关于新型超高性能混凝土（UHPC）柱抗震性能的实验与数值研究

《Engineering Structures》：Experimental and numerical research on the seismic performance of novel UHPC columns

超高性能混凝土在结构柱中的应用研究提出UHPC-RC柱和UHPC-壳柱两种新型结构，通过实验和有限元模型验证其抗震性能提升（峰值承载力提高22%，延性系数提高23%）及低碳效益，优化UHPC应用长度为1-1.4倍截面高度。

　　

叶贺|聂欣|范建生|李月仪|丁然

清华大学土木工程系，北京100084，中国

摘要

在实现建筑材料碳排放最小化的同时平衡结构性能，是推动建筑行业向高质量发展迈进的关键。超高性能混凝土（UHPC）在实现这一双重目标方面可以发挥重要作用。本研究探讨并验证了在柱子中应用UHPC的设计和施工方法，以实现高材料效率和低碳排放。提出了两种新型结构形式：UHPC-RC柱和UHPC壳柱，并相应地制定了施工方法。通过进行四次循环试验，研究了不同结构形式和制造技术的抗震性能。值得注意的是，与RC柱相比，现浇UHPC-RC柱的延性系数高出23%，预制UHPC-RC柱的峰值承载能力高出22%。UHPC壳柱在减少混凝土和钢筋使用量的同时保持了相当的屈服荷载和峰值荷载。UHPC在柱端的应用通过改变塑性铰链的位置来增强柱子的抗震性能。建立了一个经过验证的有限元模型来模拟UHPC-RC柱的抗震性能。参数研究确定了UHPC-RC柱的合理应用长度，根据不同的轴压比和UHPC材料性能，该长度范围为截面高度的1到1.4倍。基于从摇篮到大门（cradle-to-gate）的全生命周期评估（LCA）方法，研究表明UHPC-RC柱通过减少混凝土或钢筋的消耗具有降低碳排放的潜力。

章节摘录

术语表

混凝土压缩区高度UHPC压缩区高度UHPC拉伸区高度钢筋的抗拉强度设计值设计值

参数	定义	单位
N	轴荷载	N
α1	混凝土计算参数1	/
β1	混凝土计算参数2	/
fc	混凝土的抗压强度设计值	MPa
fUc	UHPC的抗压强度设计值	MPa
fUt	UHPC的抗拉强度设计值	MPa
b	截面宽度	mm
h	截面高度	mm
xc	mm
xUc	mm
xUt	mm
fy	MPa
fy'

试件设计

本实验设计并测试了四种试件，包括一根RC柱、一根现浇UHPC-RC柱、一根采用非接触搭接接头的预制UHPC-RC柱以及一根UHPC壳柱。作为原型的RC柱（S1）是根据中国规范[18]的要求设计的。柱截面的宽度和长度（D和L）均为500毫米（图2）。从柱底到加载点的柱高度（H）为2200毫米。

总体行为

为了便于观察和描述，在试件正面绘制了一个100毫米×100毫米的网格。详细记录了每个加载水平下的试件开裂和损伤情况。图12显示了四种试件的最终破坏模式。S1、S2和S3发生弯曲破坏，而S4则发生了弯曲-剪切破坏。

对于对照试件S1，当水平荷载达到250千牛时，...

理论计算

在柱端应用UHPC旨在提高柱子的抗震性能和侧向承载能力，从而减小构件尺寸和钢筋需求。有两种理论方法可以实现这一目标：首先，对于在柱底UHPC区域发生破坏的柱子，UHPC的抗拉强度提高了截面的承载能力，从而增强了柱子的侧向承载能力。其次，对于在NC区域发生破坏的柱子...

合理的UHPC应用长度

合理的UHPC应用长度是指UHPC最显著提高柱子承载能力的最小长度，如4.1节所讨论的。确定不同情况下的合理UHPC应用长度对于在最小化施工成本的同时提高结构性能至关重要。基于之前的分析，可以理论计算出各种轴压比、UHPC抗压强度和抗拉强度下的合理UHPC应用长度。

结论

本研究通过实验和理论研究探讨了UHPC在结构柱中的合理和高效应用。主要结论如下：

(1)

在柱端应用UHPC是一种高效的方法，可以在减少UHPC使用量的同时提高抗震性能。对四种试件的循环加载试验表明，预制UHPC-RC柱的峰值承载能力比RC柱高22%，而现浇UHPC-RC柱的延性系数高23%

CRediT作者贡献声明

叶贺：撰写——初稿，方法论，数据整理。聂欣：调查，资金获取。范建生：监督，资金获取。李月仪：撰写——审阅与编辑。丁然：撰写——审阅与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号52325802、52450008、52293433）提供的支持。