縱筋率對高強鋼筋RPC 簡支梁受剪性能的影響

曹 霞，唐 婷，彭金成，金凌志

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林541004)

0 引 言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)具有高強度、高韌性、高耐久性以及低滲透率等特點［1-2］，自1993 年由法國BOUYGUES 公司研制成功以來，引起了國際上工程界的重視。以往的研究［3］表明，縱筋率是影響無腹筋簡支梁的受剪性能的重要因素之一。季文玉等［4］通過對集中荷載作用下的T 形梁抗剪試驗研究，證實了梁的抗剪承載力隨著縱筋率的提高而提高;張浦［5］認為在小剪跨比的情況下，增大縱筋率可以有效提高梁的抗剪承載力;曹媛萍［6］研究了RPC 無腹筋梁受剪破壞的機理，以及RPC 的強度、截面形式、剪跨比、縱筋率等對抗剪承載力的影響。RPC 的強度和彈性模量都比普通混凝土高很多，其界限配筋率可以達到10%［7］，縱筋的抗剪作用不容忽略。HRB500 鋼筋因為具有高強度和良好的韌性，已被《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)列入混凝土構(gòu)件的主導受力鋼筋，金凌志等［8］的研究顯示，高強鋼筋與活性粉末混凝土組合梁的抗剪協(xié)同性良好，抗剪性能優(yōu)于普通混凝土梁，縱筋率對梁的抗剪承載力有一定影響。國內(nèi)外雖然己開展活性粉末混凝土梁的試驗和理論研究，但是對于HRB500 鋼筋RPC 梁的研究較少。為了探討這種新型材料結(jié)構(gòu)協(xié)同抗剪的工作性能，本文設(shè)計了3 個不同縱筋率試件，通過試驗分析縱筋率對HRB500 鋼筋RPC 梁受剪性能的影響，為HRB500 鋼筋PRC 梁的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本次試驗共設(shè)計了3 根梁試件，梁截面尺寸150 mm×250 mm，長度2 200 mm?？v向鋼筋采用HRB500 級，直徑25 mm，架立筋HPB300 級，直徑6 mm。為了防止彎曲破壞先于剪切破壞發(fā)生，配置了較多縱筋，根據(jù)文獻［7］活性粉末混凝土適筋梁的最大配筋率可以達到10%，故選取ρs分別為4.43%、6.39%和8.04%。試驗梁參數(shù)詳見表1，試驗配合比見表2。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

表2 活性粉末混凝土(RPC)配合比1Tab.2 Mix of Reactive Powder Concrete(RPC)

1.2 測點布置及加載方案

在梁跨中、加載點及支座處放置百分表，以量測試驗過程中每一級荷載下梁的位移;在剪跨區(qū)的縱筋上貼電阻應(yīng)變片測量縱筋的應(yīng)變;在剪跨區(qū)沿45°方向布置應(yīng)變花以量測混凝土的應(yīng)變，試件測點的具體布置詳見圖1。采用兩點對稱集中加載，加載裝置如圖2 所示。

圖1 試件測點布置圖Fig.1 Location of gauges

圖2 試驗加載裝置圖Fig.2 Test loading device

1.3 材性試驗

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB.T50081-2002)的規(guī)定，澆筑試驗梁的同時澆筑了6 個100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊和3 個100 mm×100 mm×300 mm 棱柱體試塊，與試驗梁在同條件下養(yǎng)護28 d 之后，測得立方體抗壓強度fcu、劈裂抗拉強度fts和抗壓強度fc，軸心抗拉強度按ft=0.75fts［9］進行換算，其具體數(shù)值如表3 所示。

表3 RPC 力學性能Tab.3 Mechanical properties of RPC MPa

通過鋼筋拉伸試驗，得到如表4 所示鋼筋的力學性能參數(shù)。

表4 鋼筋力學性能Tab.4 Mechanical properties of reinforcing bars

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及裂縫形態(tài)描述

①與普通鋼筋混凝土受剪梁類似［10］，當荷載加大到一定值時，先在試件跨中部位出現(xiàn)垂直的彎曲裂縫，裂縫的寬度較小，并且隨著荷載的增加緩慢發(fā)展。繼續(xù)加載到極限荷載的25%左右時，在梁的剪跨區(qū)腹部靠近中和軸處首先出現(xiàn)腹剪斜裂縫，隨著荷載的增加，斜裂縫向上、下延伸至加載點及支座處，裂縫寬度也有一定的增加，并伴隨有鋼纖維不斷被拔出的聲音;

②與普通混凝土梁不同的是，活性粉末混凝土梁所有裂縫的表面都較光滑平整，因為其組分不含粗骨料，不存在粗骨料與砂漿接觸面的薄弱界面［11］。普通混凝土矩形梁一般在剪跨區(qū)先出現(xiàn)垂直彎曲裂縫，再由彎曲裂縫斜向發(fā)展成彎剪斜裂縫，而本次試驗的三根梁均首先在梁的腹部靠近中和軸的位置處出現(xiàn)腹剪斜裂縫，這與文獻［3］、［12］中的試驗現(xiàn)象相吻合，因為RPC 強度高，梁底部受拉縱筋配筋率的界限值也較高，對底部一定范圍內(nèi)的混凝土約束作用較強，可以有限抑制該區(qū)域內(nèi)的裂縫擴展，上升到一定高度后，這種約束減弱，不在約束區(qū)域的腹部混凝土其主拉應(yīng)力首先達到抗拉強度，產(chǎn)生腹剪斜裂縫，裂縫向上下發(fā)展延伸，中間較寬兩頭較細，呈紡錘形;

③因為活性粉末混凝土中鋼纖維的阻裂作用，試驗梁底的彎曲裂縫相比普通混凝土也明顯減少，且試件破壞時沒有出現(xiàn)沿縱筋方向的撕裂裂縫，這是由于鋼纖維的“橋架”作用［13］，提高了骨料間的咬合能力，限制了撕裂裂縫的形成;

④由圖3 可以看出，隨著縱筋率的提高，裂縫之間的間距明顯減小，彎曲裂縫的發(fā)展高度和寬度都有減小的趨勢，斜裂縫的條數(shù)增多，且向支座靠近。

圖3 試驗梁裂縫示意圖Fig.3 Crack of test beam

2.2 破壞形態(tài)

本次試驗梁的剪跨比為2.26，3 根梁均發(fā)生剪壓破壞，眾多斜裂縫中的一條發(fā)展成為臨界主斜裂縫，向上、下延伸到加載點和支座，在極限荷載作用下，斜裂縫頂端的混凝土被壓碎導致梁破壞?？梢娍v筋率對梁的破壞形態(tài)并不起關(guān)鍵作用，影響活性粉末混凝土梁破壞形態(tài)的最主要因素仍然是剪跨比，這與1 ＜λ ≤3 的普通鋼筋混凝土梁常發(fā)生剪壓破壞相似。

圖4 L－3 破壞形態(tài)Fig.4 Failure patterns of L－3

各試件在同級荷載下的斜裂縫寬度如表5 所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著縱筋率的提高，在同級荷載作用下，主斜裂縫的寬度減小。圖4 表明，縱筋處的斜裂縫寬度明顯減小，可見縱筋對斜裂縫寬度的發(fā)展有一定的抑制作用。隨著荷載的增加，裂縫寬度增加，接近極限荷載時，透過裂縫觀測儀清楚地看到，構(gòu)件破壞時主斜裂縫界面處，鋼纖維已被拔出、拉斷，裂縫寬度迅速加大。

表5 斜裂縫寬度Tab.5 Diagonal crack width mm

2.3 荷載—撓度曲線分析

通過圖5 的荷載—撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，試件開裂后，曲線斜率并沒有發(fā)生太大的變化，這與普通混凝土梁開裂后，產(chǎn)生梁的內(nèi)力重分布，其剛度衰減比較大，導致斜率明顯減?。?4］有所不同。由于鋼纖維的“橋架”作用，有效約束了斜裂縫的開展，裂縫之間的鋼纖維可以繼續(xù)承受荷載，使得梁的剛度并沒有明顯減小，直到鋼纖維被拔出和拉斷。對比L-1 ～L-3，在達到L-1 的極限荷載601 kN 時，L-1 的撓度為13 mm，L-2 和L-3的撓度分別為11.6 mm 和7.7 mm，可以發(fā)現(xiàn)隨著縱筋率的提高，相同荷載下梁的撓度明顯減小，表明梁的剛度隨著縱筋率的提高而提高，L-3 的變形能力明顯高于L-2 和L-1，說明隨著縱筋率的提高，試件的變形能力也相應(yīng)提高。3 根試件的曲線在峰值點處都沒有一段平直段，即達到極限荷載后，試件的剛度迅速減低，破壞表現(xiàn)出一定的脆性。

圖5 荷載—撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves

2.4 縱筋率對承載力的影響分析

由圖6 可以看出，極限荷載跟縱筋率之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，隨著縱筋率的提高而提高，當縱筋率由4.43%提高到6.39%時，極限荷載提高了18.6%;縱筋率由6.39%提高到8.04%時，極限荷載提高了19.3%。L-1 和L-2 的斜向開裂荷載接近，L-3 的開裂荷載有一定的提高，可見開裂荷載雖然主要受混凝土強度的影響，但由于縱筋的銷栓作用等，縱筋率的提高也會在一定程度上提高梁的斜向開裂荷載。本試驗可能因為某種偶然因素，使L-2在加載前已經(jīng)存在薄弱處，造成L-2 的開裂荷載并沒有提高。

圖6 斜向開裂荷載和極限荷載與縱筋率的關(guān)系曲線Fig.6 Diagonal crack load and ultimate load-longitudinal reinforcement ratio curves

3 運用桁架—拱模型對試驗結(jié)果進行分析

無腹筋矩形截面簡支梁在對稱集中荷載作用下的剪力傳遞機理，可看成是由底部縱筋和混凝土共同組成的拉桿拱結(jié)構(gòu)，縱筋視為拉桿，將臨界斜裂縫的方向定為混凝土壓桿的方向?；钚苑勰┗炷恋膹姸容^高，構(gòu)件不會發(fā)生因混凝土壓碎而導致的拱破壞，抗剪承載力主要取決于縱筋的拉桿強度，縱筋的強度越高，構(gòu)件的抗剪承載力就越高?？v筋的抗剪作用主要是平衡受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力，所以縱筋率越高，剪壓區(qū)的高度就越大，“拱”的作用也就越明顯。特別是在小剪跨比的情況下，構(gòu)件“拱”的作用更加明顯，所以提高縱筋率可以有效提高高強鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件的抗剪承載力。

文獻［15］在桁架—拱模型的基礎(chǔ)上推導了無腹筋矩形截面簡支梁，在集中力作用下的抗剪承載力計算公式(1)，假定在極限荷載作用下，混凝土不承受拉力，抗壓強度在有拉應(yīng)變存在的情況下會產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。且忽略縱筋的銷栓作用和混凝土的骨料咬合作用，鋼筋只能在其軸線方向上承擔拉力或壓力。

式中，α=σs/(1.1fc)=5.25，混凝土抗壓的有效系數(shù)νc取為0.8［16］。

4 試驗結(jié)果與理論計算對比分析

為了驗證公式(1)的適用性，將其計算值與試驗實測值和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)抗剪承載能力計算值進行對比分析，見表6。其中Vcs為公式(1)計算結(jié)果，VGB為按規(guī)范計算結(jié)果，Vu為實測值，混凝土和鋼筋強度值均采用實測值。

表6 按公式計算的斜截面抗剪承載力的對比Tab.6 Comparison of the calculated according to the formula of the shear strength

由表6 得出:①按公式(1)計算出的抗剪承載力與實測值的符合程度明顯高于規(guī)范公式值，與實測值隨著縱筋率的提高而提高的規(guī)律相符。但是由于沒有考慮混凝土承受的拉力，使得計算值明顯低于實測值，可見活性粉末混凝土的抗拉作用不可忽視;②按規(guī)范公式計算出的抗剪承載力呈現(xiàn)出較大的離散性，且隨著縱筋率的提高，反而導致了抗剪承載力計算值的降低，這是因為縱筋率的提高可能減小了構(gòu)件的有效高度，因為規(guī)范公式中沒有考慮縱筋率對抗剪承載力的貢獻，結(jié)果雖然偏于安全，但卻明顯偏小，不符合實際情況。RPC 梁的縱筋適筋率可以達到10%左右，其縱筋的抗剪作用更不容忽視。

5 結(jié) 論

①由于較高縱筋率的縱筋對底部一定范圍內(nèi)的活性粉末混凝土具有較強的約束作用，試驗梁在剪跨區(qū)首先出現(xiàn)腹剪斜裂縫，很少形成彎剪斜裂縫;縱筋對斜裂縫的寬度發(fā)展也有一定的抑制作用，在縱筋處裂縫寬度明顯減小;隨著縱筋率的提高，試件的變形能力也得到提高;

②3 根試驗梁均發(fā)生剪壓破壞，縱筋率對梁的破壞形態(tài)并不起關(guān)鍵作用，剪跨比依然是影響活性粉末混凝土梁破壞形態(tài)的主要因素;

③極限荷載隨著縱筋率的提高而提高，縱筋率由4.43%提高到6.39%和8.04%時，極限荷載提高了18.6%和19.3%，但斜向開裂荷載受縱筋率的影響較小;

④按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)計算的高強鋼筋RPC 梁抗剪承載力與試驗實測值存在較大差異。

［1］ 黃卿維，吳永銀，杜任遠，等.活性粉末混凝土人行天橋試設(shè)計研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2012，37(4):751-755.

［2］ 唐愛華，王尚偉，曹霞，等.不同礦物摻合料對RPC 保護層厚度的影響分析［J］.廣西大學學報:自然科學版，2014，39(4):913-919.

［3］ 張川，陳臣，張百勝.集中荷載作用下縱筋率對鋼筋混凝土無腹筋簡支梁受剪性能的影響［J］.重慶建筑大學學報，2003，25(6):33-38.

［4］ 季文玉，丁波，安明喆.活性粉末混凝土T 形梁抗剪試驗研究［J］.中國鐵道科學，2011，32(5):38-42.

［5］ 張浦.基于軟化桁架理論的RPC 梁斜截面抗剪承載力研究［D］.北京:北京交通大學土木建筑工程學院，2011.

［6］ 曹媛萍.活性粉末混凝土(RPC)無腹筋簡支梁斜截面承載力研究［D］.北京:北京交通大學土木建筑工程學院，2004.

［7］ 鄭文忠，李莉，盧珊珊.鋼筋活性粉末混凝土簡支梁正截面受力性能試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2011，32(6):125-133.

［8］ 金凌志，祁凱能，曹霞.高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁受剪性能試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2013，35(8):108-113.

［9］ BENJAMIN A G.Characterization of the behavior of ultra-high performance concrete［D］.College Park，Maryland，American:The University of Maryland Faculty of Engineering，2005:300-370.

［10］蔣寧.剪跨比為1.5 的無腹筋簡支梁受剪性能試驗研究及有限元分析［D］.重慶:重慶大學土木工程學院，2005.

［11］劉娟紅，宋少民.顆粒分布對活性粉末混凝土性能及微觀結(jié)構(gòu)影響［J］.武漢理工大學學報，2007，29(1):26-29.

［12］陳彬.預(yù)應(yīng)力RPC 梁抗剪性能研究［D］.長沙:湖南大學土木工程學院，2007.

［13］張宏戰(zhàn)，黃承逵.鋼筋鋼纖維高強混凝土箍筋梁剪切延性分析［J］.大連理工大學學報，2005，45(3):422-426.

［14］楊文星，史慶軒，張成中.高強箍筋高強混凝土梁抗剪試驗研究［J］.西安建筑科技大學學報:自然科學版，2012，44(2):198-203.

［15］狄謹.無腹鋼筋混凝土梁的抗剪承載力［J］.長安大學學報:自然科學版，2004，24(5):43-47.

［16］李國平.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)及設(shè)計原理［M］.北京:人民交通出版社，2004.