Partial composite action in prestressed UHPC-NC composite girders: interface characterisation, prestress gain and a conservative assessment of a bond-based check

桥梁非常沉重，而且跨度越长，它们就变得越重。这产生了一个令人沮丧的悖论：为了跨越巨大的距离，工程师必须建造深厚、巨大的梁体来支撑自身的重量，然而这种额外的深度又增加了更多的重量，迫使结构变得更大。几十年来，解决方案一直是使用更强的材料，但普通混凝土有一个致命缺陷：它在受拉时极易开裂。当混凝土开裂时，水分会渗入，导致内部钢筋生锈，从而缩短桥梁的寿命。超高性能混凝土（UHPC）改变了这一局面。它是一种致密的、纤维增强的材料，能够抵抗开裂并能在被拉开时不断裂，这使得工程师能够建造更浅、更轻的梁体。最有效的设计是将一层薄薄的这种超强 UHPC 置于底部（此处受拉应力最大），而在顶部（此处材料受压）则配合较厚的普通混凝土层。

挑战在于这两种不同混凝土相遇的接缝处。如果它们不能完美地粘合在一起，它们会在载荷作用下相互滑动，导致桥梁无法作为一个整体进行强力的运作。工程师长期以来一直假设，如果他们正确地粘合了这些层，它们就会作为一个整体移动，这种状态被称为“完全相互作用”。然而，这种假设很难在真实的桥梁中得到证实，如果假设错误，结构的强度可能会远低于计算值。问题不仅在于材料是否粘合，还在于当桥梁弯曲时它们如何表现，内部钢缆在弯曲过程中如何伸长，以及连接是否足够强大以承受压力，还是会在桥梁达到断裂点之前就发生滑动。

一位研究人员致力于直接测试这些假设，超越理论，去精确测量接缝内部究竟发生了什么。他们制作了 26 个物理模型，代表了三种不同的场景：用于测试粘合力本身的简单块体；采用层叠浇筑的新型预应力梁；以及用新型 UHPC 层进行加固的旧且受损的梁。目标是观察超强底层与普通顶层之间的界面是否真的能将桥梁连接在一起，或者这两种材料是否会在桥梁坍塌前很久就开始相互滑动。

研究人员首先通过 L 型块研究了粘合本身的性质。他们发现，表面的处理方式比混凝土本身的强度更为重要。当表面仅用钢丝刷进行粗糙化处理时，接缝的表现如下：它能保持良好连接直到开裂，一旦开裂，几乎会立即失效且没有任何预警。但当研究人员添加了横跨接缝的小金属销或锚栓时，情况发生了彻底改变。接缝虽然仍会开裂，但销钉将碎片固定在一起，使桥梁能够承受比开裂前高出五倍以上的载荷。这揭示了一个关键事实：带有销钉的接缝不仅仅是一个更强的粗糙接缝，它是一种本质上不同的机制，能够吸收损伤并保持工作，而没有销钉的粗糙接缝在开裂后无法提供任何储备强度。

接下来，研究人员测试了全尺寸预应力梁，以观察内部钢缆的行为。在预应力桥梁中，钢缆在桥梁承载任何交通流量之前就被拉紧，从而将两层混凝土紧紧压在一起。随着桥梁加载并开始弯曲，钢缆会发生伸长，其张力也会随之增加。研究人员直接测量了锚固点的这种张力增加，发现当桥梁达到极限时，钢缆的张力增加了近 13%。这证实了钢缆确实在显著伸长，但也提出了一个问题：接缝是否产生了足够的滑动以阻止这种伸长？答案是否定的。在每一次测试中，两层都完美地同步移动。接缝保持稳固，钢缆的伸长程度与在实心整体梁中的表现完全一致。

研究还调查了更困难的情况，即加固旧的受损桥梁。在这种情况下，原桥的底层在添加新的 UHPC 之前已经出现了裂缝，这意味着两层之间并不是通过原始张力紧紧压合在一起的。尽管如此，加固后的梁表现得非常出色。它们并没有因为层间滑动而失效，而是因为混凝土或钢材达到了其断裂极限，就像实心梁一样。新旧混凝土之间的界面结合得非常紧密，使得桥梁表现得像一个整体，即使该连接并未受到预应力压紧。

随后，研究人员应用了一种新的检查粘合的方法，该方法关注的是接缝在失去抓力之前可以滑动多少，而不仅仅是它的强度有多大。他们发现，对于他们测试的每一座桥和每一根梁，连接强度都足以被视为完美。接缝从未发生足以削弱结构的滑动。事实上，安全余量非常大，以至于研究人员得出结论：接缝从未是薄弱环节。限制因素始终是混凝土或钢材的强度，而不是它们之间的胶结力。这意味着，对于所测试的类型的桥梁，认为各层协同工作的假设是正确的。

然而，这项研究也强调了目前工程师设计此类结构时存在的差距。新的检查方法表明，最重要的因素不仅是粘合强度，还有连接的刚度和允许滑动的程度。研究人员发现，目前的工程设计规则仅侧重于粘合强度，忽略了这一细微差别。虽然他们测试的桥梁是安全的，但他们开发的方法表明，对于具有不同形状或载荷的桥梁，如果设计不考虑层间允许滑动的程度，接缝可能会成为薄弱点。该研究并未发现因粘合破裂而导致失败的桥梁，但它确实提供了一种精确预测未来可能发生这种情况的方法。

研究结果为该领域的技术现状提供了清晰的图景。超高性能混凝土与普通混凝土之间的粘合非常牢固，尤其是在使用金属销强化之后。内部钢缆在桥梁弯曲时会显著伸长，但各层保持锁定，确保桥梁作为一个高效的整体运作。研究证实，对于所测试的配置，界面并非问题所在。这项工作的真正价值在于看待接缝的新视角：它将焦点从简单的强度度量转向了接缝如何运动以及如何抵抗滑动的度量。这为工程师提供了一个更精确的工具，去设计不仅坚固而且高效的桥梁，确保在不需要浪费资源进行不必要的安全余量时，能精准地在需要的地方使用超强材料。桥梁之所以屹立不倒，并非因为某种神奇的胶水，而是因为连接的力学机制得到了理解与验证。