Research and Application of an Evaluation System for the Flexural Cost Performance Ratio of UHPC Beam Components

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250163

Abstract

Abstract:

Ultra-high performance concrete (UHPC) has demonstrated significant application potential in beam components due to its excellent mechanical properties, durability, and environmental friendliness. However, the high material cost often leads to the misconception that UHPC structures offer low cost-effectiveness, which hinders their widespread engineering adoption. Existing studies mostly focus on optimizing the mechanical properties of UHPC components, but there is a notable lack of systematic evaluation regarding their flexural cost performance ratio. To address this gap, this paper established a comprehensive evaluation system for the flexural cost performance ratio of beam components, aiming to provide theoretical support for the rational design and engineering application of UHPC structures. Firstly, with “performance” and “cost” as the core considerations, an evaluation indicator for flexural cost performance ratio was constructed. Subsequently, the ultimate bending moment was selected to characterize the flexural performance of components, while the material cost per unit length of the pure bending segment was used to represent economic cost. Based on these, a quantifiable cost performance ratio indicator was established. Subsequently, the classic reference method was employed, taking conventional single-reinforcement rectangular beams with appropriate reinforcement as the reference benchmark. The cost performance ratio indicator was then rendered dimensionless throgh the range standardization method. On this basis, integreating probability theory and the K-means clustering algorithm, a grading system for flexural cost performance ratio was established, ensuring both scientific rigor and objectivity. Finally, the evaluation system was applied to comparatively analyze the differences in flexural cost performance ratio between conventional beam members and UHPC beam members. The research results show that the flexural cost performance ratio of reinforced concrete beams is independent of beam width but exhibits a positive correlation with both beam depth and material strength grade. In component design, priority should be given to combinations of higher-strength concrete and highe-strength steel reinforcement, and the substitution of tensile reinforcement with prestressed steel strands can also be considered. Furthermore, if UHPC is simplely used as a direct replacement for ordinary concrete in developing new components, it does not demonstrate an advantage in flexural cost performance ratio. Only through tailored designs that leverage the mechanical characteristics of UHPC and other construction materials can component forms with a high flexural cost performance ratio be achieved.

Key words: UHPC, beam component, evaluation system for cost performance ratio, flexural performance, grading

CLC Number:

TU375

FAN Xueming, YE Xiaohang, ZHOU Xiaopeng, YIN Shiling. Research and Application of an Evaluation System for the Flexural Cost Performance Ratio of UHPC Beam Components[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2026, 54(2): 112-122.

Figures/Tables 14

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Table 1

Relevant variables of α¯b"

变量名称	变量符号	分布区间
截面配筋面积	A_s	$A s, m i n, A s, m a x$
截面高度	h	$h m i n, h m a x$
保护层厚度	a_s	$a s, m i n, a s, m a x$
钢筋抗拉强度	f_yk	$f y k, m i n, f y k, m a x$
混凝土抗压强度	f_ck	$f c k, m i n, f c k, m a x$
单位体积钢筋价格	p_s	$p s, m i n, p s, m a x$
单位体积混凝土价格	p_c	$p c, m i n, p c, m a x$

Table 1

Fig.4

Fig.5

Table 2

Empirical grading of flexural cost performance ratio for beam-type components"

$α ¯ b$ 范围	抗弯性价比等级
< 0	需改进
［0，17）	合格
［17，42）	一般
［42，65）	较好
［65，83）	良好
［83，100）	优秀
≥ 100	卓越

Table 2

Fig.6

Table 3

Statistical results of standard values of flexural cost performance ratio for beam components with different structural forms"

构件编号	截面类型	$α ¯ b$	抗弯性价比等级
1	工字钢	-20.00	需改进
2		-20.13	需改进
3		-20.86	需改进
4		-21.50	需改进
5		-21.77	需改进
6		6.05	合格
7		4.27	合格
8	型钢混凝土组合	16.48	合格
9	型钢混凝土组合	21.39	一般
10	混凝土加固型钢	20.66	一般
11		18.43	一般
12		18.52	一般
13	钢骨混凝土	-0.54	需改进
14		1.69	合格
15		3.60	合格
16		2.41	合格
17		5.66	合格
18		8.60	合格
19	配筋混凝土	-0.87	需改进
20		8.30	合格
21		44.03	较好
22		63.44	较好
23		73.88	良好

Table 3

Fig.7

Table 4

Table 5

Statistical results of standard values of flexural cost performance ratio for reinforced concrete beams"

构件编号	截面类型	$α ¯ b$	抗弯性价比等级		构件编号	截面类型	$α ¯ b$	抗弯性价比等级
1	UHPC矩形	-6.68	需改进	27		UHPC方形	12.48	合格
2		-12.82	需改进	28		UHPC方形	29.66	一般
3		-12.39	需改进		29	UHPC T字形	-11.23	需改进
4		-11.37	需改进		30	UHPC T字形	-4.01	需改进
5		-22.58	需改进	31		普通混凝土方形	65.84	良好
6		-15.12	需改进	32			82.81	良好
7		-0.48	需改进	33			83.14	优秀
8		5.46	合格	34			90.99	优秀
9		0.22	合格	35			88.95	优秀
10		7.01	合格	36			89.61	优秀
11		16.01	合格	37			93.87	优秀
12		13.73	合格	38			93.72	优秀
13		-7.75	需改进	39			91.04	优秀
14		-1.38	需改进	40			88.06	优秀
15		9.29	合格	41			75.22	良好
16		10.70	合格	42			93.01	优秀
17		-12.24	需改进	43			84.05	优秀
18		-4.03	需改进	44			92.21	优秀
19		27.94	一般	45			115.99	卓越
20		45.32	较好	46			100.53	卓越
21		54.66	较好	47			98.43	优秀
22		25.18	一般	48			98.94	优秀
23		30.59	一般	49			96.52	优秀
24		12.77	合格	50			122.08	卓越
25		20.36	一般		51	普通混凝土矩形	-19.49	需改进
26	UHPC工字形	-12.22	需改进

Table 5

Fig.8

Table 6

Statistical results of standard values of flexural cost performance ratio for UHPC beam components"

构件编号	构件类型	$α ¯ b$	抗弯性价比等级
1	UHPC-NC预应力无腹筋U形组合梁	868	卓越
2	UHPC预应力工字梁	156	卓越
3		58	较好
4		69	良好
5		67	良好
6		68	良好
7	UHPC工字梁	39	一般
8	预应力钢筋混凝土梁	268	卓越
9	预应力混凝土梁	302	卓越
10	UHPC矩形截面	25	一般
11		31	一般
12		13	合格
13		20	一般

Table 6

References 37

[1]	钟蕴为，吴永魁，文许高媛，等．超高性能混凝土（UHPC）基本性能研究综述［J］．混凝土与水泥制品，2021（9）：1-4.
	ZHONG Yun-wei， WU Yong-kui， WEN Xu-gao-yuan，et al ．Summary of research on basic performance of ultra-high performance concrete［J］．China Concrete and Cement Products，2021（9）：1-4.
[2]	李玲，明阳，陈平，等．超高性能混凝土国内外研究与应用进展［J］．水泥工程，2020（2）：85-90.
	LI Ling， MING Yang， CHEN Ping，et al ．Research and application progress of ultra high performance concrete at home and abroad［J］．Cement Engineering，2020（2）：85-90.
[3]	付军，闵亦斌，王发洲，等．配筋UHPC梁抗弯性能试验与承载力简化计算［J］．混凝土，2023（11）：1-6.
	FU Jun， MIN Yibin， WANG Fazhou，et al ．Experimental of flexural performance and simplified calculation of bearing capacity of reinforcement UHPC beams［J］．Concrete，2023（11）：1-6.
[4]	周云，聂晶鑫，张保证，等．全预制拼接槽形UHPC梁抗弯抗剪性能试验研究［J］．湖南大学学报（自然科学版），2023，50（7）：1-11.
	ZHOU Yun， NIE Jingxin， ZHANG Baozheng，et al ．Experimental study on flexural and shear behavior of full precast splicing channel-shaped UHPC beams［J］．Journal of Hunan University （Natural Sciences），2023，50（7）：1-11.
[5]	高育欣，朱文凯，罗遥凌，等．配筋超高性能混凝土（UHPC）梁弯曲试验研究［J］．混凝土与水泥制品，2021（7）：67-70.
	GAO Yu-xin， ZHU Wen-kai， LUO Yao-ling，et al ．Research on bending behavior of reinforced ultra-high performance concrete（UHPC） beams［J］．China Concrete and Cement Products，2021（7）：67-70.
[6]	梁兴文，汪萍，徐明雪，等．配筋超高性能混凝土梁受弯性能及承载力研究［J］．工程力学，2019，36（5）：110-119.
	LIANG Xing-wen， WANG Ping， XU Ming-xue，et al ．Investigation on flexural capacity of reinforced ultra high performance concrete beams［J］．Engineering Mecha-nics，2019，36（5）：110-119.
[7]	范俊奇，郭鹏，谢晓庚，等．弯曲荷载下钢纤维对配筋UHPC梁结构性能和非均匀变形的影响［J］．防护工程，2023，45（4）：7-13.
	FAN Junqi， GUO Peng， XIE Xiaogeng，et al ．The effect of steel fiber on UHPC beam structural performance and non-uniform deformation under bending load［J］．Protective Engineering，2023，45（4）：7-13.
[8]	王敏，高立强，王康宁，等．高强钢筋UHPC梁抗弯性能及承载力试验研究［J］．桥梁建设，2022，52（6）：87-94.
	WANG Min， GAO Li-qiang， WANG Kang-ning，et al ．Experimental study on flexural behavior and bearing capacity of UHPC beams reinforced with high-strength steel bars［J］．Bridge Construction，2022，52（6）：87-94.
[9]	邓宗才，王义超，肖锐，等．高强钢筋UHPC梁抗弯性能试验研究与理论分析［J］．应用基础与工程科学学报，2015，23（1）：68-78.
	DENG Zongcai， WANG Yichao， XIAO Rui，et al ．Flexural test and theoretical analysis of UHPC beams with high strength rebars［J］．Journal of Basic Science and Engineering，2015，23（1）：68-78.
[10]	唐长久．超高性能混凝土型钢梁受弯性能试验研究［D］．长沙：湖南大学，2019.
[11]	王有成．预制混凝土板加固钢梁的抗弯性能研究［D］．济南：山东大学， 2023.
[12]	刘君平，徐帅，陈宝春．钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究［J］．工程力学，2018，35（11）：92-98，145.
	LIU Jun-ping， XU Shuai， CHEN Bao-chun ．Experimental study on flexural behaviors of steel-UHPC composite girders and steel-conventional concrete composite girders［J］．Engineering Mechanics，2018，35（11）：92-98，145.
[13]	李立峰，范昕，石雄伟，等．大比例预应力UHPC-T形梁抗弯性能试验研究［J］．土木工程学报，2018，51（5）：84-94，102.
	LI Lifeng， FAN Xin， SHI Xiongwei，et al ．Experimental study on flexural behavior of large-scale prestressed UHPC T-shaped beams［J］．China Civil Engineering Journal，2018，51（5）：84-94，102.
[14]	杨剑，方志．预应力超高性能混凝土梁的受弯性能研究［J］．中国公路学报，2009，22（1）：39-46.
	YANG Jian， FANG Zhi ．Research on flexural behaviors of prestressed ultra high performance concrete beams［J］．China Journal of Highway and Transport，2009，22（1）：39-46.
[15]	邵旭东，管亚萍，晏班夫．预制超高性能混凝土π形梁桥的设计与初步试验［J］．中国公路学报，2018，31（1）：46-56.
	SHAO Xu-dong， GUAN Ya-ping， YAN Ban-fu ．Design and preliminary experiments of UHPC π-shaped girder bridges［J］．China Journal of Highway and Transport，2018，31（1）：46-56.
[16]	SUN X， MA Y， JIANG F，et al ．Bending resistance mechanism of prestressed ultra-high performance concrete-reinforced concrete beam based on a full-scale experiment［J］．Advances in Structural Engineering，2024，27（10）：1746-1761.
[17]	STENGEL T， SCHIEßL P ．Life cycle assessment （LCA） of ultra high performance concrete （UHPC） structures［M］．Eco-efficient construction and building materials．Cambridge：Woodhead Publishing，2014：528-564.
[18]	王青．纤维网格增强超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究［J］．菏泽学院学报，2023，45（5）：65-71.
	WANG Qing ．Experimental study on shear behavior of reinforced concrete beams strengthened with fiber grid reinforced ultra-high performance concrete［J］．Journal of Heze University，2023，45（5）：65-71.
[19]	郭启雯，才鸿年，王富耻，等．材料适用性评价指标体系构建研究［J］．材料工程，2009（9）：9-12.
	GUO Qi-wen， CAI Hong-nian， WANG Fu-chi，et al ．Construction of index system of materials applicability evaluation［J］．Journal of Materials Engineering，2009（9）：9-12.
[20]	孟斌．轻型钢结构建筑结构构件节点分析与综合评价体系框架初探［D］．南京：东南大学，2018.
[21]	邓海旺．混凝土预制构件生产质量风险评价研究［D］．北京：北京交通大学，2020.
[22]	陈汉宇．基于精益建造理论的桥梁预制构件生产质量评价研究［D］．徐州：中国矿业大学， 2021.
[23]	韩佳丽．绿色智能建造评价体系研究及案例分析［D］．青岛：青岛理工大学，2024.
[24]	徐洛屹，杨再银．我国墙体材料评价体系研究［J］．建筑材料学报，2006，9（1）：77-85.
	XU Luo-yi， YANG Zai-yin ．Estimating system on the wall materials of China［J］．Journal of Building Materials，2006，9（1）：77-85.
[25]	汪振双，王立国．绿色建筑背景下建筑材料绿色度评价和认证体系研究［J］．建筑经济，2015，36（1）：108-112.
	WANG Zhenshuang， WANG Liguo ．Research on the green degree evaluation and certification system of building materials under the background of green building［J］．Construction Economy，2015，36（1）：108-112.
[26]	高宇．在用混凝土桥梁构件耐久性指标体系的研究［D］．重庆：重庆交通大学，2012.
[27]	任晓宇，周亚萍，郭树荣．全生命周期视角下装配式建筑可持续发展评价体系研究［J］．建筑经济，2019，40（9）：95-99.
	REN Xiaoyu， ZHOU Yaping， GUO Shurong ．Research on evaluation system of prefabricated building sustainable development from the perspective of life cycle［J］．Construction Economy，2019，40（9）：95-99.
[28]	蒋水珍，罗若帆，叶永富，等．适筋梁与超筋梁极限承载力不同计算方法对比［J］．江西建材，2019 （3）：108-109，111.
	JIANG Shuizhen， LUO Ruofan， YE Yongfu，et al ．Comparison of different calculation methods for ultimate bearing capacity of reinforced beams and over-reinforced beams［J］．Jiangxi Building Materials，2019（3）：108-109，111.
[29]	混凝土结构设计规范：（2015年版）［S］．
[30]	中国水泥网．水泥价格行情查询平台［DB/OL］．（2024-06-14）［2024-09-12］．.
[31]	我的钢铁网．钢材价格查询平台［DB/OL］．（2024-06-14）［2024-09-12］．.
[32]	王铁成．混凝土结构设计原理［M］．北京：中国建筑工业出版社，2016.
[33]	朱明．数据挖掘［M］．合肥：中国科学技术大学出版社，2002.
[34]	卜良桃，刘华刚．粘贴钢板加固型钢梁受弯试验研究［J］．公路工程，2020，45（3）：38-43.
	BU Liangtao， LIU Huagang ．Experimental study on the flexural capacity of steel beams strengthened by steel plate［J］．Highway Engineering，2020，45（3）：38-43.
[35]	陈安英，邓松，高鹏，等．HRB600级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究［J］．合肥工业大学学报（自然科学版），2023，46（2）：212-220.
	CHEN Anying， DENG Song， GAO Peng，et al ．Experimental study on flexural performance of concrete beams with HRB600 steel bars［J］．Journal of Hefei University of Technology （Natural Science Edition），2023，46（2）：212-220.
[36]	宋鹏程，沈毅，种迅，等．配置HRB635高强钢筋的混凝土梁受弯性能试验研究［J］．地震工程与工程振动，2024，44（2）：108-115.
	SONG Pengcheng， SHEN Yi， CHONG Xu，et al ．Experimental study on flexural performance of reinforced concrete beams with HRB635 high-strength reinforcement［J］．Earthquake Engineering and Enginee-ring Dynamics，2024，44（2）：108-115.
[37]	张利梅，赵顺波，黄承逵．预应力高强混凝土梁延性性能分析与试验研究［J］．工程力学，2005，22（3）：166-171.
	ZHANG Li-mei， ZHAO Shun-bo， HUANG Cheng-kui ．Experimental study of ductility of prestressed high-strength concrete beams［J］．Engineering Mechanics，2005，22（3）：166-171.

材料类型	材料等级	价格/（元·t^-1）
高强钢筋	HRB600	4 526
高强钢筋	HRB635	5 294
高强混凝土	C60	276