2022年度进展01：混凝土桥及其高性能材料

0. 引言混凝土桥是桥梁工程领域最为常见的桥式之一。近三年来，本文课题组对国内外混凝土桥梁及其高性能材料的年度研究进展进行了汇总和梳理 [1–3] ，得到业界的广泛关注。在2023年之初，课题组将继续报告2022年混凝土桥及其高性能材料的年度研究进展。具体而言，首先将介绍混凝土桥在不同荷载作用下的结构响应和失效机理，并分析其与桥梁安全性之间的关系。其次，将探讨混凝土桥的运营维护对结构性能的影响以及如何采用新技术来提高其运营维护效率。然后将介绍全寿命周期性能评估的方法，并探讨如何将其应用于混凝土桥梁的设计和维护中。最后，将重点介绍混凝土桥用高性能材料的研究进展，包括纤维混凝土、地聚物混凝土、UHPC和高性能筋材的性能特点和应用前景。本文将深入探讨上述问题，以期为广大同行提供参考，继续推进混凝土桥领域的研究。

0. 引言

混凝土桥是桥梁工程领域最为常见的桥式之一。近三年来，本文课题组对国内外混凝土桥梁及其高性能材料的年度研究进展进行了汇总和梳理 ^[1–3] ，得到业界的广泛关注。在2023年之初，课题组将继续报告2022年混凝土桥及其高性能材料的年度研究进展。具体而言，首先将介绍混凝土桥在不同荷载作用下的结构响应和失效机理，并分析其与桥梁安全性之间的关系。其次，将探讨混凝土桥的运营维护对结构性能的影响以及如何采用新技术来提高其运营维护效率。然后将介绍全寿命周期性能评估的方法，并探讨如何将其应用于混凝土桥梁的设计和维护中。最后，将重点介绍混凝土桥用高性能材料的研究进展，包括纤维混凝土、地聚物混凝土、UHPC和高性能筋材的性能特点和应用前景。本文将深入探讨上述问题，以期为广大同行提供参考，继续推进混凝土桥领域的研究。

本文所收集文献主要来自但不限于以下国内外知名期刊，它们分别是：土木工程学报、复合材料学报、中国公路学报、桥梁建设、建筑材料学报、土木与环境工程学报、振动与冲击、Engineering Structures、Composite Structures、Automation in Construction、Cement and Concrete Research、Construction and Building Materials、Cement and Concrete Composites、Composites Part B、Journal of Bridge Engineering等，具体期刊详见参考文献部分。

1. 混凝土桥相关研究

1.1 混凝土桥力学性能研究方面

作为桥梁工程领域较为常见的桥式之一，混凝土桥发展较早，对其力学性能的研究已较为成熟。2022年，国内外学者对相关研究进行了完善。以下将从混凝土桥整体力学性能及其仿真分析、混凝土桥构件及局部受力、混凝土桥抗震分析和混凝土桥优化设计四个方面进行阐述。

在混凝土桥整体力学性能及其仿真分析方面 ：Galv?o 等 ^[4] 引入了随机模型描述后张法预应力混凝土桥梁的施工误差，并结合非线性有限元分析、代理模型和主动学习技术分析了施工误差引起的失效概率。通过对比不同类型的施工误差对桥梁可靠度的影响，该研究为考虑施工误差的混凝土桥安全性评估提供了重要的信息。付春雨等 ^[5] 利用结构弯曲应变能最小化原则，将斜拉索视为弹性支承，将主梁和桥塔均视为弹性支承连续梁，提出一种基于弹性支承连续梁模型的混凝土斜拉桥合理成桥索力计算方法。周德等 ^[6] 针对混凝土桥梁结构在短期荷载作用下的黏弹性力学行为，提出了基于黏弹性本构的桥梁变形分步式数值计算方法，并利用混凝土桥短期徐变及变形恢复的实测数据验证了该方法的正确性。研究结果表明：短期加载、卸载完成初期有明显的徐变和恢复变形，但徐变量仅占弹性变形的4%；在评价桥梁荷载效应时，静力加载与移动荷载加载方式具有等效性。Wang 等 ^[7] 结合现场实测数据与有限元分析，开展参数学习明确了混凝土护栏对桥梁整体承载能力的贡献，并给出了考虑护栏作用的桥梁承载力计算方法。Scattarreggia 等 ^[8] 采用应用单元法（Applied Element Method）对意大利Caprigliola的多跨混凝土拱桥倒塌事故进行了分析（图1.1），结果表明该桥连续倒塌的最可能原因是河床侵蚀导致桥墩沉降变形过大。该研究凸显了在常规检修的基础之上采用精细数值仿真模型对桥梁安全性进行评估的必要性。

图 1.1 Caprigliola 混凝土拱桥连续倒塌分析及其与遗址对比 ^[8]

在混凝土桥构件及局部受力研究方面 ： Oz 等 ^[9] 对倒T型混凝土墩帽进行了有限元建模，并分析了传统布筋方式及斜交布筋对墩帽结构性能及经济性的影响，结果表明斜交布筋不仅能提升刚度和承载能力等指标，还能降低墩帽的设计与施工成本。高超等 ^[10] 开展了混凝土连续梁桥桥面爆炸荷载模型试验及数值分析，得到了冲击波超压及冲量在桥面的分布特点，并据此建立了适用于桥面爆炸荷载模型的超压峰值公式，可为梁桥桥面的抗爆设计提供参考。刘莉萍等 ^[11] 对混凝土桥墩在汽车撞击荷载下的力学行为进行了精细化有限元建模，较好地还原了真实事故中桥墩的损伤情况，并从接触算法、网格尺寸以及永久荷载初始化等方面给出了提升分析精度的建议。Gholipour 等 ^[12] 分析了摇摆桥墩在汽车撞击下的非线性动力行为，结果表明摇摆桥墩在碰撞中将承受更低的峰值冲击荷载并耗散更多的能量，从而降低弯曲变形引起的损伤。Yao 等 ^[13] 对轮船碰撞荷载下的节段拼装混凝土桥墩进行了有限元分析，并开展缩尺试验以验证有限元分析，结果表明节段拼装桥墩比普通桥墩有更好的耗能能力，所受的峰值冲击荷载也更小。Sun 等 ^[14] 开展了灌浆套筒连接的预制式桥墩在冲击荷载下的试验研究与数值模拟，建立了灌浆套筒连接的简化有限元模型，并在该模型中改变连接的性能进行参数学习，结果表明连接界面的摩擦作用是避免套筒中钢筋的剪应力过大的关键因素。该研究也为预制式混凝土桥墩的防护与加固提供了参考方案。

在混凝土桥抗震分析研究方面 ：邹爽等 ^[15] 开展了预制节段拼装混凝土双柱墩的抗震性能拟静力试验分析，对比研究了灌浆套筒和预应力节段预制两种拼接方式的抗震性能，试验数据表明灌浆套筒拼接桥墩的等效刚度大且能耗能力强，而预应力节段预制拼接桥墩有良好的自复位能力。李运生等 ^[16] 采取了类似的试验手段对比了高速铁路桥梁装配式桥墩和现浇式桥墩的抗震性能，研究结果表明装配墩和现浇墩在水平荷载下的裂缝发展损伤过程和破坏模式接近，二者耗能能力与延性性能差别不大，因此装配墩完全可以满足实际桥梁工程性能要求。闫业祥等 ^[17] 建立了一种基于高斯过程回归的多变量地震易损性分析方法，并以一座三跨钢筋混凝土连续箱梁桥为例进行了分析与验证，结果表明该方法在精度与直接模特卡罗模拟一致的前提下可大幅度减少有限元分析数量，具有极高的效率。李帅等 ^[18] 通过数值模拟研究了近源地形效应对跨V形河谷的混凝土连续梁桥地震响应的影响规律，结果表明地形效应可显著放大桥梁的地震响应。魏俊杰等 ^[19] 以某三跨混凝土刚构?连续组合梁桥为研究对象，建立考虑桥墩塑性铰以及桩土相互作用等非线性边界条件的有限元模型，并输入不同类型的地震波分析其对结构体系地震响应的影响，结果表明长周期地震波作用下结构体系地震响应明显更大。Somala 等 ^[20] 研究了震源机制中走向、倾角、滑动角以及方位角等参数对某多跨混凝土连续梁桥地震响应的影响，发现上述参数对桥梁的地震易损性有较大影响，应在抗震设计中予以考虑。Todorov 等 ^[21,22] 和Liu 等 ^[23] 采用机器学习方法分别对混凝桥墩的抗震性能和多跨混凝土桥的地震易损性进行了分析，展示了数据驱动类方法在复杂条件下桥梁抗震分析中的效率优势。Mortagi 等 ^[24] 考虑和气候变化对混凝土桥梁全寿命周期地震损失的影响，并以美国东北部的一座多跨混凝土桥梁为例展示了该因素的重要性。当气候变化被忽略时，该桥梁的全寿命周期地震损失将被低估13.2%。

在混凝土桥优化设计方面 ：孙宗磊等 ^[25] 通过对国内外大跨度混凝土部分斜拉桥设计参数的分析研究，给出了大跨度铁路混凝土部分斜拉桥塔高、梁高以及斜拉索等关键设计参数的合理取值。董俊等 ^[26] 研究了高烈度区混凝土连续梁桥限位挡块的设置方案，通过对桥梁各关键构件地震易损性云图优化分析，给出了8度、9度地震区典型公路连续梁桥钢筋混凝土挡块合理设计参数取值范围。雷虎军等 ^[27] 以近断层地震作用下预应力混凝土连续刚构桥为研究目标，分析了黏滞阻尼器参数对减震效果的影响，发现采用大阻尼系数和小速度指数的参数组合效果较好。张鹏辉等 ^[28] 提出了以桥梁结构的震后维修费用为优化目标的减隔震参数优化方法，并以某设置拉索模数伸缩缝和板式橡胶支座的斜交混凝土连续梁桥为例，对板式橡胶支座的刚度、拉索模数伸缩缝的自由程和拉索刚度进行了优化设计。Jahjouh 等 ^[29] 采用修正和声搜索算法对预应力混凝土桥I型梁的截面进行了形状优化，并给出了13种结构性能和经济性较好的截面设计。Li 等 ^[30] 采用多材料双向渐进结构优化法自动生成了三跨钢-混凝土组合桥梁的概念设计，并在此基础上考虑施工要求完成了桥梁的最终设计（图1.2）。分析表明该设计在结构性能和经济性上有明显优势，展示了拓扑优化设计方法在桥梁设计中的巨大潜力。

图 1.2 基于拓扑优化的钢 - 混凝土组合桥梁设计 ^[30]

综上所述，常规荷载下采用试验手段或数值仿真对混凝土桥梁的整体及局部力学行为的研究已较为成熟，建立精细数值模型实现对混凝土桥在地震、爆炸、撞击等极端荷载下高精度、低时间成本仿真分析是当前的研究热点。如何在此基础上应用机器学习、拓扑优化等方法更加全面地辅助混凝土桥的设计与分析是未来需要逐步解决的问题。

1.2 混凝土桥运营维护研究方面

随着我国基础设施建设的进展，在极端环境中服役的混凝土桥数量越来越多，而且铁路和公路网络的客货运量也在日渐增加。既有桥梁的运营和维护提出了极大的挑战，特别是在海洋、高原等严酷环境中的老旧桥梁的评估和维修成为亟待解决的问题。在2022年，诸多学者深入研究了混凝土桥的运营维护问题，以下将从混凝土桥的运营维护和耐久性、时变性能研究和极端环境下的混凝土桥三个方面报告本年度的研究进展。

在混凝土桥的运营维护和耐久性研究方面 ： Wilkie 等 ^[31] 研究了苏格兰地区36座20世纪早期建成的混凝土桥的耐久性，并从混凝土的抗压强度、碳化程度以及氯离子含量等指标系统分析了这些桥梁的潜在风险，为相关防护措施（混凝土再碱化、除氯及电化学防护）的应用提供了依据。Granata 等 ^[32] 以一座上世纪60年代建成的三跨混凝土梁桥为例，通过有限元模拟与实地调查结合，分析了该桥的安全性与适用性指标。该研究为老旧桥梁的运营维护及安全评估提供了一条可行路径。Invernizzi 等 ^[33] 从腐蚀和疲劳损伤的视角分析了意大利Polcevera河上一座混凝土斜拉桥在2018年的倒塌事故，结果表明低幅疲劳荷载和腐蚀共同作用带来的风险常被低估，在老旧桥梁的维护中应特别注意相关作用的负面影响。黄海云等 ^[34] 以广州市某典型城市高架桥为例，基于混凝土结构耐久性理论和既有混凝土结构耐久性评定标准，结合现场检测、实地交通调查的结果，计算了桥梁控制截面的抗弯承载力可靠度，并对该桥的可靠性进行了评估。Jaafaru 等 ^[35] 结合机器学习、多属性效用理论和进化优化模型建立了桥梁的维护规划平台，并将其应用到美国华盛顿特区的95座混凝土与钢桥的维护规划中，给出了使桥梁性能最优且维护费用最小的方案。该研究展示了有机结合多种算法在桥梁维护规划中的优势。Kim 等 ^[36] 发明了一种利用立体视觉探测混凝土裂缝的装置与算法，并在一座混凝土铁路桥上验证了该方法的效率与精度。结果表明，该方法重构3D表面的效率可达传统方法的三倍，且所测的最大裂缝宽度也更为精确。Kun 等 ^[37] 发展了一种基于深度学习的两阶段混凝土裂缝检测算法，并用该算法分析了无人机采集的某混凝土桥的高分辨率图像数据，结果表明该算法不仅能准确地确定裂缝位置，也可提取裂缝的形状特征，还解决了现有算法处理高分辨率图像效率过低的问题。Truong-Hong 等 ^[38] 提出了根据地面激光扫描的数据自动提取桥梁几何模型及其表明损伤状态的算法，并在两座混凝土桥上验证了其可行性。该算法可为快速建立桥梁检修所需的3D模型提供技术支撑。

在混凝土桥时变性能研究方面 ：王永宝等 ^[39] 建立了北盘江大桥原型桥与模型桥的三维有限元模型，对比了原型桥与模型桥在弹性和考虑温度与收缩徐变耦合效应后的位移、应力结果，并对其长期变形行为进行了参数分析，结果表明有限元分析结果与实测结果吻合较好，而收缩徐变模型和温度变化历程均会对原型桥与模型桥的位移比例产生较大影响。周雨洁等 ^[40] 建立了一座混凝土矮塔斜拉桥的精细有限元模型，分析斜拉索、钢筋和混凝土等多种因素影响下的桥梁时变承载力的变化规律，研究结果可为该类桥梁在侵蚀环境下的时变承载力评估提供参考。金聪鹤等 ^[41] 采用 Gamma 随机过程描述车辆荷载频率函数，提出了基于荷载频率增大的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析方法，并采用该方法对某装配式预应力混凝土桥进行时变可靠度分析。Yang 等 ^[42] 则基于Gamma 随机过程建立了考虑空间效应的桥梁抗力劣化模型，并分析了一座三跨预应力混凝土桥的时变可靠度，结果表明忽略抗力劣化的空间效应及车辆荷载的非平稳性将高估老旧桥梁的可靠性。陈水生等 ^[43] 综合考虑一般大气环境下混凝土和钢筋强度及二者间黏结性能的降低，建立了普通钢筋混凝土桥梁的抗力退化时变模型，分析了规范车辆荷载作用的桥梁时变可靠度，结果表明钢筋锈蚀导致的强度降低是该类桥梁抗力减小的主要因素。Liu 等 ^[44] 综合考虑了老旧混凝土桥梁中钢筋、混凝土以及橡胶支座的性能劣化，并据此计算了一座多跨混凝土梁桥的时变地震易损性。该研究展示了在桥梁时变地震易损性评估中同时考虑多种劣化机制的重要性。Jia 等 ^[45] 基于贝叶斯推断建立了考虑收缩、徐变以及恒载和预应力水平的混凝土桥长期变形预测模型，并通过长期的监测数据不断更新模型中的参数，从而能更加准确的预测桥梁的时变失效概率。Pelle 等 ^[46] 通过有限元仿真分析了受氯离子侵蚀的混凝土墩柱在循环荷载下的时变力学行为，揭示了墩柱中纵向钢筋的腐蚀情况和屈服模式对其时变承载力的影响。

在极端环境下混凝土桥研究方面 ：Qeshta 等 ^[47] 分析了混凝土刚构桥在海啸引起的水压力作用下的易损性，并模拟了采用FRP加固桥墩的效应，结果表明FRP加固能有效地提高桥墩的极限承载能力，从而降低桥梁在海啸作用下的失效概率。谭庄等 ^[48] 研究了深水高墩连续刚构桥施工期流固耦合动力响应，揭示了泄洪状态下桥墩周围流场及水流应力随时间发展的规律。Cui 等 ^[49] 则分析了深水高墩连续刚构桥在水压力和地震联合作用下的易损性，结果表明水压力对桥墩和承台的失效概率有显著影响。蔺鹏臻等 ^[50] 研究了西北干旱农业灌区盐碱地环境对混凝土桥梁耐久性的影响，现场调研了盐碱地土壤和水中的离子含量、桥梁不同部位氯离子分布，并结合数值模拟法计算了混凝土受氯离子侵蚀的规律和相应的桥梁耐久性寿命。袁文厅等 ^[51] 开展了腐蚀近海桥墩的十字形双向加载试验，并基于试验现象改进了Park-Ang 双参数模型以研究墩柱损伤演化过程，结果表明腐蚀将明显降低墩柱的承载和耗能能力，并会加速墩柱的地震损伤进程。Peng 等 ^[52] 采用超声断层成像获取了寒冷地区的近海混凝土桥墩在海水冻融循环下的损伤情况，同时建立了桥墩冻融损伤的多尺度模型，揭示了桥墩性能在冻融循环损伤下的劣化机理。Sun 等 ^[53] 通过足尺试验研究了寒冷地区预应力混凝土箱梁在冻胀作用下的损伤，并建立三维非线性有限元模型以探究其损伤机理，结果表明冻胀会降低有效预应力水平、混凝土的力学性能及其与钢束间的黏结。Guan 等 ^[54] 通过拟静力试验研究了冻土地区季节性冻融土壤对桥梁高墩桩基抗震性能的影响，发现融化冻土层将同时降低水平荷载作用下的桩体位移和桩-土体系的延性，因此在抗震设计中需要考虑其强度与延性之间的平衡。张熙胤等 ^[55] 则结合拟静力试验与有限元数值仿真，分析了多年冻土层对高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能的影响规律，并计算了桩基在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线，结果表明应在抗震设计中充分考虑多年冻土层和桩身自由段长度对其抗震性能的不利影响。

本节阐述了混凝土桥梁的运营维护、耐久性、时变性能以及极端环境对其性能的影响，总结了过去一年来国内外学者针对在役混凝土桥面临的各类问题所提出的解决方案。在上述研究基础上进一步加深对机器学习、计算机视觉以及无人机等技术的发展与应用，探究在腐蚀、疲劳荷载等多因素耦合作用下桥梁的智能化运营维护方案，可为目前众多老旧桥梁的运营维护提供有效措施。

1.3 混凝土桥剩余使用寿命预测与性能评估研究方面

桥梁是现代交通运输中的重要枢纽，而混凝土桥中的钢筋和混凝土都易在环境和荷载的作用下产生腐蚀和性能劣化。因此，科学合理地评估混凝土桥梁的剩余使用寿命及性能，对于保障交通运输安全、降低桥梁管养维护成本具有重要意义。以下将从环境腐蚀下的剩余寿命和性能、荷载及其与腐蚀共同作用下的剩余寿命和性能两个方面阐述2022年度的研究进展。

在环境腐蚀下的剩余寿命与性能方面 ：Shao等 ^[56] 建立了混凝土桥梁桩基在氯离子侵蚀下的耐久性寿命预测模型，分析了水胶比与混凝土保护层厚度等因素对桩基耐久性寿命的影响，结果表明合理选择水胶比与混凝土保护层厚度能延长桩基在氯离子侵蚀下的耐久性寿命。Jiang等 ^[57] 通过预先定义四种弯矩作用下的失效模式提出了双筋混凝土梁在钢筋腐蚀后的剩余抗弯承载力计算方法，并将计算结果与517条试验数据进行对比以验证该方法的准确性。Alam等 ^[58] 考虑了混凝土桥剩寿命预测中的偶然不确定性和认知不确定性，并以一座钢筋被腐蚀的混凝土桥为例讨论了两类不确定性对预测精度的影响，结果表明认知不确定性是影响精度的关键参数。Vrijdaghs等 ^[59] 开发了一种基于响应面采样和重要性采样的概率方法，以评估腐蚀后混凝土结构的结构可靠性。该研究以腐蚀的后张预应力混凝土桥梁为例，考虑了适用性和极限状态要求，以及材料和损伤特性的随机性，结果表明混凝土梁的极限状态是可靠度分析中的控制因素。Crespi等 ^[60] 研究了五座在役钢筋混凝土桥梁在碳化引起的钢筋锈蚀下的抗震性能，并考虑了三种不同的钢筋腐蚀级别（轻微、中度和高度），通过对桥梁的Pushover分析确定了钢筋腐蚀程度和桥梁地震易损性之间的相关性。Xu等 ^[61] 提出了一种基于机器学习的方法评估全寿命周期中混凝土桥梁老化腐蚀后的抗震性能。该方法不仅能准确预测单座桥梁的震后损伤状态，也可快速评估区域桥梁的损伤状态。

在荷载及其与腐蚀共同作用下的剩余寿命和性能方面 ：陈水生等 ^[62] 基于经典 Rice公式提出了实际车流荷载作用下在役混凝土梁桥在未来服役时间内的可靠度评估方法，并将其应用到一座预应力混凝土简支 T 梁桥的可靠度评估中，详细给出了车辆荷载特性对其可靠度的影响规律。Gao等 ^[63] 提出了交通荷载引起的疲劳损伤下混凝土桥的抗震性能的评估方法，并以该方法分析了南昆铁路清水河大桥在未来的在地震荷载下的可靠度，结果表明忽略交通荷载引起的疲劳损伤将极大地高估桥梁的抗震性能。崔晨星等 ^[64] 提出一种考虑碳化锈蚀与疲劳耦合效应的城市轨道交通U型梁腐蚀疲劳寿命评估方法，并以一根30 m预应力混凝土U型梁为例探讨疲劳损伤演化规律和腐蚀疲劳寿命，结果表明极端碳化环境和极限列车通行频率共同作用将导致其腐蚀疲劳寿命下降45.41%。Chen等 ^[65] 则研究了氯离子侵蚀和交通疲劳荷载耦合作用下混凝土U型梁的腐蚀疲劳寿命，通过综合考虑混凝土的疲劳开裂和腐蚀开裂、列车通过频率以及环境温度和湿度等参数的影响，发现氯离子侵蚀和疲劳荷载的耦合作用将使U型梁的腐蚀疲劳寿命降低61.2%。许见超等 ^[66] 考虑疲劳荷载水平、初始疲劳加载次数、氯腐蚀时间和配筋率的影响，提出了混凝土梁在氯腐蚀后的疲劳寿命预测模型，该模型的计算结果表明在非海水直接接触区域的混凝土桥的耐久性也应被重视。Su等 ^[67] 提出了一种腐蚀后预应力混凝土梁的疲劳寿命预测方法，其中考虑了氯离子侵蚀、点腐蚀、预应力损失和材料的疲劳损伤累积等因素。通过对比混凝土梁的疲劳试验数据与预测结果，表明该方法可合理预测腐蚀后预应力梁的疲劳寿命。

上述内容综述了在环境腐蚀与疲劳荷载等因素作用下混凝土桥剩余使用寿命与性能在2022年的研究进展。建议继续进行多因素耦合（如：风浪、车辆荷载、地震、碳化和氯离子侵蚀、水流冲刷等）作用下混凝土桥剩余使用寿命的预测研究，特别是结合桥梁健康监测数据，引入各类因素不确定性的量化方法，利用大数据、机器学习以及云计算等手段，探寻更多高效预测方法以实现各种情况下的混凝土桥梁剩余寿命及性能的实时预测。

2. 桥用高性能材料相关研究

2.1 纤维混凝土相关研究

纤维混凝土作为一种优异的建筑材料，因其高强度以及高韧度等力学特性，越来越多地被用于桥梁工程中。纤维混凝土的工作性能、力学性能及耐久性决定了这类材料的可用性及其制成的结构构件的性能表现。本节将围绕纤维混凝土的工作性能、力学性能、耐久性及其在桥梁结构中应用四个方面展开阐述。

在纤维混凝土的工作性能方面 ：Zhang 等 ^[68] 讨论了黄麻纤维与矿粉对自密实混凝土工作性的影响，通过系统地进行扩展度和J形环试验，发现添加超声波振动涂层处理后的黄麻纤维与火山灰可最大程度地提高自密实混凝土的流动性。Omidinasab 等 ^[69] 系统分析了钢纤维体积分数以及再生骨料取代率对混凝土塌落度的影响，结果表明二者均会对混凝土的工作性产生负面影响，特别是再生骨料取代率为100 %时，混凝土塌落度随着钢纤维含量增加而降低的程度更大。Zhang 等 ^[70] 研究不同种类的纤维对轻质混凝土工作性能的影响，测试了含钢纤维（直径0.2 mm）和聚丙烯纤维（直径0.032 mm）的轻质混凝土的塌落度，结果表明在相同的体积分数下比表面积更大的聚丙烯纤维会使轻质混凝土的工作性降低更多。Ortega- López 等 ^[71] 研究了添加炼钢炉渣、钢纤维和聚合物纤维的混凝土配合比设计，结果表明调整骨料等级和水胶比可实现在添加大比例的矿渣粗骨料、30% 的粒化高炉矿渣粘合剂、钢纤维和聚合物纤维的情况下配制高工作性混凝土。

在纤维混凝土的力学性能方面 ：Abbas 等 ^[72] 测量了18种含有钢-PVA混合纤维的高性能混凝土的应力-应变行为，发现钢-PVA混合纤维显着增强了混凝土开裂后的力学性能，并在此基础上开发了此类混凝土在受压时的精细本构模型，可用于预测含有混合纤维的水泥基复合材料的应力-应变响应。陈宇良等 ^[73] 考虑了再生粗骨料取代率、钢纤维体积分数和加载速率3个变化参数，设计了52个圆柱体试件进行单轴循环受压试验研究钢纤维再生混凝土的力学行为，并采用了幂函数对归一化塑性应变与卸载点应变的关系进行了拟合，提出了钢纤维再生混凝土在循环受压作用下的应力-应变本构关系计算式。宋水舟等 ^[74] 结合声发射技术，开展 Ⅰ-Ⅱ 混合型载荷作用下钢纤维混凝土带中心裂纹巴西圆盘(BDCN)破坏特性的试验研究，并运用机器学习算法对声发射参数进行分析，揭示了钢纤维混凝土的损伤机理。Zhang 等 ^[75] 研究了加载速率和纤维体积分数对玄武岩纤维增强混凝土在劈裂试验中的抗拉强度及声发射特性的影响，发现抗拉强度随着加载速率以及纤维体积分数的增加而提高，并在根据试验所测的应力-应变曲线及声发射特性修正了该材料的本构模型，可较好地描述其在动态分裂载荷下的力学行为。丁发兴等 ^[76] 以损伤比强度理论为基础，建立了钢纤维混凝土真三轴损伤比强度准则，并通过与国内外共104组钢纤维体积率为0.5% - 2.5%的钢纤维混凝土三轴强度试验资料的比较，给出了该准则中6个经验参数的推荐取值。霍琳颖等 ^[77] 在混凝土基体中加入不同长度的混杂钢纤维并考虑混凝土开裂后钢纤维的脱黏全过程，利用黏结-滑移模型来模拟混杂钢纤维的增强作用，基于经典的弥散开裂本构模型，建立混杂钢纤维混凝土本构模型，最后通过混杂钢纤维混凝土四点弯曲试验数据与数值模拟结果，验证了所提出本构模型的正确性。黄炜等 ^[78] 在三因素三水平正交试验基础上利用响应面法建立回归模型，确定了水灰比、再生砖骨料取代率和聚丙烯纤维体积分数对聚丙烯纤维再生砖骨料混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响，并以此为基础配合比进行优化，得到了使其抗压强度和劈裂抗拉强度最优的配合比。

在纤维混凝土的耐久性方面 ：Liu 等 ^[79] 在钢纤维混凝土中添加了不同量的氧化石墨烯以改善其性能，耐久性试验的结果表明氯离子的穿透深度较基准最多降低56.8%，100次冻融循环后质量损失和相对动态模量损失分别仅为4.5%和32.6%。微观结构表征的数据显示氧化石墨烯的主要作用是促进早期水化反应，从而修复基体微观缺陷并增强钢纤维与基体的结合。丁亚红等 ^[80] 采用快速碳化的方法研究了玄武岩纤维掺量和再生粗骨料取代率对再生混凝土抗碳化性能的影响，发现掺入玄武岩纤维可以有效地提高再生混凝土的抗碳化性能，同时采用扫描电子显微镜对其微观结构进行观测，并结合扩散理论揭示了碳化损伤机制。牛荻涛等 ^[81] 测试了玄武岩-聚丙烯混合纤维增强混凝土的气孔结构，发现玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及玄武岩-聚丙烯混合纤维的掺入将使累计气孔含量增大。细观分析结果表明纤维形成的网络结构对混凝土拌合过程中气泡合并产生的抑制作用是混凝土中大孔隙区和超大孔隙区气孔面分形维数增大的主要原因。Su 等 ^[82] 研究了玄武岩-聚丙烯混合纤维增强混凝土在盐雾环境中的氯离子扩散特性，明确了混凝土强度、纤维添加形式和含量对孔隙溶液pH值和氯化物浓度的影响，并对侵蚀前后的孔隙结构、物相组成和微观形貌进行了研究，总结了玄武岩纤维和聚丙烯纤维对侵蚀前后氯离子扩散过程的影响规律。甘磊等 ^[83] 开展不同质量分数硫酸盐溶液干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土侵蚀试验、强度试验和微观测试，分析了微观结构的演变规律（图2.1），并建立玄武岩纤维混凝土强度演化模型。结果表明在混凝土中掺入玄武岩纤维可有效减缓其性能在硫酸盐溶液干湿循环侵蚀下劣化进程。张广泰等 ^[84] 研究了荷载-硫酸盐共同作用下聚丙烯纤维混凝土柱的偏心受压性能，结果表明加入聚丙烯纤维可有效抑制硫酸盐的侵蚀作用，在此基础上考虑聚丙烯纤维和硫酸盐腐蚀的影响，建立了最大裂缝宽度计算公式，其理论计算值与试验值吻合较好。

图 2.1 不同侵蚀阶段玄武岩纤维混凝土 SEM 微观扫描电镜图 ^[83]

在纤维混凝土的构件应用方面： 马煜东等 ^[85] 综合考虑混凝土、钢纤维、分布网筋及纵筋对混合钢纤维混凝土深梁抗剪承载力的贡献，建立了基于软化拉压杆模型的抗剪承载力计算方法，计算结果表明钢纤维掺量的增加会延缓混凝土应变的发展并提高其最大应变值，从而提高试件的承载能力、变形能力和初始刚度。El Refai 等 ^[86] 通过试验研究了用玄武岩纤维混凝土及玄武岩纤维聚合物筋材制成的混凝土梁的抗剪性能，试验参数包括纤维的体积分数、配筋率以及剪跨比，测试结果表明添加 0.75% 的玄武岩纤维可使细长梁和短梁的抗剪承载力分别提高 46% 和 43%，而添加 1.5% 的玄武岩纤维时二者的抗剪承载力分别提高 81% 和 82%。Lusis 等 ^[87] 通过四点弯曲试验对比了钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土梁的结构性能，发现钢纤维随着混凝土中宏观裂缝的开展而被拔出，而聚丙烯纤维则主要是受拉断裂，同时据此建立了单裂纹形成和张开模型受弯梁的荷载-位移曲线进行了预测，结果与试验数据较为符合。马钢等 ^[88] 分别对素混凝土梁与体积分数相同的碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维混凝土梁进行低速冲击试验，通过高速摄像机记录各试件梁的断裂破坏过程，详细分析了各纤维混凝土梁断裂耗能，结果表明玻璃纤维混凝土梁断裂消耗的能量最多，相比于素混凝土梁提高了88%。Almustafa 等 ^[89] 开发了一种机器学习模型来预测承受远场爆炸载荷的钢纤维混凝土梁的最大位移。该模型基于高斯过程回归和条件生成市对抗网络，考虑了17 个试验数据集和 300 个合成数据集，可高效而准确地预测纤维混凝土梁在冲击荷载下响应。

上述内容重点阐述了纤维混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能及其结构应用。从相关研究中可以发现，以混杂纤维代替单一品种的纤维可更好地优化混凝土性能，更好地发挥桥接裂缝和优化孔隙结构的作用，但纤维的引入也可能会在混凝土中引入更多的微观缺陷。因此，纤维混凝土的耐久性尚需进一步的研究。在结构应用层面，目前的研究主要关注梁柱构件的性能，对构件的尺寸效应考虑得尚不充分，综合考虑构件承载能力与耐久性的构件设计方法还有待发展。

2.2 地聚物混凝土相关研究

地聚物混凝土是一种以地聚物作为胶凝材料的新型的混凝土。相对于硅酸盐水泥，地聚物的生产能耗与碳排放量更低。在“双碳”背景下，关于地聚物混凝土的研究在过去的一年取得了重要的进展，主要体现在力学性能、耐久性以及结构应用研究三个方面。

在地聚物混凝土的力学性能方面： 黄华等 ^[90] 为考察不同配合比对地聚物混凝土性能的影响，开展了粉煤灰与矿渣比例、水玻璃模数及掺量对其宏观力学性能影响的试验研究，发现降低水玻璃模数或提高矿渣比例均可促进聚合反应的进行，从而提升地聚物混凝土力学性能与微观结构的致密性。Hu 等 ^[91] 研究了纤维因子对聚乙烯纤维增强地聚物混凝土的力学性能和内部缺陷的影响，得出了纤维因子的合理取值范围。当掺入聚乙烯纤维的纤维因子处于该范围内时，地聚物混凝土的抗弯强度和抗压强度值均高于硅酸盐水泥混凝土。刘俊霞等 ^[92] 以活化赤泥和矿渣为主要原料制备了赤泥地聚物水泥，并研究了矿渣掺量、激发剂模数和掺量对其力学性能和聚合机理的影响，发现赤泥和矿渣中的活性硅、铝组分在水玻璃作用下，参与地质聚合反应和水化硬化过程，可以生成以类沸石地聚物和水化硅（铝）酸钙（C-(A)-S-H）凝胶为骨架的地聚物结构。杨世玉等 ^[93] 研究了不同性质的纤维对粉煤灰基地聚物混凝土断裂性能的影响，切口梁的3点弯曲试验数据表明在粉煤灰基地聚物体系中，端勾钢纤维的增强、增韧效果最好；玄武岩纤维的增强效果胜于聚乙烯基聚丙烯纤维，但后者的增韧效果可能优于前者。赵秋红等 ^[94] 采用粉煤灰/矿渣基地聚物完全取代再生混凝土中的普通硅酸盐水泥，并在其中掺入不同体积分数的钢纤维以研究其抗压性能。结果表明，随着钢纤维掺量的增加，再生混凝土的破坏模式由脆性向延性转变，且抗压强度、受压韧性和延性均得到提高。钟卿瑜等 ^[95] 设计了120组偏高岭土-矿渣地聚物净浆试验，以探讨碱激发剂浓度、模数、液固比这三个变量对地聚物净浆抗压强度、流动度和凝结时间的影响规律，并基于试验数据建立了Lasso多元回归模型预测其7天和28天抗压强度、流动度、初凝及终凝时间，计算结果表明采用Lasso算法对回归模型进行正则化可避免过拟合现象，从而准确地预测偏高岭土-矿渣地聚物净浆的各项宏观性能。

在地聚物混凝土的耐久性方面： Natarajan 等 ^[96] 测试了氢氧化钠和硅酸钠溶液中粉煤灰基地聚物混凝土的与硅酸盐水泥混凝土的强度退化与质量损失，发现粉煤灰基地聚物混凝土的两个指标都更低，并通过进一步的酸、硫酸盐侵蚀试验展示了粉煤灰基地聚物混凝土良好的耐久性。Asil 等 ^[97] 探讨了如何使用玄武岩纤维和碳纳米管的组合来改善轻质地聚物混凝土的性能。研究中使用了不同的试验方法来测试不同的参数，例如抗压和劈裂拉伸强度、吸水性和电阻率等，结果显示联合使用玄武岩纤维和碳纳米管可以显著提高轻质地聚物混凝土的机械性能和耐久性。Sun 等 ^[98] 通过干湿循环法分析不同腐蚀溶液对粉煤灰基地聚物混凝土的影响，发现随着干湿循环次数的增加，试件表面出现结晶、裂纹、剥落等现象。微观结构分析表明早期反应产生的腐蚀产物填充了泥浆骨料的孔隙并提高了地聚物混凝土的强度，而后期大量的腐蚀产物吸水膨胀，内部孔隙相互连接，导致强度降低。Karaaslan 等 ^[99] 研究了将珍珠岩和粉煤灰基地聚物混凝土的部分胶凝材料替换为铝酸钙水泥后其性能的变化。20次干湿循环和100次冻融循环的试验数据表明，将20%的胶凝材料替换为铝酸钙水泥可显著提高该类地聚物混凝土的抗渗性和抗冻性。Hadigheh 等 ^[100] 研究了碳纤维增强聚合物约束地聚物混凝土的耐久性，通过力学和微结构分析研究腐蚀性物质（如酸和氯离子）的传输机制（图2.2），考虑温度和pH波动效应建立了传输模型，并采用该模型来评估澳大利亚一座地聚物混凝土桥梁的耐久性，结果表明采用碳纤维增强聚合物约束的地聚物混凝土可有效阻止腐蚀性物质在桥墩中的扩散，从而提高使用寿命。

图 2.2 不同浓度盐酸浸泡后地聚物混凝土的 SEM 图像 ^[100]

在地聚物混凝土的结构应用方面： 惠存等 ^[101] 制作了4根钢管地聚物混凝土中长柱和8根钢管地聚物混凝土短柱，进行轴向重复受压试验。结果表明，钢管地聚物混凝土中长柱具有良好的承载能力和弹塑性破坏模式，而短柱则为材料破坏；同时，试件的长径比、外套钢管壁厚和地聚物混凝土强度等因素对试件的承载能力、平均压缩力和耗能能力影响显著。Huang 等 ^[102] 对玄武岩纤维筋和钢筋加固的地聚物混凝土柱进行了冲击试验，并制备了普通硅酸盐水泥混凝土柱进行对比测试。测试和数值模型结果表明，地聚物混凝土柱在冲击载荷下显示出与普通混凝土柱类似甚至更好的冲击抗性。Sonal 等 ^[103] 以高炉矿渣和粉煤灰的组合作为原材料，以氢氧化钠和硅酸盐作为活性剂，开发了一种可在常温养护下发展抗压强度的开地聚物混凝土，并用该低聚物混凝土制作了预应力梁以测试其结构性能，结果表明常温养护下其承载能力与硅酸盐水泥混凝土相似，可在预应力结构使用。Tran 等 ^[104] 研究了受冲击载荷作用的纤维增强地聚物混凝土梁的剪切承载力。结果表明，在地聚物混凝土中加入钢纤维有助于提高梁的耐冲击性能。同时，在冲击锤和梁的接触处加入橡胶垫可改变梁的失效模式，从对角剪切失效变为弯剪复合失效。Aldemir 等 ^[105] 通过弯曲试验来研究全部由建筑废弃物制成的地聚物混凝土的剪切行为和力学性能。试验中分别采用具有再生骨料和天然骨料的地聚物混凝土，以及具有再生骨料和天然骨料的普通混凝土。结果表明，地聚物混凝土梁具有与相同等级的普通混凝土梁相似的性能。此外，在剪跨比较大的梁中使用再生骨料会导致破坏机理从受弯主导转向剪切主导。

总结上述内容可知，在过去的一年国内外学者探究了不同配合比对地聚物混凝土性能的影响，主要致力于促进其聚合反应，从而提高地聚物混凝土力学性能和微观结构的致密性，以获得高强、耐久的结构材料。此外，地聚物混凝土在轴向受压试验、冲击试验以及弯曲试验中的力学性能也得到了充分关注。建议在未来继续开发高强、高韧、高耐久地聚物混凝土材料，并探索其低排放、低成本的生产工艺和流程，特别是加强对地聚物混凝土在生态优势、环保优势以及再生资源利用方面的研究，以展示其在可持续性建筑中的应用前景。

2.3 超高性能混凝土相关研究

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）具有高强度、高韧性和高耐久性等特点。如何进一步改善UHPC的材料性能以及探索其在结构应用中的新形式是国内外研究者所关注的两类热点问题。具体而言，第一类问题是研究材料成分等因素对UHPC的工作性、耐久性以及力学性能的影响；第二类问题是研究UHPC在结构工程中的应用形式，以充分发挥其优良的性能。以下将详细总结2022年这两方面的研究进展。

在 UHPC 的材料与性能方面 ：郑晓博等 ^[106] 研究了硅灰、粗骨料和纤维用量对CA-UHPC流变性能的影响规律。结果表明，增加硅灰用量可增加屈服应力而降低黏度；增加粗骨料用量可增加屈服应力和黏度，并加剧剪切变稀现象；增加钢纤维掺量可增加屈服应力和黏度，同时也会加剧剪切变稀现象。Su 等 ^[107] 从宏观性能和微观层面的角度研究了不同速凝剂（SM，有碱粉状速凝剂；SF，含氟有碱粉状速凝剂；以及AF，含氟无碱液体速凝剂）对UHPC工作性和强度的影响。结果表明， UHPC的凝结时间和流动性随着速凝剂用量的增加而逐渐降低。与含氟的SF/AF相比，不含氟的SM更有利于UHPC早期强度增长，但使用含氟速凝剂（尤其AF）可获得更高的28天强度。Huang 等 ^[108] 考察了碳纳米管和石墨纳米片对UHPC的C-S-H组成、结构和纳米力学特性的影响，结果表明添加0.3%质量分数的上述纳米材料可使UHPC的抗压强度增加约20 MPa，强度增加的主要原因是纳米材料的晶核效应和填充效应可以细化UHPC的孔隙结构。Li 等 ^[109] 研究了碳纳米纤维（CNF）的分散程度对含CNF的UHPC的力学性能、工作性和渗透性的影响，利用扫描电镜直观地揭示了不同分散方法的分散效果。结果表明，采用剪切混合然后添加化学表面活性剂进行超声分散效果较好，可显著提升含CNF的UHPC的力学性能，芯吸试验及浸水试验的数据显示其抗渗性和抗氯离子侵蚀性也有所提高。Mahjoubi 等 ^[110] 提出了一个用于预测UHPC的抗压强度、抗弯强度、工作性和孔隙率的自动调谐学习框架。该框架结合了结构化和非结构化数据，可识别和去除数据集中的异常值和不适当变量，研究结果表明该框架具有较高的预测精度。使用该类模型研究混合设计变量对材料性能的影响，可以减少材料试验，从而提升新材料的开发速度。

为研究UHPC的力学性能，方志等 ^[111] 对强度等级150 MPa的15组共50个UHPC试件分别进行轴拉、弯拉和劈拉性能测试。结果表明，钢纤维掺量不超过1%时，UHPC轴拉行为为单缝开裂的应变软化特征，不小于2%时表现为多缝开裂的应变硬化特征，此外钢纤维的形状和掺量对各项强度及裂缝间距有影响，其中弯拉强度对其最为敏感。王晓飞等 ^[112] 通过三轴压缩试验得到了不同钢纤维含量的UHPC在不同围压下的内摩擦角和黏聚力值，并分析了它们随着钢纤维含量和围压变化的规律。结果表明，黏聚力随围压的增大而增大，内摩擦角随围压的增大而减小；在相同围压下，钢纤维体积含量为2%时黏聚力最大，内摩擦角最小，且钢纤维含量对内摩擦角的影响较小。为明确UHPC未硬化时暴露于车桥耦合振动下对其性能的影响，Wang 等 ^[113] 将试件固定在电动振动台上，系统评估了震动对UHPC的性能和微观结构演变的作用。结果表明，UHPC试件的抗压强度和干缩变形随振幅和频率的增加而逐渐增加；大振幅和频率会对钢纤维的角度和空间分布造成不良影响。邱明红等 ^[114] 通过对单侧浇筑的UHPC平板进行多向切割，分析切割角度和流动距离对UHPC弯拉性能的影响（图2.3）。结果表明，UHPC弯拉性能存在各向异性，对纤维取向较为敏感。随UHPC流动距离的增加，不同角度切割试件的弯曲峰值强度变化不同。李传习等 ^[115] 进行了18个带中心孔道的UHPC棱柱体试件的局压试验，以探究钢纤维长径比、局压面积比与钢纤维掺量对锚固区受力性能的影响。试验结果表明，局压受力可分为压密、弹性变形、外围混凝土及其与楔形体界面的裂缝发展、破坏四个阶段。UHPC局压承载力的计算仍可采用普通混凝土局压承载力公式的形式，但相关系数取值有所不同。

图 2.3 不同切割角度的 UHPC 试件断裂形态 ^[114]

在 UHPC 的结构应用方面 ，其超高的力学性能和耐久性使它成为建造桥梁结构的理想材料。采用UHPC可以减小构件尺寸，降低结构自重，并延长桥梁的使用寿命，降低桥梁维护费用。在桥梁结构中，防爆、防护和抗震等问题尤为重要。UHPC高强、高韧的特性使其能够有效地抵抗爆炸冲击和地震作用，从而保障桥梁结构的安全性。此外，UHPC 的抗渗性和耐腐蚀性也使其适用于长期暴露在恶劣环境中的桥梁结构。在桥梁工程中，UHPC主要用于桥梁主梁、桥面铺装、桥梁接缝以及对老旧桥梁的维修加固。

在UHPC用作主梁材料的相关研究中：王敏等 ^[116] 设计制作了6根HRB500级高强钢筋和3根HRB400级普通钢筋UHPC梁以研究其抗弯性能。试验结果表明，UHPC梁承载力随配筋率的增大而增大，最小配筋率建议为1.0%；对于HRB500钢筋UHPC梁，界限配筋率约为8.10%，建议取2.5% - 5.0%。Li 等 ^[117] 研究了一根长10米的UHPC预应力T型梁的弯曲性能、开裂力矩和极限抗弯承载力，并改进了UHPC本构模型以实现对其承载能力的精确计算，参数研究的结果表明适当增加预应力钢筋的配筋率可以有效提高UHPC梁的抗弯承载力。Zhou 等 ^[118] 通过对8个UHPC矩形试样进行扭转试验，研究钢纤维对无筋UHPC梁的扭转性能的影响。结果表明，加入钢纤维可显著提高UHPC梁的开裂扭矩和极限扭矩，其形状和尺寸都影响了UHPC梁的承载能力和开裂模式，建议在受扭的UHPC梁中混合使用1%端勾钢纤维和1%长直钢纤维，以兼顾性能和成本。Li 等 ^[119] 则研究了纯扭转下配筋UHPC梁的承载能力和破坏机理。12个实心矩形梁的试验数据表明，除了与普通混凝土类似的适筋、部分超筋和全部超筋的破坏模式外，UHPC梁还存在两个独特的破坏模式。此外，增加钢纤维含量可以提高扭转性能和有效配筋率，并且加入1.5%或以上的钢纤维可以替代箍筋。

在UHPC用作桥面板的相关研究中：崔冰等 ^[120] 研究了扎钉振捣和铺撒碎石振捣两种破膜排气振捣工艺，以提升粗骨料UHPC预制桥面板的抗裂能力。结果表明，扎钉振捣破膜排气工艺可以有效排出表层气泡，提高试件的麻面弯曲初裂强度；铺撒碎石虽然可以有效破膜，但会导致弯曲初裂强度降低；根据试验结果，给出了初始缺陷折减以及扎钉振捣次数与构件弯曲初裂强度的相关曲线和计算公式。邵旭东等 ^[121] 以滨州黄河大桥为背景，通过有限元分析和足尺抗弯试验，分析了两种UHPC矮肋面板方案的抗弯性能和适用性。结果表明，在面板底部设置钢板可以有效限制UHPC裂缝的发展，增加钢板厚度是提高极限弯矩的有效途径，窄而高的纵向加劲肋具有更高的受力效率。徐晨等 ^[122] 等研究了正交异性钢-UHPC组合桥面板短焊钉集群的抗剪性能，发现短焊钉破坏形态为焊钉根部剪断和周围UHPC的局部压溃，短焊钉集群的平均抗剪刚度和承载能力较单钉下降了18.1%和12.1%，其原因主要是群钉周边UHPC的损伤呈现明显的不均匀分布和连通。Huang 等 ^[123] 针对正交异性钢-UHPC组合桥面板在负弯矩下短焊钉的界面应力分布和滑移行为，分别建立了带有单个焊钉和单排焊钉的桥面板精细模型。基于模型分析结果提出了两种模型中剪力的拟合公式以及疲劳设计公式，并与实际工程数据对比以验证其有效性。

在UHPC用作桥梁构件连接的相关研究中：石雪飞等 ^[124] 以宁波市西洪大桥接线工程为背景，进行环形UHPC接缝试件的模型试验与数值模拟研究。结果表明接缝试件开裂荷载与整体现浇试件接近，但屈服荷载比整体现浇试件小。采用Abaqus软件进行数值模拟，给出了钢筋搭接长度、环缝深度和保护层厚度的推荐取值。Hu 等 ^[125] 提出了一种UHPC健齿干接缝的抗剪强度模型，该模型同时考虑了基材和钢纤维对UHPC健齿干接缝抗剪强度的贡献，并使用归回分析确定了折减系数以获得更准确的预测结果，最后通过与27次剪切试验的数据对比以验证该模型的准确性。Ye 等 ^[126] 对比了UHPC键齿胶接缝和干接缝的抗剪性能，结果显示胶结缝的破坏模式是伴随着环氧树脂剥落的脆性剪切破坏，而干接缝试件破坏处呈现出严重的UHPC破损和剥落；UHPC接缝的抗剪承载力随着侧向限制应力和键齿数量的增加而增加，且环氧接缝的剪切承载力高于干接缝。Qiu 等 ^[127] 测试了12个全尺寸预制拼装UHPC桥面板并分析其失效模式、载荷-位移曲线和开裂特征，结果表明矩形接缝的抗裂能力、开裂后刚度和抗弯承载力较低，但其延性较高；而T形接缝具有相对较高的抗裂抗力、开裂后刚度和抗弯承载力，但其延性较低。Tan 等 ^[128] 提出了一种UHPC桥面板接缝结构，以满足多跨混凝土简支T梁桥的快速建造和接缝结构的抗疲劳荷载需求。使用UHPC或钢纤维混凝土制作了桥面板接缝的全尺寸分段试件，并通过疲劳测试比较其性能，发现284万次疲劳加载后UHPC试件的残余强度为钢纤维混凝土试件的1.8倍。

在UHPC用作老旧桥梁维修加固的相关研究中：林上顺等 ^[129] 设计了3个矩形RC桥墩试件（1个未加固，2个采用内置钢筋网的UHPC加固），以初始应力水平为参数进行轴压承载力试验研究。试验结果表明，与未加固桥墩相比，2个UHPC加固桥墩的轴压承载力分别提升了173%和159%，且加固后轴压承载力随初始应力水平的提高而降低。Yuan 等 ^[130] 通过对一个为加固的混凝土桥墩和两个UHPC加固后的桥墩进行循环加载试验。试验结果显示，经过UHPC加固后，RC桥墩的曲率分布和破坏模式发生变化，强度和刚度得到了提高；50mm厚的UHPC加固层有助于显著减小残余位移和等效粘滞比，从而提高加固后桥墩的抗震性能。Yuan 等 ^[131] 还采用了类型方法研究了UHPC加固的钢筋混凝土桥墩在腐蚀环境下的抗震性能，考察了UHPC套筒长度和腐蚀水平对桥墩性能的影响。结果显示，钢纤维和钢筋腐蚀都会导致桥墩的刚度、延性和承载能力下降。此外，当钢筋的腐蚀程度相同时，UHPC套筒的长度越小，桥墩的刚度和强度退化越严重，耗能能力越差。Pelle 等 ^[132] 提出了一种利用UHPC修复受氯离子腐蚀的钢筋混凝土桥墩的方法，用其替换原来的普通混凝土保护层，同时利用新钢筋代替锈蚀后的纵筋，可在短时间内恢复桥墩的强度、刚度和延性，而不改变其横截面尺寸。最后通过参数学习研究，揭示了修复策略对修复桥墩性能的影响规律。Zhu 等 ^[133] 研究了使用UHPC在拉伸侧加固的混凝土桥面板的抗弯性能，以明确不同界面处理工艺对加固效果的影响。结果表明，UHPC层可增强已桥面板的抗弯承载力和刚度，并抑制裂缝的发展；使用嵌入式螺柱和粗糙表面结合的界面处理工艺效果更好。

虽然近年来UHPC在桥梁工程中的应用越来越多，但其较高的成本和严格的养护制度限制了其更广泛的应用。在材料方面，需要进一步研究UHPC的配合比、材料组分、生产工艺等方面，以降低成本和提高性能。在UHPC结构应用方面，需要进一步研究其设计方法和分析模型，并加强规范标准等方面的工作，以满足实际工程应用的需要，推动其规模化应用。

2.4 桥梁高性能FRP筋材相关研究

纤维增强复合材料( fiber reinforced polymer, FRP)筋作为一种新型高性能的复合材料，在土木工程中应用广泛。FRP筋与基材间的粘结性能是其关键指标之一，因为它决定了构件的整体性能。FRP筋的耐久性能是另一关键因素，因为它决定了构件的使用寿命。当上述指标满足要求时，将FRP筋应用到桥梁工程中，可以提高结构的承载能力和使用寿命。本节将围绕FRP筋的粘结性能、耐久性能及其在构件中的应用三个方面展开阐述

在 FRP 筋粘结性能方面 ：董恒磊等 ^[134] 研究了螺旋缠绕挤压肋FRP筋与混凝土间的粘结性能，明确了螺旋肋FRP筋的粘结机制。研究表明，混凝土强度和肋宽比对粘结强度的提升具有重要影响，增大相对肋高和混凝土肋宽比则会导致筋与混凝土间咬合层的损伤程度加大，二者的机械咬合作用增强，粘结强度相应增加。尹世平等 ^[135] 通过拉拔试验和有限元模拟研究了FRP筋与珊瑚骨料海水混凝土的界面粘结性能，发现增大粘结长度、筋材直径和混凝土强度可提高承载力，但大直径易导致脆性破坏，且高强度混凝土对增强承载力效果不明显。Hussain 等 ^[136] 通过对露在碱性溶液和海水中的BFRP筋加固混凝土试件进行了拉拔测试，研究了混凝土和BFRP筋之间的粘结强度。结果显示，两种侵蚀性介质都引发了混凝土和BFRP筋之间的粘结强度降低，但其残余粘结强度高于普通钢筋。赵军等 ^[137] 通过拉拔试验，分析了BFRP筋与地聚物混凝土的界面黏结破坏机理。结果表明BFRP筋表面形式对其黏结性能影响较大；黏结强度随着FRP筋直径和黏结长度的增加而降低，但随着混凝土强度和和保护层厚度的增加而提高。Peng 等 ^[138] 对81个嵌入CFRP筋的地聚物混凝土试件进行了拔出试验，结果表明地聚物混凝土强度增加可提高粘结强度而提高嵌入长度会降低平均粘结强度。此外，在地聚物混凝土中添加钢和 PVA 纤维对粘结强度仅有微小影响。

在 FRP 筋耐久性能 方面：赵齐等 ^[139] 研究了GFRP筋在海水海砂混凝土孔溶液环境下的损伤演化机理。结果表明，GFRP筋的抗拉强度和弹性模量随浸泡时间和孔溶液温度的增加而降低；腐蚀损伤主要由环氧基体交联结构的水解、界面相的失效以及玻璃纤维蚀刻引起；基于氢氧根蚀刻速率的损伤模型能够较准确地预测GFRP筋的蚀刻深度和抗拉强度。Guo 等 ^[140] 研究了碳纤维含量对混合纤维增强聚合物（HFRP）筋在模拟海水海砂混凝土孔溶液中的耐久性的影响。结果表明，增加碳纤维含量可显著降低HFRP筋的吸水量和强度退化；HFRP筋拉伸强度与其吸水量密切相关，吸水后树脂膨胀、水解和塑化会引发了HFRP筋的损伤。Guo 等 ^[141] 进一步研究了BFRP筋和HFRP筋嵌入海水海砂混凝土后耐久性能的差异。结果显示，HFRP筋的力学性能的劣化速度比BFRP筋更慢，其降解主要是由于树脂的水解以及玄武岩纤维中的二氧化硅发生碱硅反应，而碳纤维具有更好的耐腐蚀性能，因此HFRP筋比BFRP筋具有更好的耐久性。常宇飞等 ^[142] 通过分析81个拔出破坏的GFRP筋混凝土梁式试件的数据，建立了其短期锚固长度计算公式，然后测试了GFRP筋拉拔试件在海水浸泡和持续荷载耦合作用下的粘结强度，并修正短期锚固长度计算公式，得出其长期锚固长度计算公式。Liang 等 ^[143] 研究了含BFRP筋和箍筋的珊瑚骨料混凝土梁的耐久性，在高温高湿海洋环境下进行了加速降解试验，并探究了环境时间、温度和混凝土类型对梁力学性能的影响。结果表明短期内海洋环境对其力学性能的发展有益，但随着时间的增加，这种有益影响逐渐消失。Su 等 ^[144] 研究了碳纳米管 (CNT) 改性和喷砂对海水海砂混凝土梁中BFRP 筋耐久性的影响。结果表明，长期暴露在海水环境中的梁承载能力会降低，并由于BFRP筋粘结强度降低出现剪切-压缩破坏；CNT 改性和喷砂均可减缓BFRP筋粘结强度劣化，但效果会随时间减弱。

图 2.4 不同尺寸下 BFRP 筋及钢筋混凝土深梁的破坏模式 ^[147]

在 FRP 筋构件的性能方面： 周济等 ^[145] 通过轴压静力加载试验，观察了GFRP筋珊瑚海洋混凝土柱受力破坏过程，分析了试件受压破损机制。结果表明，增大纵筋或螺旋箍筋配筋率并不能显著提高柱的承载能力，但可提高其变形性能；在短期潮汐环境下，试件的承载力先降低后升高，而轴压延性呈波动变化趋势。Al-Rousan ^[146] 通过三维非线性有限元模拟分析了GFRP筋对不同温度下混凝土桥面板的性能影响，结果表明，与钢筋相比，采用GFRP筋桥面板的极限荷载、裂后刚度和耗能能力更高，且随着温度的升高，GFRP筋的优势更明显。金浏等 ^[147] 使用三维细观数值方法探究BFRP和钢筋混凝土深梁的剪切性能及尺寸效应（图2.4），结果表明BFRP筋混凝土深梁的剪切尺寸效应比钢筋混凝土深梁的更明显，剪跨比对梁剪切强度有影响，但对梁剪切尺寸效应影响不大。陈泰谷等 ^[148] 建立了包含478组FRP筋增强混凝土梁抗剪承载力的试验数据库，通过蒙特卡罗方法进行全局敏感性分析和可靠度分析。研究表明，加拿大规范中的抗剪承载力计算模型具有较小的误差和离散性；可靠度指标与荷载效应比以及FRP的材料分项系数呈正相关的关系。薛文远等 ^[149] 基于ABAQUS中的塑性损伤模型，建立了FRP筋UHPC梁的有限元模型，研究了截面尺寸、UHPC强度、FRP筋抗拉强度和配筋率等因素对梁受弯性能的影响规律，建立了受压破坏和受拉破坏模式下梁截面受弯承载力的理论计算公式。 Yuan 等 ^[150] 提出了同时采用GFRP筋和钢筋增强混凝土桥梁的方案，并在材料、桥墩和桥梁结构三个层次研究了其时变抗震性能。考虑GFRP筋的力学特性和腐蚀性建立了老化后桥梁的有限元模型，并进行动力时程分析桥梁的损伤演化。结果表明，使用GFRP筋替代部分钢筋可提高桥梁的承载能力并降低震后残余位移。

总结上述内容可知，因其良好的耐久性，过去的一年国内外学者深入研究了FRP筋在海水海砂混凝土、珊瑚骨料混凝土等腐蚀性环境中的性能。为了更好地应对严酷环境的挑战，有必要进一步研究不同种类和不同表面形式的FRP筋的粘结性能和耐久性。此外，还应该深入调查FRP筋在不同结构形式下的抗疲劳性能、抗震可靠性以及设计方法。这将有助于推广FRP筋在桥梁工程中的应用，以提高严酷环境中桥梁的服役期限。

3. 结语与建议

根据笔者查阅的2022年混凝土桥及其高性能材料的相关研究，结合近年来相关领域的研究热点，现将上述研究进展总结、展望如下：

（1）在混凝土桥研究方面：梳理了混凝土桥梁的整体及局部力学行为、运营维护、耐久性、时变性能以及极端环境对其性能影响的相关研究，发现建立精细数值模型实现对混凝土桥在地震、爆炸、撞击等极端荷载下高精度、低时间成本仿真分析是当前的研究热点。未来需要探究如何应用机器学习、拓扑优化等先进方法更加全面地辅助混凝土桥的设计与分析。同时建议继续进行多因素耦合作用下混凝土桥剩余使用寿命的预测研究，特别是结合桥梁健康监测数据，引入各类因素不确定性的量化方法，利用大数据、及云计算等手段，探寻更多高效预测方法以实现各种情况下的混凝土桥梁剩余寿命及性能的实时预测。此外，加快对计算机视觉以及无人机等技术的发展与应用，探究在腐蚀、疲劳荷载等多因素耦合作用下桥梁的智能化运营维护方案，可为目前众多老旧桥梁的运营维护提供有效解决方案。

（2）桥用高性能材料方面：就纤维混凝土而言，混合使用不同种类的纤维可以更好地优化混凝土性能，但纤维引入也可能会带来微观缺陷，因此纤维混凝土的耐久性需要进一步研究。目前的研究主要关注梁柱构件的性能，对尺寸效应的考虑尚不充分，需要进一步发展综合考虑构件承载能力和耐久性的构件设计方法。就地聚物混凝土而言，提高聚合反应和微观结构的致密性可以获得高强、耐久的材料。未来建议继续开发高性能地聚物混凝土材料，探索低排放、低成本的生产工艺，加强对其在生态环保和资源再生利用方面的研究，以充分发挥其在可持续性建筑中的潜力。就UHPC而言，近年来该材料在桥梁工程中应用越来越多，但仍受到成本和养护制度的限制，需要进一步研究材料配合比、组分、生产工艺，以降低成本，并加强结构设计方法和规范标准等方面的工作，以推动其更广泛的应用。就FRP筋材而言，过去一年国内外学者深入研究了其在腐蚀性环境中的性能。为了更好地应对严酷环境的挑战，需要进一步研究不同种类和表面形式的FRP筋的粘结性能和耐久性，以及其在不同结构形式下的抗疲劳性能、抗震可靠性和设计方法。

混凝土桥梁是公路和铁路交通运输领域重要的基础设施，其性能提高和技术创新具有重要的战略意义和工程价值。在未来研究中，首先应注重混凝土桥梁在结构设计和分析方法方面创新研究，并结合自动化技术和数字化技术实现桥梁运维的智能化管理。其次，应该加强对混凝土材料的性能改善，尤其是在提高混凝土构件的韧性、延展性和抗裂性能、改善混凝土及筋材的耐久性等方面进行深入研究，同时注重材料的环保和可持续性。总之，未来面向混凝土桥的研究应注重材料性能改善、结构设计创新、智能运营维护，从而为提高混凝土桥梁的安全性、可靠性和经济性提供技术支持。

团队人员介绍

占玉林 ，占玉林，男，博士，教授，博士生导师，M.ASCE。主要研究兴趣为高性能复合材料、混凝土及钢-混凝土组合结构桥梁、山区混凝土及组合结构桥梁震灾防治等方面。“天府学者”特聘专家，四川省青年科技创新研究团队带头人，四川省学术与技术带头人后备人选，西南交通大学“雏鹰学者”、西南交通大学“教书育人”优秀奖和“唐立新”优秀教学教师奖获得者。中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会理事、四川省科技青年联合会理事、北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会第五届委员会委员、成都市侨联第一届青年委员会副会长、四川省建筑业协会混凝土分会科学技术专业委员会副主任、美国ASCE学会大中华区理事、四川省侨联特聘专家委员会专家。担任《交通运输工程学报》、《铁道科学与工程学报》青年编委，主持和主研包括国家自然科学基金、国家重点研发项目、973和863项目在内的项目60余项，发表学术论文100余篇，获专利10余项，专著1部，获软件著作权5项。曾获安徽省科学技术奖、中国交通运输协会、住房和城乡建设部华夏建设科学技术奖、四川省教学改革成果奖等奖项。电子邮箱：yulinzhan@swjtu.edu.cn。

李颖雄 ，男，博士，助理研究员。长期致力于高性能混凝土结构性分析与优化设计方法研究。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金等科研项目4项，参与国家自然科学基金和德国科学基金（DFG）等科研项目6项。以第一/通讯作者身份在Composites Part B: Engineering、International Journal of Mechanical Sciences以及计算力学学报等期刊上发表学术论文十余篇，其中中科院一区论文5篇。担任南方计算力学联络委员会委员及Engineering Structures、Journal of Mountain Science等国际期刊审稿人。联系邮箱：liyingxiong@swjtu.edu.cn。

李治仑 ，男，博士研究生。主要研究兴趣为先张法UHPC构件的预应力传递、铁路节段预制梁键齿接缝的抗剪性能等方面。参与国家自然科学基金面上项目1项，四川省自然科学基金青年项目1项，西南交通大学学科交叉基础研究项目1项，参与横向课题2项。在Construction and Building Materials、Structure and Infrastructure Engineering等高水平SCI期刊发表英文学术论文4篇，电子邮箱：lizhi-lun@my.swjtu.edu.cn。

孙约瀚 ，男，博士研究生。研究方向为桥梁抗震及高性能复合材料等方面。参与国家自然科学基金、四川省科技厅项目等科研项目4项。发表学术论文9篇，其中SCI检索2篇，EI检索2篇。授权发明专利1项，实用新型专利2项，软件著作权1项。联系邮箱：yuehansun@my.swjtu.edu.cn。

李鹏，男，硕士生。主要研究方向为混凝土桥梁结构行为。联系邮箱：2672487070@qq.com。

赵丽，女，硕士生。主要研究方向为混凝土材料方向。联系邮箱：zhaoli1005@outlook.com。

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