《Journal of Building Engineering》：Sustainable UHPC Wet Joints for Precast Slab: Material Efficiency, Structural Performance, and Lifecycle Benefits
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本研究提出150mm超高性能混凝土湿接缝系统，通过漏斗形/楔形几何优化和交错U形钢筋拼接，较传统300mm设计减少32%材料及碳排放，保持350kN等强度。实验显示最大裂缝宽0.48mm（较传统降36%），数值模拟验证精度<8%，优化配筋率达0.93%。项目应用于青岛黄海服务综合体，实现42%安装提速和20年寿命延拓，建立符合ACI/Eurocode标准的可持续预制建筑接缝新范式。
作者：Yasir Ibrahim Shah、Haijun Zhou、Dua Shah
研究机构：深圳大学海岸城市韧性基础设施重点实验室（隶属于中国教育部）
摘要
建筑业迫切需要可持续的解决方案，以在保持结构性能的同时减少材料消耗。本研究介绍了一种用于预制建筑楼板的150毫米超高性能混凝土（UHPC）湿接缝系统，与传统300毫米设计相比，该系统实现了32%的材料消耗和二氧化碳排放量的减少。通过采用新型漏斗形和楔形几何结构以及错位的U形钢筋拼接方式，该系统保持了完整的结构完整性。全尺寸试件的实验评估表明，其极限承载能力（350 kN）与整体结构相当，并具有出色的裂缝控制性能，最大裂缝宽度仅为0.48毫米——比传统接缝减少了36%，且在恶劣环境下的使用性能也优于传统接缝。先进的数值模拟（XFEM-CDP-CZM混合方法）验证结果显示，该系统的加固比为0.93%，这是平衡材料使用和裂缝控制的最佳值。实际应用证明，该系统的安装速度提高了42%，预计使用寿命可延长20年。本研究提供了一个符合相关规范（ACI 318、Eurocode 2、GB 50010）的综合性设计框架，为可持续预制建筑领域树立了新的标杆。
引言
全球建筑业迫切需要可持续且高效的建造方法，以应对环境影响、资源效率问题以及快速城市化带来的挑战[1]、[2]、[3]。预制混凝土系统在这一转型中发挥了关键作用，在施工速度、质量控制和工人安全方面具有显著优势[4]、[5]、[6]。然而，预制构件之间的连接方式仍然是一个关键问题，因为这些界面区域直接影响预制结构的整体结构完整性、耐久性和使用寿命[7]、[8]、[9]。
在此背景下，湿接缝作为将预制构件整合到整体结构系统中的关键元素至关重要。从现场浇筑转向预制施工的方法加剧了材料兼容性和机械性能方面的挑战。超高性能混凝土（UHPC）彻底改变了连接技术，其优异的性能（抗压强度>150 MPa、抗拉强度>8 MPa、出色的抗断裂能力和优异的界面粘结性）远超传统混凝土[10]、[11]、[12]。
接缝几何形状的优化对于平衡结构性能和施工可行性至关重要。先前的研究表明，菱形接缝配置可提高抗裂性能24%（从96.1 kN提升至119.6 kN）[13]，而优化的几何形状有助于均匀应力分布，减少了界面应力集中，从而降低了18-22%的应力[14]、[15]。尽管取得了这些进展，但仍存在一些局限性，包括初始成本较高（高出15-20%）、物流挑战以及长期连接耐久性的不确定性[18]。
虽然湿接缝的分类强调了设计与性能之间的权衡[19]，且传统接缝宽度通常在225-300毫米之间[24]，但更窄的接缝（约120毫米）也能满足结构要求[27]。本研究采用了一种结合实验和数值模拟的方法，通过全尺寸四点弯曲试验与扩展有限元法（XFEM）模拟相结合，全面评估了接缝行为并捕捉了复杂的裂缝现象[28]、[29]、[30]、[31]。
本研究通过引入并验证了一种用于预制建筑楼板的协同系统解决方案来填补这些空白。其主要创新点在于：共同优化了150毫米的接缝宽度、新型漏斗形/楔形几何结构以及错位的U形钢筋拼接方式，从而克服了窄接缝的固有限制。错位的钢筋拼接方式防止了连接部位的拥堵；非垂直的几何形状增强了机械互锁性和裂缝导向能力；UHPC基体确保了足够的粘结强度。这种专为建筑楼板空间条件量身定制的组合方式，在保持整体结构性能的同时，使接缝体积减少了50%，超越了仅关注宽接缝或孤立构件的研究。实验测试量化了荷载-变形响应和裂缝分布情况，而XFEM建模则模拟了裂缝发展过程并参数化了设计参数。主要研究结果建立了设计参数与结构性能之间的定量关系，为建筑应用中窄UHPC接缝的优化提供了基于证据的框架。全尺寸验证表明，该系统可减少36%的裂缝宽度，安装速度提高42%，使用寿命延长20年，为可持续预制建筑领域树立了新的标杆。
试件设计与制作
本研究首次对150毫米宽的UHPC湿接缝进行了实验验证，采用了错位的U形钢筋拼接方式，旨在提高预制建筑楼板的材料效率和裂缝控制性能。研究评估了三种全尺寸建筑楼板系统：一种整体浇筑的对照板以及两种采用优化接缝几何结构（漏斗形和楔形）的预制系统。所有试件的尺寸均为3050毫米×1190毫米×200毫米，代表了典型的模块化楼板尺寸。
实验结果分析
通过对整体浇筑和预制建筑楼板的荷载-跨中变形分析、钢筋和混凝土的荷载-应变曲线以及裂缝扩展情况的评估，研究了其结构性能，发现了三个不同的行为阶段：弹性阶段、裂缝扩展阶段和屈服阶段。
有限元建模方法
本研究提出了一种先进的有限元建模框架，用于研究带有U形钢筋错位搭接接缝的预制建筑楼板的裂缝扩展行为。虽然之前的研究分别针对这些部件进行了分析，但本研究提供了一种基于XFEM的综合性方法，整合了多个关键接缝行为方面。具体而言，本研究开发了一种专用于分析这些问题的先进XFEM框架。
裂缝扩展过程
图A7展示了整体楼板在开裂过程中的应力分布情况。在裂缝起始阶段（图A7(a)），由于局部应力重分布，跨中位置的拉应力集中区应力低于相邻区域的15-20%。中性轴最初位于中间位置，这与弹性理论一致[34]。随着荷载的增加（图A7(b)），压缩区的扩展导致中性轴向上移动。
加固比
在XFEM-CDP-CZM模型通过实验结果得到成功验证后，该计算模型被用于进行广泛的参数分析。这种数值分析方法能够全面探讨关键设计参数，克服了每次仅测试一个试件的物理试验的局限性。
项目概述与实施策略
150毫米UHPC湿接缝系统及错位U形钢筋拼接方式首次在大规模项目中得到应用，即青岛-黄海服务综合体（2023-2024年）。该项目采用了1.2公里的预制楼板系统，其中包含218个采用HRB400钢筋（直径16毫米）和100毫米错位拼接方式的漏斗形接缝，严格遵循了本研究制定的优化设计框架。
结论
研究表明，预制建筑中材料效率与结构性能之间的矛盾是可以解决的。通过开发150毫米UHPC湿接缝系统，我们建立了一种新的范式，在这种范式中，可持续性和结构完整性实现了协同效应。该范式的核心发现包括：
- UHPC、错位U形钢筋拼接方式和非垂直几何结构的协同组合使接缝宽度减少了50%。
作者贡献声明
Haijun Zhou：验证、监督、研究、资金申请。
Yasir Ibrahim Shah：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。
软件开发、研究、数据分析、数据整理。
未引用的参考文献
[16], [17], [20], [21], [22], [23], [25], [26]
数据可用性声明
本研究的数据可向通讯作者索取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52378169和U25A20344）以及深圳市科技计划（项目编号20220811152251005）的财政支持。
