UHPC结构设计的前沿探索：从材料到应用的突破

演讲者：联邦公路管理局的 Benjamin Graybeal

描述：超高性能混凝土 (UHPC) 是一种新型混凝土，其机械性能与传统混凝土截然不同，它正在推动开发新型结构配置，这些结构配置依赖于这种材料的持续抗拉能力和高抗压能力。然而，缺乏正式的结构设计指导阻碍了 UHPC 在美国的应用。美国运输部的 Turner-Fairbank 公路研究中心多年来一直致力于起草 UHPC 桥梁结构设计所需的指导。该指导草案与 AASHTO LRFD 桥梁设计规范相似，同时提出了与 UHPC 类材料预期行为保守一致的机械模型和结构行为模型。该指导基于材料力学的基本原理，尽可能避免经验主义，并依靠从材料尺度标准化测试中获得的工程参数来预测结构尺度响应。演讲将概述该指导，重点介绍理解和使用指导的核心概念。

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我要讲的是超高性能混凝土（UHPC）结构的设计。结构设计指导当然是其中重要的一部分，但我们真正瞄准的是UHPC结构的设计。我们如何才能达到设计UHPC结构的地步？正如史蒂夫提到的，我在这个领域有很长的历史，我还是ACI 239超高性能混凝土委员会的主席。所以我很高兴今天能在这里和大家讨论这个话题。我在美国联邦政府工作，所以我要先声明一下，我不是在为任何东西背书。UHBC是一类材料，我在这里讨论的是这类材料。

我们需要一个前进的路径，一个通向UHPC结构设计的路径。大约五六年前，这个领域开始引起越来越多的关注。如何开始使用UHPC来解决我们在结构方面的一些挑战？如何利用这种新的结构材料来建造结构？凭借我在这方面的经验，我开始思考我们如何到达那一步，我们需要什么，这条路看起来是什么样的。我认识到有两件事是绝对必要的：一是人们可以使用的正式设计指导，因为在设计结构时，你不能随随便便，这是一个相当正式的过程，完成这个过程的人需要有指导；二是我们需要一个测试方法。

UHPC的一个独特之处在于它在拉伸时的表现，你可以在结构设计中从中获得一些显著的优势。但这些特性是什么？如果有人告诉你他们有UHPC，而你没有一个标准化的测试方法来定义这些特性，你会怎么处理？你会去哪里？如果你试图进行结构设计，你如何让供应商为你建造一个符合你设计的结构？所以我知道我们需要这两样东西，路径变得越来越清晰了。我们不仅需要这些东西，我这里有这两样东西的副本，这些是过去几年开发出来的真实的东西。这不仅仅是一个新兴领域，它正在真正实现，很快我们就会看到更多使用UHPC的结构设计。

我们今天在这里讨论UHPC。这是一根预应力梁，看起来有点像普通的预应力梁，但也有些不同，至少与常规混凝土解决方案相比是不同的。那么我们的目标是什么？我们在争取什么？我们试图达到UHPC结构设计成为常态的地步，在适当的时候，当解决方案适合需求时，UHPC可能是一个很好的选择。所以目标是达到那一步。

这可能是什么样子？我们可能会讨论很多不同的东西，但因为我在高速公路部门工作，我会谈一谈预应力梁。使用UHPC，你可以做一些与常规混凝土不同的事情。从工程角度看，使用UHPC你可能会获得更长的跨度，这可能会给你带来一些优势。你的截面可能会更纤细，因此减少了自重，你可能会拥有一个更耐久的结构，这可能是你真正想要的。所以总体上来说有一些工程优势，或许还能加速你的施工，可能你可以直接跨越水道，不需要在水里设桥墩，减少当地环境足迹，减少维护工作。你知道，有很多优势。所以在你的具体项目中，你可能会说，这对我来说是值得的，UHPC我们都知道它们贵一些，但那是材料成本，当你真正看整个结构解决方案或整个施工成本时，你能得到一些好处。

所以只是为了让你了解人们在考虑的这类事情，为什么我们可能想朝使用UHPC的方向前进。我们大致知道目标是什么，但我先稍微跑题一下，谈谈我们如何实现这个目标。专长当然是其中的重要部分，美国和全球的UHPC社区一直是一个紧密的团体。有了解UHPC的专家，他们开始发挥作用，社区正在壮大，这很好。越来越多的人加入讨论，这很棒。但不仅仅是专长，我们需要的不仅仅是专长，我们还需要合作，基于前人的工作，我们需要有一些视角。这不是第一种结构材料，人们已经思考了很多东西，比如可靠性，比如结构需要什么样的延展性，我们需要在前人工作的基础上再接再厉，共同努力寻找合适的解决方案，安全的解决方案，让UHPC开始在这些结构中使用。所以不仅仅是专长，实际上是我们所有人一起努力，让整个行业进步。

UHPC的结构设计指导，这个概念是UHPC是一种结构材料，提供某些优势，我们可以在设计和施工中利用这些优势。现在我们如何真正拥有结构设计指导？我们需要了解UHPC在材料层面的表现。所以这种结构材料的基本工程特性是什么？这只是开始，我们需要将这些特性带入结构元素，我们需要说，这些材料行为在结构层面上是如何转化的？我们需要理解这两者。如果你真正考虑结构设计，我们在结构设计中做的是建立模型，我们有材料行为的模型，我们在材料层面上做这个，再上升到结构层面，把所有这些结合起来，创建一个设计安全结构的过程。所以我们需要为UHPC做所有这些，就像我们已经为结构钢、钢筋混凝土做过的一样。这是一种新的混凝土，它的表现不同。

所以我们如何做到这一点？有几个大问题，但实际上是同一个问题，用两种不同方式表达。我们可以简单地假设UHPC是带有好处的常规混凝土吗？就这么简单吗？我们能说它只是常规混凝土，稍微调整一下，有一些额外的好处，我们就直接往前冲吗？或者更复杂一点，我们能否假设我们对常规混凝土的假设也适用于UHPC，只需在边缘稍微调整一下？这似乎是一条很简单的路，我们已经有了常规混凝土的指导，也许我们可以直接用它来处理UHPC。

你可能会猜到，我提出这个问题是因为我有答案，我认为答案没那么简单。所以我们来谈谈假设。常规混凝土工程中的一些假设包括：工程力学是基础，没问题；我们通常可以忽略开裂后的行为，当我们处理钢筋常规混凝土时；徐变，我们大致知道它的表现，但这是通过大量经验数据得出的；在弯曲时，你通常最关心两个极限状态，即压缩破坏和拉伸钢筋的屈服及断裂；在剪切中，极限状态依赖于钢筋的屈服和骨料的嵌锁。

那么在处理UHPC时是什么样子？工程力学仍然是基础，这是肯定的。但UHPC在拉伸时的表现不同。在拉伸中，我们有开裂后的拉伸阻力，这是一个主要优势，但它也改变了构件的响应。所以这里有很大的不同，我们不能直接采用常规混凝土的概念来处理拉伸行为。徐变仍然是经验性的，我们仍然需要数据，对于UHPC，我们还没有像常规混凝土那么多数据，这是显而易见的，它是一类新材料，随着时间推移我们会得到更多数据，但我们目前预测精确徐变行为的能力还比较有限，不过我们会到达那一步。在弯曲中，我列出了三种不同的极限状态，而不仅仅是两种，这很重要，我们不能忘记第三种，UHPC在开裂后有拉伸阻力，但它也有拉伸极限，当达到这个极限时，纤维开始从基体中拔出，你会得到所谓的局部化。

UHPC的拉伸局部化发生在3000到4000微应变左右。如果你回想一下普通的低碳钢筋，低碳钢筋的屈服应变是多少？取决于你的钢筋等级，但可能是2000到3000微应变，差不多在同一个点上，当你的钢筋开始屈服时，如果你在处理一个钢筋混凝土结构，没有预应力之类的东西，你可能会看到UHPC达到这个极限状态。所以这是你在设计中需要考虑的事情。在UHPC中的剪切极限状态也有点不同，因为我们有这个应变极限，剪切行为有点不同，我们不仅仅主要依赖梁中箍筋的屈服，你甚至可能在UHPC达到其应变极限之前，箍筋都没有达到屈服。所以行为上有一些差异，我希望我已经开始说明，你不能完全照搬常规混凝土的理念，UHPC有点不同。

我提到过有两件事，一个是设计指导，一个是测试方法。现在我们来谈谈这个测试方法。我展示的是一个UHPC棒在拉伸中被拉伸。如果你想知道结构材料的拉伸特性，一个很好的方法就是拉伸结构材料，这能让你以非常直接的方式得到应力和应变。作为一名进行结构设计的工程师，你想要材料的应力-应变响应，你需要知道这些。左侧是测试机器在拉伸UHPC棒，右侧是失效后的试件，你可以看到很多细小的裂缝，然后是局部化裂缝，那是它达到应变极限并开始分开的时候。

UHPC的拉伸响应，这只是我们运行的一个特定测试的例子，你可以看到它有这种弹性行为，你会得到开裂，纤维桥接裂缝，你会得到越来越多的裂缝，直到最终达到局部化点，那时一个裂缝开始占主导地位，纤维开始拔出，它不再是应变行为，而更像是裂缝张开。从结构设计的角度来看，我的看法是，一旦你进入裂缝张开行为，那不是你想去的地方，我们想处理之前的事情，当它在应变时，当它像结构材料一样有应力-应变响应时。

这个测试方法已经存在，它已经由AASHTO完全通过投票，我的团队大约十年前开始开发这个，但大约一年半前我们开始直接与AASHTO的材料委员会合作，与他们的硬混凝土委员会合作，他们去年秋天投票通过了这个，全体委员会在十一月投票通过了。所以它已经完成了，但你还不能完全拿到，除非你联系我，我可以给你一份他们验证的草案副本，AASHTO将在今年夏天发布他们去年秋天验证的所有东西，大约七月左右，这将对所有人开放使用。我很乐意和想开始使用它的人讨论。

回到指导，我们提到过指导也已经起草了，我这里有一份副本。我的团队一直在与AASHTO桥梁委员会、结构混凝土设计委员会T10合作，他们对这个话题有浓厚的兴趣，他们希望开始促进在美国桥梁结构设计中使用UHPC。所以我们团队主动提出，我们说好，我们会帮你实现这个目标，我们一起努力完成吧。去年六月，我们向他们交付了他们可以选择采用的草案指导。从那以后，我们一直在与他们合作，调整小部分，帮助他们理解我们的方向，这是一种协作环境中的来回过程。

关于我们开发的这份指导的一些细节，它是一份独立的文档，大约70页长，但它与AASHTO LRFD桥梁设计规范的第5节并行，第5节是告诉你如何设计钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构的部分。我们基本上说，人们已经熟悉那个，我们就做一些与之平行的东西，对于两种材料确实没有区别的地方，我们说直接用第5节已有的内容，但对于有差异的地方，确实有很多不同的地方，我们在这70页的文档中做了，用双栏格式，左侧是指导，右侧是评论，基本上告诉你如何用UHPC设计。

什么是UHPC？这是重要的一部分，我们得划定范围，我们在处理什么？所以在第1.1节中我们定义了什么是包括和不包括的，列出了那些要点：18ksi的抗压强度，至少750psi的持续拉伸阻力，至少0.0025的局部化应变。还有一些限制，我们为比较简单的设计内容设计了这个，所以我们还没有处理比如后张体系和抗震体系。不是说指导不适用，只是说它不是针对抗震区域或后张体系的使用设计的。

最后快速结束，给你一个简要的了解指导中包含的一些概念。正如我一开始提到的，它建立在模型的基础上，这是我们开发结构设计指导的方式，我们有材料行为的模型，我们将这些模型带入结构尺度。所以在拉伸方面，我们运行标准的AASHTO测试T397，你得到测试结果，你将其转化为模型，右下角的那个是最常使用的，是一个弹塑性模型。所以你从测试中得到工程参数，你建立模型，你将这个模型应用到结构行为中，比如这样。如果你在处理弯曲，弯曲还是弯曲，伯努利还是伯努利，你有中性轴，中性轴以上是压缩，以下是拉伸，你应用材料的应力-应变响应。

如果你的梁是由UHPC制成的，你在上下都有UHPC，你会将应力-应变模型应用到截面上的拉伸和压缩中，你还会有你的钢筋。我们建议你需要使用应变兼容性，因为它不像常规混凝土那么简单，在拉伸侧你有一个具有巨大应变能力的拉伸材料，像低碳钢筋那样基本上是平坦和屈服的，当你把这些东西结合起来时，会变得更复杂一些。分析还是相同的，只是没有那么封闭。失效模式，如我提到的裂缝局部化，是一个重要的考虑因素，如果你超出了这个，你可能会遇到一些问题。

我们在大尺度测试中看到的是，如果你超过了裂缝局部化，你可能会在结构中得到一个类似铰的地方，你在局部化发生的位置会有非常大的曲率，你可能不想去那里，除非你已经为它做了详细设计，通常我们没有这样做，这是我们在抗震区域的底部桥墩做的事情，但在桥梁梁的中间我们不这样做。

我最后要讲的模型是剪切模型，对于熟悉AASHTO的人，我们对常规混凝土使用修改的压缩场理论，我们基本上拿过来，用UHPC重新推导，有趣的是它实际上变得不那么经验化了。在常规混凝土中，我们有骨料嵌锁，这是对混凝土沿裂缝阻力的经验近似。在UHPC中，我们没有真正的骨料嵌锁，我们有的是UHPC提供垂直于裂缝的拉伸阻力，它试图抵抗剪切。所以你用叠加法，你把UHPC的阻力加到你从剪切钢筋得到的阻力上，你确定你的容量，就是这么简单。在指导中，我们不会让你自己推导修改的压缩场理论，我们提供给你，显然你可以用方程计算你的theta值，你的钢筋应力等等。

有了这个，我们确实有一个路径，它开始变得清晰了。所以我们可以进行新的UHPC结构的设计，我们的结构设计框架，它将这些力学特性融入模型，我们以一种基于第一原理的框架构建这些模型，向结构设计推进。它是经过我们自己和其他人全球的实验测试验证的，这项工作已经过同行评审，对于那些可能感兴趣的人，我们在过去一年内发表了七篇不同的同行评审论文，我们还确保它们是开放获取的，所以人们可以轻松访问，你可以在线搜索，或者联系我，你可以在我的ResearchGate网站上找到它们。

T10正在考虑这件事，他们的目标是到明年夏天，希望能投票通过一个关于UHPC结构设计的指导规范。所以感谢你的关注，感谢你的时间，我鼓励大家一起努力实现这种解决方案，谢谢。

你需要你的材料，提议使用的材料需要提供你关心的工程特性。如果有人能开发出一种UHPC类材料，他们能用1%的纤维，我不是说这能做到，但如果能做到，并且它提供了你关心的拉伸响应，那它需要是应变硬化的，至少有750psi的持续强度，至少有2500微应变的局部化应变。如果做不到这些，你就超出了范围，不是说不好，但你超出了范围，你得走另一条路。所以我认为很可能可以优化UHPC的混合设计，同时仍获得这些特性，想必人们会这样做，以便降低成本，纤维是成本中非常昂贵的一部分。

关于如何使用超高性能混凝土设计柱子，你使用与钢筋混凝土相同的基本概念，压缩侧相当直接，拉伸侧会复杂一些，因为你同时处理压缩和弯曲，可能还有剪切。关于如何为超高性能混凝土构建PMM曲线，也是类似的事情，你看弯曲设计，你看轴向设计，你逐步完成这个过程，与常规混凝土没有什么不同，只是你得小心极限状态，你得确保你考虑了所有不同的极限状态，以及材料的应力-应变响应。

我叫亚什，是克利夫兰州立大学的博士生，我也在研究UHPC，可能与结构设计部分不相关，我关注的是材料方面。你一直在研究UHPC，也发表了很多论文，但我们都知道这是一个高精尖的产品，你认为它在推广方面哪里不足？我们仍然只是用它来做桥梁的剪力键设计，我们可以用它省很多钱，我们可以做很多事情，比如减小截面尺寸等等，你认为我们在推广这个产品方面哪里不足？我的看法是，它已经得到了很多关注，ACI这里有很多活动，社区在壮大，美国的供应商，能生产UHPC的人，在以非常适当的速度增长。随着新的机会出现，社区会对新事物感到兴奋，一开始是连接，然后是修复解决方案，现在我们转向结构设计。所以我不确定我会说它真的缺乏什么，我们得睁大眼睛，知道这种材料能做什么，不能做什么，不是全是优点，有些人第一次接触它时，觉得全是好处，没有问题，但它确实有一些挑战，但也有一些有前景的机会。

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