UHPC（超高性能混凝土）原位模板-钢筋混凝土双向板的弯曲性能及承载能力

《Journal of Building Engineering》：Flexural Behavior and Load-Bearing Capacity of UHPC Stay-in-Place Formwork-RC Two-Way Slabs

基于UHPC留置模板的双向复合板系统通过实验和数值模拟研究模板厚度、配筋率及界面处理对性能的影响，发现肋形界面处理可提升峰值荷载12%-20%、降低峰值变形24%-26%，并建立误差最大15%的承载力预测方法。

　　

彭王|杨龙斌|史青轩|王秋伟|荣崇

西安建筑科技大学土木工程学院，中国陕西省西安市710055

摘要

本研究提出了一种新型的双向板系统，该系统将原位超高性能混凝土（UHPC）模板与现浇钢筋混凝土（RC）层结合在一起，通过材料和结构优化来提高机械性能和施工效率。进行了弯曲试验，系统研究了UHPC模板厚度、配筋比和界面处理对板的破坏模式、承载能力和变形行为的影响。开发并验证了一个补充的数值模型，以扩展参数分析。实验结果表明，带肋的界面处理显著增强了复合效应，并有效抑制了界面滑移。与具有气泡膜压花和粗糙界面的试样相比，带肋的试样的峰值荷载分别提高了12%和20%，峰值挠度分别降低了26%和24%。配筋比从0.28%增加到0.61%时，屈服强度和峰值荷载均增加了27%，但峰值挠度也增加了60%。然而，这种增加降低了延性，因为在配筋比为0.61时，延性系数仅为5.56。将UHPC模板厚度从10毫米增加到15毫米时，屈服强度和峰值荷载分别提高了10%和8%，峰值挠度降低了26%。数值模拟进一步表明，将普通混凝土（NC）强度从30 MPa增加到50 MPa时，承载能力提高了16%。基于塑性铰链线理论和虚功原理，提出了一种预测不同破坏模式下极限承载能力的方法。预测值与实验结果的最大偏差为15%，平均计算值与实验值的比值为0.95，证实了所提方法的准确性。

引言

作为建筑结构中最常见的弯曲构件之一，混凝土板具有较大的自重和易开裂的特性[1]、[2]、[3]。此外，由于长期暴露在恶劣环境中，嵌入钢筋的腐蚀会导致耐久性下降，这仍然是限制结构性能和服务寿命的关键因素[4]。复合混凝土板结合了预制层和现浇层，为这些挑战提供了有效的结构解决方案。在这种系统中，预制层作为原位模板使用，消除了传统的模板安装和拆除过程，从而提高了施工便利性和效率。根据相关研究[5]、[6]、[7]、[8]，原位模板可以将现场湿作业量减少35%–45%，单位面积的劳动力投入降低约30%–35%。这一概念符合建筑工业化和绿色低碳发展的方向，旨在实现施工效率、材料利用和结构性能的协同优化[9]、[10]。

为了确保预制模板和现浇混凝土形成一个协调的复合承载系统，现有研究主要集中在两个方面：模板材料性能的优化和界面细节措施的改进。在材料层面，学者们探索了使用各种水泥基复合材料作为原位模板的可行性。例如，张等人[11]使用石灰石粉尾矿混合砂制作了模板，证明这种材料可以有效提高复合板的刚度和承载能力。徐等人[12]在钢筋混凝土板的拉伸侧浇筑超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）层，显著提高了构件的整体延性。此外，还应用了蒸压加气混凝土[13]、[14]、纤维增强水泥[15]和钢纤维增强再生混凝土[16]等材料来制作原位模板，这些材料都在不同程度上提高了抗裂性和承载性能。值得注意的是，在更广泛的原位模板背景下，也探索了非水泥基和新型工艺的替代方案，因为它们具有轻质、可施工性和几何灵活性。例如：聚氯乙烯（PVC）模板[17]、[18]重量轻且易于加工，但其弹性模量约为普通混凝土（NC）的1/50，并且长期耐久性和兼容性较差。纤维增强聚合物（FRP）模板[19]、[20]、[21]具有高强度和耐腐蚀性，但面临防火性能不足、需要特殊界面处理和总体成本较高的问题。3D打印混凝土模板[22]、[23]、[24]可以制作复杂的几何形状，但机械性能变化较大且设备成本较高。相比之下，超高性能混凝土（UHPC）与普通混凝土（NC）具有天然的物理化学亲和性[25]、[26]（例如，兼容的水化作用，热膨胀系数差异≤10%）。作为原位模板，UHPC与现浇NC无缝结合，形成一个统一的复合截面，充分实现了其结构潜力[27]、[28]。尽管UHPC的单价较高，但其出色的优点，包括提高的结构效率、延长的服务寿命和降低的维护成本，使其在生命周期成本效益方面更具竞争力[29]。基于高性能材料的使用，复合系统的整体机械行为还受到预制层和现浇层之间界面协同作用的影响。因此，界面细节措施成为该领域的另一个关键研究焦点。黄等人[30]证明，在板上添加肋条可以使复合板的弯曲能力接近整体板。孙等人[31]通过数值模拟发现，双向肋条优化了荷载传递路径并显著抑制了界面滑移。刘等人[32]和侯等人[33]的研究也证实了这种技术的有效性。然而，尽管这些研究证实了原位模板上的肋条可以提高复合板的整体性能，但它们尚未对不同的复合界面处理方式对板机械性能的影响进行比较研究。从根本上说，带肋处理、气泡膜压花和简单粗糙化对应于三种不同的荷载传递机制：机械互锁、表面键合和界面摩擦。机械互锁通过肋条提供的剪切阻力实现力传递；表面键合依赖于几何互锁表面纹理的压缩和摩擦相互作用；而界面摩擦主要由混凝土凝固和硬化后的化学粘结力提供。系统比较这三种机制的有效性，为优化复合界面的设计提供了理论基础。

总之，使用高性能水泥基材料制作原位模板，并结合合理的界面细节处理，是开发高性能复合板系统的有效策略。然而，现有研究主要集中在传统的混凝土或特定复合材料模板上，而关于UHPC在双向复合板系统中的应用的研究仍然非常有限。具体来说，仍需要系统和深入的研究，包括：（1）不同处理方法下UHPC–NC界面的复合效应机制；（2）界面特性对双向板破坏模式和极限承载能力的影响；（3）如何设计UHPC模板以更早地参与荷载传递，有效抑制开裂，提高屈服荷载，从而充分利用其材料潜力。这些问题需要全面和深入的研究。

因此，本研究使用UHPC制作双向复合板的原位模板。通过系统的弯曲试验，研究了关键参数（包括模板厚度、配筋比和界面处理方法）对试样的破坏模式、承载能力、峰值挠度和延性的影响。开发了一个详细的有限元模型，并根据实验数据进行了验证，以进一步研究混凝土强度和模板厚度等参数对极限承载能力的影响。最后，提出了一种预测UHPC原位模板双向复合板极限承载能力的计算方法。

节选

试样设计

在本研究中，UHPC原位模板厚度、配筋比和界面处理被选为主要变量。共设计并制作了六个UHPC原位双向复合板，详细参数列在表1中。所有试样的截面尺寸为1800毫米×1500毫米，总厚度为80毫米。UHPC模板厚度分别为10毫米和15毫米。设计了三种类型的界面处理：带肋表面，

破坏现象

所有UHPC原位模板双向复合板在垂直均匀分布荷载作用下均发生弯曲破坏；然而，带肋试样和非带肋试样的破坏模式有所不同。如图9(a–d)所示，带肋试样（URF10-A-0.28、URF10-A-0.39、URF10-A-0.61和URF15-A-0.39）的破坏过程可以分为五个阶段：（1）初始开裂阶段（73–87 kN）：板底部中跨处出现初始裂缝，裂缝方向平行于短边或

材料的本构模型

• (1)
  混凝土的本构模型

混凝土的本构行为使用ABAQUS中的混凝土损伤塑性（CDP）模型进行建模。对于普通混凝土（NC），采用了规范[44]中规定的单轴拉伸和压缩应力-应变曲线。对于UHPC，单轴压缩应力-应变关系根据郭等人[45]提出的模型定义，如下所示：$$

UHPC原位模板双向复合板的极限承载能力计算

基于实验和有限元分析，UHPC原位模板双向复合板的破坏现象随复合界面的处理方式不同而变化，导致不同的底部破坏模式。因此，分别计算不同破坏模式的极限承载能力。在本研究中，采用屈服线理论和虚功原理来计算板的极限承载能力。由于测试的双向板

结论

本研究通过实验研究和数值模拟研究了UHPC原位模板双向复合板，并提出了其极限承载能力的计算方法。主要结论如下：

(1)

带肋的界面处理显著增强了界面抗剪能力，并有效抑制了相对滑移。失效试样表现出十字形裂缝模式。与具有气泡膜压花和粗糙表面的试样相比，

CRediT作者贡献声明

杨龙斌：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据整理。彭王：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。王秋伟：撰写——审稿与编辑、验证。史青轩：撰写——审稿与编辑、项目管理。荣崇：撰写——审稿与编辑、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[编号52178159和52578245]和陕西省自然科学基础研究计划[2025JC-YBMS-464]的支持。