超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)作为具备超高强度、超高韧性、优异耐久性以及良好施工性能的新型水泥基复合材料^[1]，近年来被广泛应用于桥梁、工业及建筑等多个领域。将UHPC薄层与钢构件通过抗剪连接件形成钢-UHPC轻型组合结构协同受力，可充分发挥材料的组合效应，有效减轻结构自重，提高构件刚度等^[2-3]，同时解决了正交异性钢桥面铺装层破损及钢结构疲劳开裂两类难题^[4-5]。

对于钢-UHPC轻型组合结构，尽管UHPC存在优异的力学性能，但其负弯矩区段的UHPC层仍存在易开裂风险，且目前现有的桥梁加固，均因为钢构件受到较大的腐蚀破坏继而影响钢-UHPC组合结构的整体性能。为延长钢-UHPC组合构件的使用寿命，需考虑UHPC板和钢构件的可更换及循环利用等问题。同时保通便桥、抢险救灾桥、景观桥等应用场景均要求构件的快速装配及可拆卸。目前，对钢-混组合结构中可拆卸式抗剪连接件的研究主要集中在国外的若干报道^[6-8]。Kwon等^[9-11]提出了3种应用于钢-混组合构件的螺栓连接件构造，研究结果表明：3种新型螺栓连接件表现出类似的剪切性能，其抗剪强度约为其抗拉强度的50%。此外，将该种螺栓连接件应用在组合梁的零弯矩区段附近，可减少组合构件的滑移需求，提升构件的延性。Dai等^[12]将焊接栓钉连接件改造成装配式栓钉，应用于钢-普通混凝土组合构件，研究结果表明装配式栓钉抗剪连接件在试验后拆卸方便，并具备与焊接栓钉抗剪连接件近似的抗剪力学性能。Wang等^[13]开展了应用于钢-薄层UHPC组合构件的装配式栓钉的推出试验，提出了考虑栓钉长径比、栓钉直径等参数的抗剪承载力计算方法及设计建议。杨飞等^[14]提出了一种由长螺栓、短螺栓及螺栓连接套筒组成的新型螺栓抗剪连接件，研究结果表明：新型螺栓连接件的抗剪承载力约为其抗拉强度的80%；随着高强螺栓直径的增大，钢-混界面的峰值相对滑移越大。

UHPC的应用为钢-混组合构件的轻量化和装配组装化提供了新的契机和挑战。为探究钢-薄层UHPC轻型组合桥面体系在局部轮载下的抗弯性能，阐明新型可拆卸式钢-UHPC组合板的协同工作效应及抗弯破坏机理，本文开展了4块可拆卸式钢-UHPC组合板的抗弯性能试验，研究了高强螺栓连接件的连接件间距(150、200 mm)、钢板类型(Q355、NPR钢板)对可拆卸式钢-UHPC组合板在正弯矩荷载作用下的破坏模式、荷载-挠度曲线、极限承载力、界面滑移、裂缝开展分布等抗弯性能的影响规律，为钢-UHPC组合构件的装配式及可拆卸式应用提供研究基础。

试验设计并制作4块新型可拆卸式钢-UHPC组合板试件，各试件尺寸一致，试件长度为1 600 mm，加载跨度为1 400 mm，宽度700 mm，板厚62 mm，其中钢板厚度为12 mm，UHPC层厚度为50 mm。UHPC层中布置纵横向钢筋网，钢筋保护层厚度为15 mm。抗剪连接件采用文献[15]提出的新型高强螺栓连接件，由预埋带垫加长套筒和高强螺栓组成，其具体构造形式见图 1。根据UHPC层的构造要求，各试件选用的高强螺栓连接件的规格均为M16 mm×40 mm(螺栓直径×高度)，对应的预埋带垫套筒尺寸为16 mm×30 mm(套筒内径×高度)。试验设计参数为抗剪连接件间距及钢板类型，抗剪连接件间距包括150、200 mm，且纵横向抗剪连接件间距保持一致。钢板类型包括Q355普通钢板和负泊松比高性能钢板(简称NPR钢板)。组合板试件的制作过程见图 2，试件细部尺寸及设计参数见表 1。

Fig. 1

图 1 新型螺栓连接构造形式[15] Fig. 1 Configuration of novel bolt connector[15]

Fig. 2

图 2 组合板试件制作过程 Fig. 2 Construction process of composite slab specimens

表 1

表 1 试件设计参数 Tab. 1 Design parameters of specimens 试件编号 钢板种类 连接件间距/mm 试件尺寸/mm UHPC板厚/mm 钢板厚度/mm 钢筋网配置 Q355-150 Q355钢板 150 1 600×700×62 50 12 纵横向均为Ф10@100 Q355-200 Q355钢板 200 NPR-150 NPR钢板 150 NPR-200 NPR钢板 200

表 1 试件设计参数 Tab. 1 Design parameters of specimens

本文采用的UHPC为常温养护型高应变强化UHPC，由UHPC预混料、钢纤维和水组成。UHPC的预混料配合比包括水泥、硅灰、磨细填料、细集料、高效减水剂，其中，细集料采用粒径为0.1~0.3 mm的石英砂，磨细填料采用粒径为38 μm，密度为2.65 g·cm^-3的磨细石英粉。钢纤维采用平直型镀铜微细钢纤维，纤维掺量为2%(体积分数)，钢纤维的特征参数见表 2。试件浇筑过程中留取100 mm立方体UHPC轴压试块及狗骨头型UHPC轴拉试样，同批次同条件常温养护下UHPC的实测立方体抗压强度平均值为132.5 MPa，直接拉伸试验得到的UHPC轴拉应力-应变曲线见图 3，可以看出UHPC表现出明显的拉伸应变强化特性，抗拉强度平均值约11.8 MPa，极限拉伸应变平均值约4×10^-3。

表 2

表 2 钢纤维特征参数 Tab. 2 Characteristic parameters of steel fiber 纤维形状 抗拉强度/ MPa 弹性模量/ GPa 长度/ mm 直径/ μm 长径比 密度/ (kg·m-3) 平直形 2 500 200 16 200 80 7 850

表 2 钢纤维特征参数 Tab. 2 Characteristic parameters of steel fiber

Fig. 3

图 3 高应变强化UHPC轴拉应力-应变曲线 Fig. 3 Stress-strain curves of high strain hardening UHPC

抗剪连接件中高强螺栓的强度等级为8.8级，而预埋带垫加长套筒的强度等级为3.8级。UHPC板中纵横向钢筋网均采用直径为10 mm，间距为100 mm的HRB 400级钢筋。抽取同批次的3根长度为500 mm的钢筋对其进行拉伸性能测试，实测钢筋的弹性模量、屈服强度、极限强度平均值分别为214 GPa、425 MPa、603 MPa。

组合板试件包含两种类型钢板，一种是强度等级为Q355的普通钢板，一种是NPR钢板，钢板厚度均为12 mm。根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分: 室温试验方法》^[16]的规定对钢板力学性能进行测试，实测Q355钢板的屈服强度、极限强度及弹性模量平均值分别为366 MPa、475 MPa和205 GPa。NPR钢板是指通过在钢水冶炼过程中，加入某种微量合金元素，并设计合适的温度压力配置序列，在钢水中制造了大量纳米级和微米级的微孔隙，使钢水中形成一定比例的微观NPR晶体(2~5 nm)，最终实现多尺度多重共格界面设计，生成屈服强度、抗拉强度、伸长率均较高的高性能钢。其负泊松比效应具体体现为能够在塑性应变下产生显著的体积膨胀同时具备异常高的均匀伸长率，在塑性阶段的泊松比小于0.5(普通钢筋在塑性阶段泊松比保持0.5不变)，最低可达0.44。同样依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分: 室温试验方法》^[16]实测NPR钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及弹性模量平均值分别为688 MPa、1 082 MPa、32%和221 GPa。

采用传统的四点弯加载方式对两端简支的组合板试件进行加载，加载装置见图 4，其中分配梁的加载面积为0.7 m×0.1 m。组合板屈服前，采用力控制加载，加载速率为10 kN/min，荷载增量步为20 kN，试件屈服后，转换为位移加载控制，加载速率为6 mm/min，直至试件发生破坏或丧失承载力。组合板中底部布置9个位移计，用来测量组合板不同位置的竖向变形，4个位移计布置在试件两端，用来测量钢板和UHPC板之间的相对滑移，另外2个位移计布置在支座位置用来监测支座处的竖向挠度，在钢板和UHPC外表面以及跨中试件侧面布置多个应变片用来测量不同位置处钢板和UHPC的应变，包括顶面、底面及侧面，测点布设示意见图 4(b)。此外，试验过程中通过裂缝观测仪对每级载荷对应的UHPC板的裂缝宽度进行测量，并对裂缝的开展及分布进行标记。

Fig. 4

图 4 加载装置及测点布设示意(mm) Fig. 4 Schematic diagram of test setup and measurements(mm)

试件Q355-200的最终破坏模式及细部构造破坏见图 5，其破坏模式为最外侧两排螺栓连接件全部被剪断，且整个UHPC板仅少量微裂纹，未发现较大的裂缝及UHPC压溃。而试件Q355-150的破坏形态为最外侧两排螺栓部分被剪断，且UHPC板损伤程度较试件Q355-200更为严重，即UHPC板的裂缝扩展高度和裂缝开展宽度较试件Q355-200更大，见图 6。总而言之，正弯矩荷载作用下，采用Q355钢板的组合板试件最终破坏模式均呈现出因为剪跨段内最外侧的螺栓被剪断而造成钢板与UHPC板之间的瞬间剥离，协同作用减弱或丧失，且UHPC板底部出现多条弯曲裂缝，同时说明150、200 mm的螺栓连接件间距均为部分抗剪连接，不能使UHPC的抗压强度充分发挥。

Fig. 5

图 5 试件Q355-200破坏模式及细部构造破坏 Fig. 5 Failure mode and detailed constructional failure for specimen Q355-200

Fig. 6

图 6 试件Q355-150破坏模式 Fig. 6 Failure mode of specimen Q355-150

与采用Q355钢板的组合板的破坏模式不同，试件NPR-150呈现出较大范围的UHPC压溃，而螺栓连接件却未被剪断，且预埋带垫套筒周围UHPC展现出不同程度的UHPC拉拔破坏，说明UHPC的压溃不是因为充分发挥抗剪连接件的抗剪性能，两者之间充分协同变形而达到UHPC的压应变，其破坏模式见图 7。而试件NPR-200出现了高强螺栓部分被剪断，预埋带垫加长套筒部分拔出或即将拔出，同时伴随着套筒周围的UHPC拉拔破坏，其破坏模式见图 8。

Fig. 7

图 7 试件NPR-150破坏模式 Fig. 7 Failure mode of specimen NPR-150

Fig. 8

图 8 试件NPR-200破坏模式 Fig. 8 Failure mode of specimen NPR-200

各试件的荷载-挠度曲线见图 9，图中挠度为跨中最大挠度实测值。可以看出，无论是采用Q355钢板还是NPR钢板的组合板试件，其荷载-挠度曲线均可分为弹性段、螺栓杆滑移段、弹塑性段以及下降段。在正弯矩荷载作用下，同传统焊接栓钉一样，无论是采用Q355钢板还是NPR钢板，降低高强螺栓连接件间距，有效提高了钢板和UHPC板的协同工作能力，继而提高组合板的抗弯承载力。此外，高强螺栓的间距对组合板弹性段的刚度无明显影响，而当螺栓杆滑移阶段结束后，弹塑性段的组合板刚度随着高强螺栓间距的减小而增大。同时，高强螺栓的间距在提高抗弯承载力的同时稍微降低了组合板的极限变形能力。

Fig. 9

图 9 各试件荷载-挠度曲线 Fig. 9 Load-deflection curves of each specimen

然而，在相同的高强螺栓间距的前提下，采用NPR钢板的组合板试件展示了更高的抗弯承载力和变形能力。在高强螺栓间距为150、200 mm的前提下，采用NPR钢板的组合板试件较采用Q355钢板的组合板试件的抗弯承载力分别提高54.9%、46.0%，而峰值荷载对应的变形则相对提高较少。此外，这与钢结构规范规定的螺栓连接的抗剪承载力与钢板的等级无关的结论是相违背的^[17]，这可能是因为：采用两种钢板的组合板试件的破坏模式不同。NPR钢板的负泊松比效应、超高的抗拉强度及均匀伸长率等特性尽可能地将组合截面塑性中和轴靠近NPR钢板，使高强螺栓的抗剪能力充分发挥，而处于受压区较薄的UHPC薄板在较大荷载下瞬间失稳，造成UHPC板大面积压溃，继而造成钢板屈曲，预埋带垫加长套筒从UHPC板中拔出，组合板承载力丧失等; 试验条件下两端支座的条件不能满足完全简支，随着荷载的逐渐增大，支座的转动能力耗尽，组合板的大变形则造成UHPC板中产生轴向压力，而轴向压力的存在会导致组合板抗弯刚度的减小，继而导致组合板试件的平面外失稳; NPR钢板延缓了钢板与UHPC板的相对变形，影响了构件截面应力的均匀分布效果，同时，在较大的竖向挠度下，高强螺栓将处于拉弯剪复合应力状态，最终造成高强螺栓的剪断和拔出破坏以及UHPC的失稳大面积压溃破坏。

各试件的荷载-相对滑移曲线见图 10，此处相对滑移为两端钢板与UHPC板相对滑移的较大值。可以看出，在正弯矩荷载作用下，各试件板端滑移发展规律类似。当螺栓连接件间距减小时，产生相对滑移的荷载则相对提高，这是由于更多的高强螺栓提供了更多的钢板与UHPC板之间的摩擦力，该阶段与钢板类型无关。在相同的高强螺栓间距下，采用NPR钢板的组合板试件的板端相对滑移较小，说明NPR钢板有效延缓并限制了钢板与UHPC板之间的相对滑移，从而提高两者的协同变形能力，继而提高组合板试件的抗弯刚度及抗弯承载力等，这是因为NPR钢板的高屈服及抗拉强度以及负泊松比效应尽可能地将截面塑性中和轴靠近钢板，继而充分发挥钢板与UHPC板的材料性能优势，这也再次验证了NPR钢板对组合板协同组合效应的贡献。另外，在采用相同钢板类型的前提下，高强螺栓间距的减小可有效减小钢板与UHPC板之间的相对滑移，改善了组合板的协同变形能力。此外，对于采用Q355钢板的组合板试件来说，其极限相对滑移接近于Eurocode 4规定的抗剪连接件的延性相对滑移要求(6 mm)^[18]。

Fig. 10

图 10 各试件荷载-相对滑移曲线 Fig. 10 Load-relative slip curves of each specimen

各试件的荷载-最大裂缝宽度曲线见图 11，此处的最大裂缝宽度指的是从UHPC板侧面测量的底层纵向钢筋处的裂缝宽度。如图所示，达到开裂荷载后，组合板试件的裂缝宽度迅速发展。无论是采用哪种类型钢板，在相同荷载水平下，随着高强螺栓连接件间距的减小，UHPC板和钢板之间的协同变形能力随之增强，有效抑制UHPC板裂缝的萌芽以及裂缝宽度的增长。而对于NPR钢板来说，其进一步增强了UHPC板与钢板之间的变形协调性，延缓了组合板试件的裂缝产生及发展，从而为组合板的裂缝宽度能力和耐久性提供进一步保证。此外，本研究中裂缝宽度达到0.05 mm时的开裂荷载远大于传统焊接栓钉等研究中的开裂荷载^{[2, 4]}，这可能是因为：高强螺栓连接件的高抗剪性能以及初始的预紧力赋予了钢板与UHPC板之间更好的协同工作效应，在高协调变形的约束下，UHPC板与钢板变形甚微; NPR钢板的优异力学性能延缓并限制了UHPC板的开裂，使得中和轴始终集中在钢板内部或者钢板与UHPC板的交界面，继而提高组合板的开裂荷载; 高应变强化UHPC优异的裂缝宽度控制能力抑制了UHPC板裂缝的开展。

Fig. 11

图 11 各试件荷载-最大裂缝宽度曲线 Fig. 11 Load-maximum crack width curves of each specimen

图 12展示了各试件截面不同位置处的应变分析，包括线弹性段结束对应的荷载、开裂荷载、0.7倍及0.9倍的极限荷载、极限荷载等特征应变。其中，负值代表压应变，正值代表拉应变。如图所示，在线弹性阶段，组合板试件整个截面应变呈直线分布，截面满足平截面假定。当达到开裂荷载时，对于采用Q355的钢板，此时钢板与UHPC板发生较大的界面相对滑移，两者协同效应减弱，UHPC板底部应变快速发展，塑性中和轴上移，且随着荷载的增大中和轴不断上移。而底部钢板的拉应变则相对于UHPC板的应变发展相对滞后。对于采用NPR钢板的组合板试件，当达到开裂荷载后，尽管NPR钢板的拉应变同样因为钢板与UHPC板的界面相对滑移而存在滞后，但由于NPR钢板的高刚度、高屈服强度以及高强螺栓连接的高抗剪效应，NPR钢板与底部UHPC层的拉应变仍相对保持着应变协调性，见图 12(c)、(d)，说明NPR钢板始终保持与UHPC板的协同变形，抑制组合截面塑性中和轴的上移。另外，在开裂荷载后，尽管塑性中和轴同样上移，但上移幅度可忽略，同样说明NPR钢板在UHPC板开裂后有效地控制着UHPC裂缝的竖向扩展，尽可能地发挥NPR钢板的抗拉性能。而对于较大的高强螺栓间距时，无论采用哪种类型钢板，组合板的中和轴随着不同等级荷载的增大上移的速度较快，这是因为在较大的高强螺栓间距下，钢板与UHPC板的协同效应退化更快，继而影响组合板的整体变形。因此，在采用NPR钢板提升可拆卸式钢-UHPC组合板抗弯性能的前提下，应使UHPC厚度与NPR钢板的性能进行匹配，充分发挥两者的材料性能，避免UHPC板的失稳破坏先于UHPC材料强度破坏。

Fig. 12

图 12 各试件不同阶段跨中截面应变分布 Fig. 12 Strain distribution in mid-span section of each specimen at different stages

1) 在正弯矩荷载作用下，采用Q355钢板的组合板试件的破坏模式为高强螺栓被剪断，而采用NPR钢板的组合板试件的破坏模式为部分高强螺栓被剪断、部分预埋带垫加长螺母被拔出、UHPC板由于失稳大面积压溃。

2) NPR钢板导致组合板试件不同的破坏模式是因为：NPR钢板尽可能地将塑性中和轴靠近NPR钢板，使高强螺栓的抗剪能力充足，而较薄的UHPC薄板在较大的受压荷载下瞬间失稳；组合板的大变形会造成UHPC板中产生轴向压力，而轴向压力的存在会导致组合板抗弯刚度的减小；NPR钢板延缓了钢板与UHPC板之间的相对滑移，影响了整体构件截面应力的均匀分布效果。

3) 无论是采用Q355钢板还是NPR钢板，降低高强螺栓连接件的间距，有效提高了组合板的抗弯承载力。此外，高强螺栓的间距对组合板线弹性阶段的刚度无明显影响，而点开裂阶段的组合板刚度随着高强螺栓间距的减小而增大。

4) 在相同的高强螺栓间距下，采用NPR钢板的组合板试件的板端相对滑移较小，说明NPR钢板有效延缓并限制了钢板与UHPC板之间的相对滑移，从而提高两者的协同变形能力，继而提高组合板试件的抗弯刚度及抗弯承载力等。

5) 由截面应变分析可知，在正弯矩荷载作用下，整个加载过程中NPR钢板与底部UHPC层的拉应变一直保持着应变协调性，随着荷载的增大塑性中和轴的上移幅度可忽略不计，说明NPR钢板有效抑制了UHPC层裂缝的扩展。