁，計算中壹般考慮截面高度對γ的影響，所以本文中截面尺寸對γ的影響也近似認為是由截面高度引起的。發現UHPC梁的截面高度h在小於400 mm時對γ有明顯的影響，由開裂彎矩和抗拉強度的實測結果計算出的γ及相應的擬合曲線如圖6所示。由於增強提高了材料的極限變形，加強了UHPC梁在受拉區的塑化能力[11]，γ值隨著增強量的增加而增加，當配筋率達到0.025時趨於穩定。為了便於計算和應用，文獻[6，12]中的γ曲線均采用兩條折線。通過對試驗數據的擬合和分析發現，考慮截面高度和配筋率的影響後，γ曲線可按式(2)和式(3)計算。
4短期剛度和撓度計算分析
4.1直接計算法
4.1.1剛度計算公式根據材料力學和鋼筋混凝土梁剛度計算的基本原理，短期荷載作用下高強鋼筋UHPC受彎梁的截面抗彎剛度Bsf可計算如下:(4)式中，es為梁的受拉鋼筋的彈性模量；梁的受拉鋼筋面積也是如此；H0是截面的有效高度；ψ為鋼筋應變的不均勻系數；η為裂縫截面處的內力臂系數；ζ為UHPC受壓邊緣平均應變的綜合系數；αE為梁中受拉鋼筋的彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρ為梁受拉鋼筋的配筋率。4.1.2參數的確定ψ，η，ζ (1)受拉鋼筋不均勻應變系數ψ由於鋼纖維的加入可以使構件的裂縫變得更加細小和均勻，所以受拉鋼筋不均勻應變系數ψ仍按照GB50010-2010。σs為試驗荷載下縱向受拉鋼筋的等效應力。
(2)開裂截面內力臂系數η的試驗結果表明，與鋼筋混凝土梁相似，在使用荷載下，高強鋼筋UHPC梁處於第二工作階段，截面相對受壓高度ξ變化不大，內力臂增加不大。本次試驗中，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的變化範圍很小，可取與GB50010-2010相同的簡化計算值0.87。(3)壓縮UHPC邊緣平均綜合應變系數ζ ζ = V ξ η η反映了四個參數對壓縮UHPC邊緣平均應變cε的綜合影響。(6)在正常使用階段的彎矩範圍內(0.5 ~ 0.8μ)，UHPC的壓縮應力-應變曲線呈線性上升段。在這個階段，彈性系數V(約1)和應力模式系數ω(約0.75)基本不變。當ξ隨m增大而減小時，ξ增大，在此工作階段ξ和ξ變化不大。
4.2簡化計算方法
加入鋼纖維可以使鋼筋混凝土梁的剛度提高10% ~ 40% [13]，可以推斷加入鋼纖維也是加強UHPC梁剛度的主要因素之壹。
4.3撓度計算結果對比分析
實測跨中撓度與Bs、Bsf、Bsf1和Bsf2分別計算的撓度比較見UHPC梁短期剛度和撓度。相對而言，直接計算法中的所有剛度參數都是根據試驗分析得到的，而修正算法中的公式(10)形式相對簡單，因此推薦采用上述兩種方法計算短期剛度。
5裂縫寬度的計算與分析
對於高強鋼筋UHPC梁，決定裂縫寬度的本質特征仍然是主裂縫之間混凝土與鋼筋的應變差，但UHPC構件的裂縫寬度是在UHPC基體裂縫的基礎上，由於鋼纖維的抗裂增韌作用而減小的， 所以UHPC構件的裂縫寬度是根據鋼筋混凝土構件的經驗公式計算的:本次試驗沒有考慮長期效應，所以τ0(長期效應系數)取1，其他參數按GB 5010計算。 結果表明，由於鋼纖維的貢獻，計算得到的最大裂縫值乘以0.7的修正系數與實測的梁底跨純彎段最大裂縫寬度吻合較好。實測值與計算值之比的平均值為1.0，變異系數為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梁中鋼纖維的抗拉抗裂作用提高了梁的整體剛度。2)通過擬合分析，得到了加固UHPC梁的截面抗力系數，由該系數計算的開裂彎矩與試驗值吻合較好。3)分析確定了高強鋼筋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，得到了高強鋼筋UHPC梁的短期剛度計算公式。4)鋼纖維混凝土結構短期剛度的計算方法適用於高強鋼筋UHPC梁。
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