剪跨比對(duì)活性粉末混凝土梁抗剪性能的影響

金凌志，張 輝，高一鳴

(桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

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剪跨比對(duì)活性粉末混凝土梁抗剪性能的影響

金凌志，張 輝*，高一鳴

(桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

通過4根活性粉末混凝土(RPC)梁構(gòu)件的受剪試驗(yàn)，研究活性粉末混凝土在不同剪跨比條件下的破壞形態(tài)及剪切延性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：高強(qiáng)鋼筋RPC梁的剪切延性系數(shù)平均值達(dá)到0.892。隨著剪跨比的增大而增強(qiáng)，但增幅差異較大，其根本原因是剪跨比影響梁的剪力傳遞方式，剪力傳遞方式又決定了其剪切延性，當(dāng)剪跨比適中時(shí)，梁構(gòu)件發(fā)生剪壓破壞，其延性相對(duì)較好。

活性粉末混凝土梁；剪跨比；承載力；剪切延性

0 引言

活性粉末混凝土( reactive powder concrete，以下簡稱RPC)，因其耐久性、強(qiáng)度、延性高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中。延性是指材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服強(qiáng)度開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。在沖擊或振動(dòng)荷載的作用下，要求結(jié)構(gòu)有較好的延性，防止產(chǎn)生脆性破壞。不同于普通混凝土，RPC由級(jí)配連續(xù)、良好的活性組分組成，由于其材料組分的顆粒級(jí)配得到了良好的改善，RPC梁的抗剪性能優(yōu)于普通混凝土。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)RPC進(jìn)行了材料以及構(gòu)件進(jìn)行了大量研究，如張浦[1]為了研究不同剪跨比條件下，高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土(RPC)梁的剪切延性，對(duì)活性粉末混凝土簡支梁進(jìn)行抗剪性能試驗(yàn)，得出在適當(dāng)?shù)募艨绫葧r(shí)，隨著剪跨比增加，其剪切延性相對(duì)增加。張浦通過運(yùn)用MATLAB軟件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為在剪跨比較小的情況下，梁的抗剪承載力隨著縱筋率的增大可得到顯著提高。曹媛萍[2]以RPC無腹筋簡支梁的彎剪實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)PRC梁的截面形式、強(qiáng)度、剪跨比、縱筋率等影響抗剪承載力的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出無腹筋簡支梁承載力的計(jì)算公式。姚大立等[3]通過對(duì)試驗(yàn)梁破壞形態(tài)和剪切延性的影響規(guī)律的試驗(yàn)研究中表示，歸納出以下結(jié)論：剪切延性正比于剪跨比、配箍率、混凝土強(qiáng)度，反比于預(yù)應(yīng)力度水平，并擬合了預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁剪切延性系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。本文通過不同剪跨比條件下的試驗(yàn)及研究，對(duì)RPC梁的破壞形態(tài)和剪切延性進(jìn)行定性分析。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根無腹筋梁，主要參數(shù)為剪跨比、配箍縱筋率及鋼纖維體積率，參數(shù)見表1。

梁構(gòu)件集中加載在距支座a處兩點(diǎn)，采用四點(diǎn)彎的單調(diào)靜態(tài)加載試驗(yàn)[4]。在RPC剪跨段均粘貼電阻應(yīng)變片，通過靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。

RPC選用材料分別為：水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，微硅粉主要成份為二氧化硅(SiO2)的石英砂粒徑為0.4～0.6 mm，平均粒徑在0.1μm，硅微粉粒徑小于2μm，平均粒徑0.31μm左右；配合比見表2。

表1 試件主要參數(shù)

表2 活性粉末混凝土配合比

(注：鋼纖維為體積比，其他均為質(zhì)量比)

圖1 試驗(yàn)梁測點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

剪跨比為1.51的L1梁，呈斜壓破壞特征，在支座與加載點(diǎn)間出現(xiàn)較多密集且近似平行的斜裂剪跨區(qū)，可以看出,裂縫區(qū)出現(xiàn)明顯裂紋，隨著鋼纖維不斷拔出,在支座與加載點(diǎn)間出現(xiàn)較多密集且近似平行的斜裂縫，最后集中形成一條較寬的臨界斜裂縫，裂縫寬度不斷增長，最終導(dǎo)致L1梁的破壞，見圖2。

圖2 L1破壞形態(tài)及裂縫狀態(tài)

剪跨比為1.75的L2梁，呈剪壓破壞特征，主裂縫較為明顯，斜壓破壞和剪壓破壞的剪跨比界限在1.51到1.71之間，見圖3。

圖3 試件L2破壞形態(tài)及裂縫狀態(tài)

剪跨比為2.20的L3梁，也發(fā)生剪切破壞。剪跨比斜裂縫隨著荷載的不斷加大，在沿支座點(diǎn)與加載點(diǎn)連線的方向上不斷延伸，并出現(xiàn)部分細(xì)小的裂縫，最終貫通，試驗(yàn)梁構(gòu)件被剪斷，見圖4。

圖4 試件L3破壞形態(tài)及裂縫狀態(tài)

剪跨比為3.02的L4梁，其破壞形態(tài)和普通混凝土梁的斜拉破壞有點(diǎn)相似，隨著荷載增加， RPC梁的斜裂縫出現(xiàn)后，并非很快形成臨界斜裂縫，且極限荷載和開裂荷載的比值較大，斜裂縫的傾角明顯小于斜壓和剪切破壞梁。試驗(yàn)梁沿連通的斜裂縫破壞，但破壞荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開裂荷載，屬于剪壓破壞，見圖5。

圖5 試件L4破壞形態(tài)及裂縫狀態(tài)

從試驗(yàn)梁斜裂縫開展至剪切破壞的過程中可以觀察到，4根無腹筋試驗(yàn)梁高強(qiáng)鋼筋RPC僅出現(xiàn)兩種破壞形態(tài):剪壓和斜壓破壞，這也是局限于試件數(shù)量。L3，L4的開裂荷載相對(duì)較大，主斜裂縫出現(xiàn)后，斜裂縫開展緩慢,盡管鋼纖維發(fā)出被拔出的聲音，RPC梁的斜裂縫出現(xiàn)后，并非很快形成臨界斜裂縫，可見斜裂出現(xiàn)后，鋼纖維起到一定延緩裂縫開展的作用，隨著荷載增大時(shí)，試驗(yàn)梁隨著臨界斜裂縫的擴(kuò)大而貫通,最終而破壞。最后，剪跨區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了多條斜裂縫并伴隨著鋼纖維被拔出“噼里啪啦”的聲音，一聲悶響，試驗(yàn)梁沿連通的斜裂縫發(fā)生剪壓破壞。

綜上所述：(1)剪跨比越大，RPC梁的裂縫傾角越小，極限承載力越小；(2)剪跨比的不同導(dǎo)致試驗(yàn)梁破壞形態(tài)的不同。

3 剪切延性分析

鋼筋混凝土梁的斜截面破壞發(fā)生無預(yù)兆，具有突發(fā)性和瞬時(shí)性，屬于脆性破壞，該類破壞會(huì)給人們的人身和財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)越來越普遍，超高性能的活性粉末混凝土應(yīng)運(yùn)而生，為了推廣這種新型混凝土的工程應(yīng)用，對(duì)于活性粉末混凝土梁構(gòu)件的力學(xué)和延性的性能試驗(yàn)研究顯得十分必要。

評(píng)定不同剪跨比條件下，RPC梁構(gòu)件受剪切時(shí)斜截面的延性, 本文參考受彎構(gòu)件正截面延性鑒定的方法確定其剪切延性指標(biāo),對(duì)剪跨比不同的RPC梁進(jìn)行理論分析，引入延性系數(shù)：

(1)

其中：u—延性系數(shù)，無量綱的比值，一般鋼筋混凝土梁為4；

um—構(gòu)件破壞時(shí)的變形；

uy—屈服變形構(gòu)件底部縱向受拉鋼筋在外荷載作用下開始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的變形，該值對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線上的一個(gè)拐點(diǎn)。

由于沒有直徑大的粗骨料，各組份材料的邊界微裂縫少，咬合度高，提高了RPC微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和致密性，所以RPC梁的延性較好，本文4根梁的延性系數(shù)平均值為0.892。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出荷載-撓度曲線，見圖6，從圖中也可以看出，曲線從拐點(diǎn)到破壞，荷載-撓度曲線有相當(dāng)長的一段時(shí)間。

圖6 荷載-撓度曲線圖

從圖6可以看出，剪跨比越大，RPC梁的裂縫傾角越小。運(yùn)用摩爾應(yīng)力圓[5]進(jìn)行分析，單元體合力不變，正應(yīng)力越大，剪應(yīng)力越小，主拉應(yīng)力需要達(dá)到或超過RPC的極限，才能使RPC開裂。在集中荷載作用下,當(dāng)λ增大時(shí)，M/V的數(shù)值越大，水平方向的夾角θ越小。所以剪跨比在很大程度上決定了試件的承載力和破壞形態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)剪跨比對(duì)高強(qiáng)鋼筋RPC梁的延性影響相對(duì)較大，當(dāng)剪跨比減小時(shí)，梁的剪切斜裂縫發(fā)展速度較為緩慢，最終寬度較小，裂縫傾角也會(huì)隨著變大，抗剪承載力隨之增加。

(2)與普通鋼筋混凝土梁相類似，剪跨比在很大程度上決定了試件的承載力和破壞形態(tài)，但RPC梁的延性比較高。

(3)當(dāng)剪跨比減小時(shí)，RPC梁的剪切延性隨之減小。剪跨比影響梁的剪力傳遞方式，剪力的傳遞方式又決定了其剪切延性。當(dāng)適中的剪跨比時(shí),其延性相對(duì)較好，梁發(fā)生剪壓破壞。

[1] 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(xué),2011.

[2] 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(xué),2004.

[3] 姚大立,賈金青,余芳.預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁剪切延性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013(5):593-598.

[4] 中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB50164-2011)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[5] Vecchio F J, Collins M P. The modified compression field theory for reinforced concrete elements subjected to shear[J]. ACI Structural Journal,1986(2):219-231.

(責(zé)任編輯：孫文彬)

Different Shear Span Ratio on the Shear Performance of Reactive Powder Concrete Beam

JIN Ling-zhi, ZHANG Hui*, GAO Yi-ming

(Guangxi Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Based on the shear test results of four pillars of reactive powder concrete beams, the effects on failure modes and the shear ductility of the reactive power concrete under different shear span ratio were investigated. Test results indicate that the average value of shear ductility factor of high-strength concrete RPC beams can reach 0.892. With the increase of shear span ratio and shear ductility factor enhances, the rate of increase will be a large difference. The essential cause of the vast difference is that shear span ratio affects shear transfer mode of beams which determines the shear ductility. When shear span ratio is moderate, the ductility of beams with shear-compression failure is relatively well.

reactive powder concrete beam; shear span ratio; carrying capacity; shear ductility

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368013)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)基金項(xiàng)目(2015-A-02)

金凌志(1959-)，女，湖南雙峰人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。 *為通訊作者。

TU375.1

A

1009-7961(2016)05-00024-04