間接加載高強鋼筋RPC梁受剪性能試驗

曹霞， 陳逸聰， 宋亞運， 金奇志

(1. 廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2. 桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

間接加載高強鋼筋RPC梁受剪性能試驗

曹霞1,2， 陳逸聰1,2， 宋亞運1,2， 金奇志1,2

(1. 廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2. 桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

為了研究間接加載對高強鋼筋活性粉末混凝土(RPC)梁受剪性能的影響，進行一批不同加載位置RPC梁的試驗，分析其對裂縫、撓度、抗剪承載力及破壞形態(tài)等方面的影響.結果表明：挑耳在上部和挑耳同梁等高的間接加載RPC梁的裂縫發(fā)展趨勢相近，裂縫的增長速度比直接加載梁慢，而挑耳在下部的試驗梁裂縫發(fā)展迅速，并在主梁上形成拱形裂縫；加載方式對RPC梁的剛度影響不大；挑耳在上部和挑耳同梁等高的間接加載RPC梁的極限承載力并不比直接加載RPC梁低；挑耳在下部的間接加載RPC梁發(fā)生了一定程度的拉脫破壞，從而導致其極限承載力比直接加載RPC梁降低25%左右；間接加載梁的開裂荷載比直接加載梁都提高25%左右；挑耳在梁上部及挑耳同梁等高的RPC主梁可不配置附加橫向鋼筋，挑耳在梁下部的主梁可以減少附加橫向鋼筋的配置量.

高強鋼筋； 活性粉末混凝土； 間接加載； 加載位置； 受剪性能

1993年,法國BOUYGUES公司成功研制出一種具有超高強度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復合材料——活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)[1]，并引起了國際工程界的重視.國內(nèi)外已經(jīng)開展了較多的RPC材料性能及構件的試驗研究[2-4]，但對間接加載下RPC梁的試驗研究較少.對于普通混凝土梁，Taylor[5]試驗得出,無腹筋間接加載梁的抗剪強度比直接加載梁降低0%～70%；Zsutty[6]指出，有關無腹筋直接加載細長梁抗剪強度的方程，同樣適用于無腹筋間接加載梁.冒海智等[7]運用有限元程序分析了直接加載和3種間接加載情況下梁內(nèi)應力的分布，得出無吊筋間接加載簡支深梁的承載力比直接加載時低，降低幅度最大可達76%；鄧海等[8]對混凝土梁在間接荷載作用下的受力進行了分析，提出在確定附加橫向鋼筋的數(shù)量和位置時，應當考慮橫梁與主梁的位置關系對主梁抗剪承載力的影響.我國現(xiàn)行混凝土設計規(guī)范[9]提出對混凝土梁截面高度范圍內(nèi)的集中荷載處配置,宜采用箍筋的形式的附加橫向鋼筋.本文設計一批間接加載RPC試驗梁，分析不同加載方式對RPC梁裂縫、撓度、抗剪承載力及破壞形態(tài)等方面的影響.

1 試驗概況

1.1 試件設計

在實際工程中，次梁交于主梁的位置可分為次梁交于主梁的上部、下部,次梁和主梁等高這3種梁的相交方式[10].不同相交方式下，次梁對主梁的作用機理各不相同.

設計了4根高強鋼筋RPC試驗梁，采用L2，L3，L4等三種挑耳方式分別模擬不同的相交方式，挑耳位置及配筋示意圖,如圖1所示.圖1中：L1為直接加載無挑耳對比梁；L2為挑耳分布于梁上部；L3為挑耳分布于梁下部；L4為挑耳分布于梁全截面；無挑耳梁和有挑耳梁的主梁配筋相同，各梁挑耳配筋均一致.

為了避免箍筋以附加橫向鋼筋的形式對主次梁交界處的混凝土產(chǎn)生套箍作用，準確反映主次梁交界處混凝土的受力狀態(tài)，4根試驗梁均為無腹筋梁.試驗參數(shù)(挑耳相對于梁頂?shù)奈恢?：梁跨長為2 200 mm，截面尺寸為150 mm×250 mm，剪跨比為2.25，鋼纖維量為2%.

為了防止試驗梁的彎曲破壞先于剪切破壞，配置了較多縱筋，由文獻[11]可知：RPC適筋梁的最大配筋率可達10%，故縱筋采用5根直徑為25 mm的HRB500級鋼，縱筋率為8.18%.

(a) L2挑耳方式 (b) L3挑耳方式 (c) L4挑耳方式

(d) L1無挑耳梁及間接加載梁主梁的配筋詳圖 (e) L2挑耳配筋詳圖 (f) L2挑耳1-1截面配筋圖

(g) L3挑耳配筋詳圖 (h) L3挑耳2-2截面配筋圖 (i) L4挑耳配筋詳圖 (j) L4挑耳3-3截面配筋圖圖1 挑耳位置及配筋示意圖(單位：mm)Fig.1 Position and reinforcement of cross beam (unit:mm)

1.2 測點布置及加載方案

圖2 試件測點布置(單位：mm)Fig.2 Measuring points of specimen (unit:mm)

試驗梁采用兩點對稱集中加載，測點布置及加載裝置，如圖2所示.

1.3 材性試驗

根據(jù)國家標準GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規(guī)定，澆筑試驗梁的同時，澆筑6個100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，6個100 mm×100 mm×300 mm和3個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊.與試驗梁同條件下養(yǎng)護28 d后，測得立方體試塊的力學性能，如表1所示.表1中：fcu為抗壓強度；fc為軸心抗壓強度；ft為劈裂抗拉強度；ff為抗折強度；E為彈性模量；σy,σu分別表示鋼筋的屈服強度和極限強度.

表1 材料的力學性能Tab.1 Mechanical properties of material MPa

2 試驗結果及分析

2.1 試驗裂縫及破壞形態(tài)描述

4根試驗梁的試驗結果，如表2所示.表2中：Pcr為開裂荷載；Psls為裂縫寬度為 0.3 mm時的荷載；Pu為極限荷載；wmax為最大裂縫寬度；θw為最大裂縫傾角；γu為破壞時撓度.試驗梁的裂縫示意圖，如圖3所示.以L3(挑耳分布于梁下部)為例，描述試驗梁的裂縫發(fā)展情況和破壞形態(tài).

表2 梁加載試驗結果Tab.2 Test results of beam

荷載施加到93.2 kN時，梁底部跨中區(qū)域出現(xiàn)首條豎向裂縫，寬0.01 mm；加載到316 kN時，剪跨區(qū)出現(xiàn)斜裂縫，寬0.02 mm；當荷載施加到512.6 kN時，能夠聽到鋼纖維被拔出的吱吱聲，其中最寬的裂縫寬度為0.32 mm，達到了正常使用的極限值；荷載增加到670.4 kN的時候，伴隨的“嘣”的一聲巨響，試驗梁破壞，最大主斜裂縫的寬度達到2.06 mm，裂縫方向與水平方向大致呈35°的方向.

L3的跨中上部出現(xiàn)了幾乎水平的裂縫.這種裂縫從剪跨區(qū)開始出現(xiàn)，隨著荷載的增加而發(fā)展，跨過挑耳，伸展到跨中段，不同于直接加載梁的裂縫止于加載點附近.根據(jù)裂縫形態(tài)，可以判斷該裂縫是由于拉脫破壞所致，表明此處的混凝土受拉.從梁的整體破壞狀態(tài)看，裂縫在梁上呈現(xiàn)出一個完整的拱形狀，試驗梁發(fā)生剪壓破壞，并兼有拉脫破壞(圖4(c))，與其他3根試驗梁的破壞形態(tài)有明顯區(qū)別.

仔細分析表3的試驗結果及圖3試驗梁裂縫示意圖，發(fā)現(xiàn)如下3點規(guī)律.

1) 從裂縫寬度看，L3的最大裂縫寬度為2.06 mm，遠小于其他3根試驗梁.這說明L3的裂縫還沒有得到充分開展時，試驗梁就已經(jīng)發(fā)生了破壞，呈現(xiàn)一定脆性破壞的特征，其對應的極限荷載和最大撓度也比其他3根梁撓度小，此種挑耳設置方式不可取.

2) 從裂縫圖走勢看，L3不同于其他3根梁的裂縫走勢.首先，L3的主斜裂縫傾角為35°，比其余3根梁低10°左右；其次，L3的裂縫從支座處開始延伸，跨過挑耳后，上升趨勢逐漸變緩，到達跨中后趨于水平狀，裂縫不再向梁頂發(fā)展.此時，裂縫的最高處距離梁頂尚有5 cm左右，但是其余3根梁的裂縫從支座處開始一直向上發(fā)展，直到梁頂，其間并沒有變緩的趨勢，也未形成水平裂縫，裂縫最高處幾乎達到梁頂.這說明L3頂部混凝土的抗剪承載力并沒有完全發(fā)揮出來，形成了拱形裂縫，有效截面高度h0降低，最終導致承載力降低，發(fā)生拉脫破壞.

3) 由圖3可知，挑耳的位置雖然不同，但L2,L4和L1試驗梁的主裂縫破壞形式類同，均為剪壓破壞.L2,L4在主斜裂縫寬度達到正常使用狀態(tài)限值后，裂縫向加載點發(fā)展并延伸至挑耳上.破壞時，L1,L2和L4的傾斜角相近，分別為50°,45°和45°.其中,L4破壞端的最大裂縫寬度遠遠大于其余3根梁.

(a) L1加載破壞圖 (b) L2 加載破壞圖

(c) L3 加載破壞圖 (d) L4 加載破壞圖圖3 試驗梁裂縫示意圖Fig.3 Schematic diagram of cracks in beam

2.2 荷載-斜裂縫寬度分析

試驗梁的荷載-斜裂縫寬度(P-w)曲線，如圖4所示.由圖4可知：加載初期，混凝土處于彈性階段，直接加載梁的斜裂縫細微，間接加載的試驗梁并未出現(xiàn)斜裂縫;當荷載達到400 kN后，L1和L3的斜裂縫寬度發(fā)展迅速；而加載到500～600 kN時，L1進入正常使用階段，裂縫開裂速度急劇增加；當荷載約為750 kN時，L3已經(jīng)破壞，L2和L4達到正常使用階段，裂縫寬度開展速度增加，與L1相近.

從曲線整體走向發(fā)現(xiàn)：挑耳在上和挑耳同梁等高的梁，其斜裂縫發(fā)展趨勢相近，但增長速度比直接加載梁較慢.當裂縫寬度小于等于0.6 mm時，直接加載和挑耳在下部的試驗梁的裂縫發(fā)展趨勢相近，但由于L3所受的集中荷載位于梁底部的挑耳處，受到更大的拉力，其裂縫迅速發(fā)展，隨后構件破壞.

2.3 荷載-撓度曲線分析

試驗梁的荷載-撓度(P-γ)曲線，如圖5所示.由圖5可知：4根試驗梁在鋼筋屈服前基本處于線彈性階段，曲線的斜率變化不大，說明試驗梁的剛度變化很小.這是因為RPC按照最大密實度理論進行配制，摻入活性材料硅灰，不含粗骨料，并進行高溫高壓養(yǎng)護，消除了砂漿與粗骨料之間的薄弱區(qū)域；鋼纖維摻入RPC中更為勻質(zhì)，起到更好的“橋架”作用[12]，更有效抑制裂縫的發(fā)展.

加載初期，挑耳位置對梁的撓度幾乎沒有影響，4根試驗梁的撓度發(fā)展趨勢基本相同；隨著荷載增加，挑耳位于梁下部的試驗梁，最大撓度值明顯小于其余3根梁，這是由于L3的極限承載力小于其他3根梁；當荷載達到最大值時，梁的撓度都有一個突然增大的過程，達到最大荷載后，梁突然被剪壞，曲線沒有明顯的下降段.這主要有兩個原因，一方面，因為4根試驗梁都屬于無腹筋梁，抗剪承載力全部來自混凝土，梁整體呈脆性材料特征；另一方面，鋼纖維對梁裂縫的阻礙作用有限，隨著荷載的增加，鋼纖維不斷被拔出混凝土，當達到臨界狀態(tài)后，裂縫急劇發(fā)展，鋼纖維的作用失效，試驗梁隨即破壞.4根曲線的斜率相差很小，可見挑耳位置對梁的剛度影響較小.

圖4 荷載-斜裂縫寬度曲線 圖5 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-inclined crack width curve Fig.5 Load-deflection curves

圖6 斜截面受剪開裂荷載和極限荷載的柱狀圖Fig.6 Histogram of inclined cracking load and ultimate load

2.4 承載力分析

2.4.1 挑耳位置對承載力的影響分析 試驗梁的斜截面受剪開裂荷載和極限荷載的變化，如圖6所示.對比表2和圖6，可以得到以下4點結論.

1) 相對于直接加載梁，挑耳在下的RPC梁極限承載力降低了25.6%，挑耳在上和挑耳同梁等高梁的極限承載力提高1.7%和1.4%.可見挑耳在上和挑耳同梁等高的加載方式對梁的極限承載力影響很小，挑耳在下的間接加載方式對梁的極限承載力影響最大，這種加載方式應盡量避免.

2) L3的極限荷載要比其余3根梁降低28%左右，表明間接荷載施加在主梁下部的情況對主梁承載力的降低作用比較顯著.這是施加在挑耳上的荷載對主梁產(chǎn)生向下的拉力所致.從破壞時的裂縫圖可知:L3挑耳附近產(chǎn)生了水平裂縫，拉脫破壞導致水平裂縫，使梁的承載力降低；而L1，L2，L4的荷載極限值相近，說明挑耳位于梁上部及挑耳同梁等高的情況對梁的承載力幾乎沒有影響，可忽略不計.

3) 間接加載梁L2，L3，L4的開裂荷載比較接近，且均比直接加載梁的開裂荷載還高25%，說明間接加載使梁的開裂荷載提高.這是由于荷載傳力路線沒有那么直接，作用效應滯后于直接加載梁.

4) 當裂縫寬度為0.3 mm時(表2)，試驗梁L1和L3的荷載值比較接近，L2和L4比較接近，且L2，L4比L1，L3的荷載值高38%左右，即挑耳在梁上部和挑耳同梁等高的情況能明顯提高梁正常使用極限狀態(tài)的荷載值，這也是間接加載導致荷載傳力滯后的結果； 而挑耳在梁下部時，由于梁下部拉力的影響，這種滯后效應減弱.

表3 混凝土梁間接加載承載力的比較Tab.3 Comparison of share capacity of concrete beams under indirect loading

2.4.2 RPC梁和普通混凝土梁在間接加載下的對比分析 RPC梁與普通鋼筋混凝土梁[13]的間接加載下對比試驗，如表3所示.表3中：r為抗剪承載力降低率；兩種混凝土梁均為無腹筋；負值代表荷載的提高；普通混凝土無腹筋梁挑耳在上部的情況，由于試驗配置了吊筋，因此不具可比性.

由表3可知：間接加載對挑耳在上部和挑耳同梁等高RPC梁的承載力并沒有降低，在挑耳處可不設置附加橫向鋼筋；挑耳在梁下部的RPC梁，間接加載對其承載力的降低遠小于普通鋼筋混凝土梁，挑耳處可減少附加橫向鋼筋的配置，這主要得益于RPC致密的內(nèi)部結構和鋼纖維的阻裂效果.

3 結論

1) 挑耳在上部的RPC間接加載梁的裂縫發(fā)展走勢及速度與挑耳同梁等高的RPC梁相似；挑耳在下部的試驗梁裂縫發(fā)展迅速，且傾角相比其他試驗梁較小.間接加載對RPC梁的剛度影響不大，挑耳在下部的加載方式由于拉力作用，使RPC梁的最大撓度明顯降低.

2) 4根試驗梁的破壞形式均為剪壓破壞，挑耳在梁下部的L3除發(fā)生剪壓破壞還伴隨一定程度的拉脫破壞，其極限承載力、最大撓度和最大裂縫寬度都比其他3根試驗梁低，表明挑耳在梁下部的間接加載對梁受剪性能的影響最大.

3) 挑耳在下部的間接加載使RPC梁的極限抗剪承載力下降26%，挑耳在上部及挑耳同梁等高的間接加載對RPC梁的極限抗剪承載力影響很小，間接加載對RPC梁承載力的降低作用遠小于普通混凝土梁.

4) 由于RPC梁優(yōu)異的材料組成結構和鋼纖維的阻裂作用，挑耳在梁上部及挑耳同梁等高的RPC梁在挑耳處可不配置附加橫向鋼筋，而挑耳在梁下部的RPC梁挑耳處可減少附加橫向鋼筋的配置量.

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(責任編輯： 錢筠 英文審校： 方德平)

Trial Research on Shear Capacity of RPC Beams Under Indirect Loading

CAO Xia1,2， CHEN Yicong1,2， SONG Yayun1,2， JIN Qizhi1,2

(1. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Guilin 541004， China;2. College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China)

In order to study the influence of indirect loading on shear capacity of reactive powder concrete (RPC) beams， a group of different loading positions of RPC beam was tested, and influences of different loading on cracking, mid span deflection, shear capacity, failure patterns were analyzed. The results show that the development trend of the cracks in the RPC beams with upper cross beam is similar to the trend with equal height cross beam， and the crack growth rate is slower than the rate of the direct loading beam. The crack of the main RPC beams with lower cross beams develops rapidly， and arch cracks form on the main beam. The loading pattern has little influence on the stiffness of the RPC beams. The ultimate bearing capacity of the RPC beams with upper or equal height cross beam under indirect loading isn′t less than the capacity under direct loading. The tensile damage occurs in main RPC beams with the lower cross beams， which decreases the ultimate bearing capacity by about 25% in comparison with the capacity under direct loading.The cracking load of three beams under indirect loading is approximately 25% greater than the ones under direct loading. The additional transverse rebar is unnecessary in RPC beams with upper or equal height cross beam, the additional transverse rebar with upper or equal height cross beam can be reduced. Keywords：high strength steel； reactive powder concrete； indirect load； loading position； shear capacity

10.11830/ISSN.1000-5013.201703009

2016-09-26

曹霞(1965-)，女，教授，主要從事新型混凝土結構、預應力技術和建筑物加固技術的研究.E-mail:782343096@qq.com.

國家自然科學基金資助項目(51368013)； 廣西巖土力學與工程重點實驗室科研資助項目(2015-A-02); 廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(YCSZ2015160)

TU 375.1

A

1000-5013(2017)03-0330-06