高強鋼筋活性粉末混凝土梁的抗剪承載力試驗

李月霞， 劉超， 金凌志

(1. 桂林理工大學(xué) 博文管理學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2. 桂林市建筑設(shè)計研究院， 廣西 桂林 541002；3. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

高強鋼筋活性粉末混凝土梁的抗剪承載力試驗

李月霞1， 劉超2， 金凌志3

(1. 桂林理工大學(xué) 博文管理學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2. 桂林市建筑設(shè)計研究院， 廣西 桂林 541002；3. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

在對稱集中荷載作用下，對8根高強鋼筋活性粉末混凝土矩形截面簡支梁進行抗剪試驗，研究剪跨比、配箍率、縱筋配筋率對試驗梁抗剪承載力的影響規(guī)律.結(jié)果表明：高強鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土構(gòu)件相似，高強鋼筋和活性粉末混凝土具有較好的協(xié)同工作能力；在無腹筋情況下，隨剪跨比的提高，梁抗剪承載力隨縱筋率的增大抗剪承載力略有提高，但變形能力降低;采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算高強鋼筋活性粉末混凝土梁的抗剪承載力值比實驗值小，說明規(guī)范計算結(jié)果偏于保守,建議采用適用于纖維高強鋼筋活性粉末混凝土的抗剪計算公式，使理論計算結(jié)果和實測值更接近. 關(guān)鍵詞： 高強鋼筋； 活性粉末混凝土； 簡支梁； 抗剪承載力； 變形性能

活性粉末混凝土(RPC)是一種力學(xué)性能長期保持穩(wěn)定，早期強度高、韌性高和體積穩(wěn)定性好，在惡劣條件下壽命長的高性能混凝土[1-4].近年來，國內(nèi)外對高強鋼筋RPC構(gòu)件斜截面抗剪性能等問題已有一定的研究.Vool等[5]通過改變預(yù)應(yīng)力的大小、鋼纖維的種類及摻量,對7根預(yù)應(yīng)力RPC無腹筋梁進行抗剪承載力試驗研究.Cladera等[6]基于軟化桁架理論模型的基礎(chǔ)上，對18根高強混凝土梁進行了抗剪破壞試驗.金凌志等[7-8]通過對6根高強鋼筋RPC簡支梁進行試驗，分析剪跨比、配箍率、縱筋配筋率和縱筋鋼筋等級等因素對試驗梁其破壞形態(tài)、剪切延性和受剪承載力的影響.鄭輝等[9]對預(yù)應(yīng)力高性能活性粉末混凝土(RPC)薄壁箱梁進行了荷載試驗，研究配箍率、剪跨比等參數(shù)對RPC箱梁抗剪性能的影響.如何充分發(fā)揮高強鋼筋、高強混凝土的強度，如何控制在正常使用狀態(tài)下的變形能力，以及如何估算構(gòu)件的承載能力及理論研究等仍需要更深入的探討.本文主要通過8根高強鋼筋RPC簡支梁，探討剪跨比、配箍率、縱筋率等參數(shù)對破壞形態(tài)、抗剪承載力、變形能力等的影響.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試驗設(shè)計了3批共8根高強鋼筋RPC矩形截面梁，其截面尺寸(b×h)均為150 mm×250 mm，梁長2 200 mm，鋼筋錨固長度為200 mm，計算長度為1 800 mm.混凝土強度等級為C120，試驗梁中間不設(shè)架立筋.RPC的原材料有P.O42.5硅酸鹽水泥、硅粉(粒度為0.1～0.2 μm，SiO2質(zhì)量分數(shù)為94.7%以上)、石英砂(顆粒呈球形，級配連續(xù)良好，平均粒度為0.4～0.6 mm)、硅微粉(平均粒度為0.1 μm，火山灰效應(yīng)較好)、粉煤灰(形狀呈球形，粒徑小于100 μm)、高效減水劑(淡黃色透明液體，減水率為25%)、鋼纖維(表面細圓形鍍銅，直徑為0.22 mm，長度為12～15 mm，長徑比為55～68)和水.考慮到RPC的活性在高溫熱水才能得到更好的發(fā)揮，試驗梁均在65 ℃的高溫熱水中養(yǎng)護7 d.為防止受彎破壞先于受剪破壞，采用HRB 500縱筋，各試驗梁參數(shù)如表1所示.表1中：φ為鋼纖維體積摻量；λ為剪跨比；ρv，ρ分別為配箍率和縱筋配筋率.

表1 試驗梁的主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of test beam

圖1 試驗加載裝置和測點布置示意圖Fig.1 Loading setup and measuring point arrangement

1.2 加載方式和測量方案

試驗采用靜力加載方法，加載裝置和主要測點布置如圖1所示.加載設(shè)備采用液壓加載系統(tǒng)，最大加載為100 t.通過分配型鋼梁在試驗梁上的對稱位置得到兩個等值、同步的集中力.為確保設(shè)備工作正常，在正式加載前先進行預(yù)壓，然后分級緩慢加載，直至破壞.

測試內(nèi)容有如下4個主要方面.1) 撓度量測.撓度測點采用位移計，通過位移傳感器測量梁兩端支座處下沉和跨中的撓度變形，獲取試驗梁的荷載-撓度曲線.2) 鋼筋應(yīng)變量測.箍筋應(yīng)變通過沿斜裂縫最可能出現(xiàn)處粘貼的箍筋應(yīng)變片，讀取每級荷載下的應(yīng)變值，測試箍筋對抗剪承載能力的貢獻；縱筋應(yīng)變通過梁跨中位置縱筋上粘貼電阻應(yīng)變片，估算梁的受彎承載力.3) 裂縫量測.用裂縫比對卡及放大鏡觀察和測量每級荷載作用下的裂縫發(fā)展情況，以及裂縫寬度、裂縫間距和斜裂縫傾角.4) 荷載量測.記錄梁開裂荷載和極限抗剪承載力.

1.3 材料性能的試驗

通過RPC的力學(xué)性能試驗，得到其立方體強度(fcu)、棱柱體強度(fc)、抗折強度(ff)、劈裂強度(ft)和彈性模量(E)分別為127.13，117.20，25.80，9.19，4.09 MPa.通過鋼筋的拉拔試驗，得到鋼筋型號為D25和C6的屈服強度分別為522.3，441.0 kN，極限抗拉強度分別為676.80，635.85 kN,彈性模量均為0.2 TPa.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

高強鋼筋RPC矩形截面簡支梁的破壞特征與普通梁相似.當荷載較小時，主要由RPC的抗拉強度抵抗剪力，混凝土表面未出現(xiàn)裂縫；當加載到 200 kN 左右時，剪跨區(qū)梁底出現(xiàn)微小的受剪裂縫.隨著荷載的增加，剪跨區(qū)受剪裂縫發(fā)展為彎曲斜裂縫；荷載繼續(xù)增加，斜裂縫沿梁高方向不斷延伸，裂縫寬度不斷加大，新的斜裂縫也隨之出現(xiàn).最終因混凝土被壓酥剝落而使梁的承載力迅速下降而退出工作.

2.2 破壞形態(tài)

高強鋼筋RPC梁斜截面的破壞形式與普通混凝土梁略有不同.RPC中摻入適量的鋼纖維可以改善RPC破壞特征，起到橋接裂縫，阻礙裂縫發(fā)展的作用.高強鋼筋RPC斜截面的破壞形式主要分為剪壓破壞、斜壓破壞、彎剪破壞.高強鋼筋RPC梁一般不發(fā)生斜裂縫，一旦出現(xiàn)，裂縫寬度迅速發(fā)展，開裂荷載與極限荷載相近.試驗梁的破壞形態(tài)，如圖2所示.

(a) 剪壓破壞 (b) 斜壓破壞

(c) 彎剪破壞圖2 試驗梁的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of test beam

由圖2(a)可知:發(fā)生剪壓破壞的為無腹筋梁L1-2，L1-3，L2-1，L2-2和有腹筋梁L3-1，L3-2，L3-3.在加載過程中，試驗梁跨中首先出現(xiàn)彎曲裂縫，繼而在剪跨區(qū)出現(xiàn)斜裂縫，最后因斜裂縫寬度過大而破壞.在有腹筋梁中，進入下降段時箍筋屈服，縱筋均不屈服，沿主斜裂縫混凝土和受壓區(qū)混凝土被壓碎而宣告整根梁失去承載能力而破壞.

由圖2(b)可知:試驗中，L1-1剪跨比為1.51，試驗梁腹部斜裂縫間混凝土出現(xiàn)較多的細小裂縫，從而表現(xiàn)出一定的斜壓破壞特征.由圖2(c)可見:由于L3-3配置了較多的箍筋而發(fā)生彎剪破壞，其余發(fā)生斜截面的剪壓破壞.L3-3發(fā)生斜截面彎曲破壞時，不僅部分屈服箍筋,而且剪跨區(qū)靠近加載點處的縱筋也達到屈服.試驗梁將要破壞時，荷載基本不變，梁撓度持續(xù)大幅增加.

2.3 承載能力分析

承載能力試驗結(jié)果，如表2所示.由表2可知：剪跨比、配箍率對梁的斜截面開裂荷載影響不大，開裂荷載在100 kN左右.這是因為抗剪斜裂縫主要由混凝彎曲拉應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ共同作用所構(gòu)成的主拉應(yīng)力σtp超過混凝土的抗拉強度ft所致.但是，縱筋率對斜截面開裂荷載有一定的影響，無腹筋梁L2-1(ρ=4.43%)，L1-2(ρ=6.58%)，L2-2(ρ=8.04%)的開裂荷載分別為70.4，110.0，110.9 kN.這是因為縱筋增大時，斜裂縫出現(xiàn)的高度得到更好的控制，使得貢獻抗拉強度的混凝土面積增加，故而初始斜裂縫荷載增大.

表2 承載能力試驗結(jié)果Tab.2 Test results of bearing capacity

圖3 剪跨比與承載力的關(guān)系曲線Fig.3 Curve between shear span ratio and bearing capacity

剪跨比(λ)對抗剪承載力(f)的變化，如圖3所示.由圖3可知：RPC梁的抗剪承載力與普通梁相似，隨著剪跨比的增大而減小.L1-1(λ=1.51)，L1-2(λ=2.26)，L1-3(λ=3.02)在配箍率為0%時，剪跨比由1.51提高到3.02，承載力降低了49%.這是因為支座反力及加載點處集中荷載產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力會削弱梁的主拉應(yīng)力，從而提高抗剪承載力.剪跨比較小時，這種削弱較為明顯，因而承載力提高較大；剪跨比較大時，豎向壓應(yīng)力削弱梁主拉應(yīng)力的能力較小，承載力提高較小.

抗剪承載力隨縱筋配筋率的變化，如圖4所示.由圖4可知：隨著縱筋率增大，RPC梁的抗剪承載力增大，無腹筋梁L2-1(ρ=4.43%)，L1-2(ρ=6.58%)，L2-2(ρ=8.04%)在剪跨比相同情況下，配筋率由4.43%增加到8.04%，抗剪承載力提升了41%.究其原因是由于縱筋的銷栓作用.縱筋可有效地控制彎曲裂縫寬度和高度，使貢獻抗剪作用的混凝土面積增大，從而提高抗剪承載力.縱筋率越高，RPC梁的銷栓作用就越大，抗剪承載力就越高.

抗剪承載力隨配箍率的變化規(guī)律，如圖5所示.由圖5可知： L1-2(ρsv=0%)，L3-1(ρsv=0.17%)，L3-1(ρsv=0.25%)和L3-3(ρsv=0.58%)的極限承載力分別為356.00,419.25,430.85,426.25.L3-1與L1-2相比，其抗剪承載力提高15%左右，說明配置箍筋可以有效地提高梁的斜截面抗剪承載力.斜截面的抗剪承載力隨配箍率的增大而增大，但增加的幅度并不明顯.特別注意的是，L3-3隨配箍率的增大，斜截面承載能力反而略有降低.這是因為在發(fā)生剪切破壞的同時也發(fā)生了彎曲破壞，箍筋有個別屈服，縱筋也屈服，導(dǎo)致了梁的承載力降低.

圖4 縱筋配筋率與承載力的關(guān)系曲線 圖5 配箍率與承載力的關(guān)系曲線 Fig.4 Curve between reinforcement Fig.5 Curve between stirrup ratio ratio and bearing capacity bearing capacity and

3 RPC梁抗剪計算公式

3.1 我國規(guī)范抗剪承載力計算方法

目前,國內(nèi)尚無計算RPC梁抗剪承載力的規(guī)范，RPC簡支梁的抗剪承載力計算參照混凝土規(guī)范，其計算公式為

(1)

式(1)中:Vcs為試驗梁抗剪承載力設(shè)計值；αcv為斜截面受剪系數(shù)，對集中荷載作用下，對集中荷載αcv取1.75/(λ+1)，當λ小于1.5，取1.5，當λ大于3取3；ft為混凝土的劈裂抗拉強度；b為混凝土截面寬度；h0為混凝土截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強度，Asv為箍筋面積，s為箍筋間距.

混凝土規(guī)范公式計算值與試驗值對比，如表3所示.表3中：Vcal,Vexp分別為計算和試驗所得剪力值.由表3可知：按我國規(guī)范的計算值與試驗值比為0.44，計算值嚴重偏離試驗值，表明采用我國混凝土規(guī)范計算RPC斜截面抗剪承載力遠小于實測值，計算結(jié)果偏于保守.究其原因，主要在于規(guī)范未考慮RPC中鋼纖維的抗剪貢獻，在研究其抗剪承載力時，鋼纖維對斜裂縫的增強、阻裂作用不容忽視.此外，我國混凝土規(guī)范主要適用于C80以下混凝土，對高強RPC構(gòu)件的抗剪承載力是低估了.

表3 混凝土規(guī)范公式計算值與試驗值對比Tab.3 Comparison between calculation results of code formula and test results

3.2 考慮RPC橋架和阻裂作用的塑性理論抗剪承載力計算方法分析

RPC構(gòu)件開裂后跨越裂縫的鋼纖維仍能承擔一定的荷載，抑制斜裂縫的開展，塑性變形能力增加.Zhang[10]，Vool等[5]和陳彬等[11]基于塑性理論提出了鋼纖維RPC梁的抗剪承載力計算公式.即

(2)

由?(Vu/bh)/?β=0，可解得

β值必須滿足條件：artg(h/a)≤β≤π/2.

鋼纖維混凝土梁的塑性系數(shù)[12]的計算公式為

μ=1-0.009fcu+0.155P, P=100ρ.

式(2)中:Vu為梁抗剪承載力；μ為塑性系數(shù)；fc,ft分別為混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度；β為塑性屈服面與水平軸夾角，滿足artg(h/a)≤β≤π/2；fyv為箍筋抗拉強度;ρsv為配箍率；fcu為立方體強度.

塑性理論公式的計算值與試驗值對比，如表4所示.由表4可知：Vcal/Vexp的均值為1.191，標準差為0.291 8，變異系數(shù)為0.245 0，抗剪極限承載力的塑性理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為相近，可見塑性理論計算結(jié)果與試驗值吻合良好.塑性剪切理論能較好地反映混雜纖維RPC梁的剪切破壞特征，可用于預(yù)測纖維RPC梁的抗剪承載力.

表4 塑性理論的計算值與試驗值對比Tab.4 Comparison between test values and calculated values by plastic theory

4 結(jié)論

1) 高強鋼筋RPC矩形截面簡支梁的破壞形態(tài)與普通梁略有不同，主要為剪壓破壞、斜壓破壞和彎剪破壞，RPC中摻入的鋼纖維能改善剪跨比較大的無腹筋梁的破壞形態(tài).

2) 隨著剪跨比的增大，RPC梁的抗剪承載力減小，而變形加快；而隨著縱筋率增大，RPC梁的抗剪承載力隨之增大，但過高的縱筋配筋率，對提高梁的變形能力效果不明顯；RPC梁抗剪承載力隨著配箍率的增大而增大，但配置過多的箍筋，承載力反而下降.這是因為在發(fā)生剪切破壞的同時也發(fā)生了彎曲破壞，個別箍筋屈服，縱筋也屈服，導(dǎo)致了梁的承載力降低.

3) 按現(xiàn)行國家標準GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算的高強鋼筋 RPC 梁抗剪承載力與實測值存在較大差異；但按塑性理論抗剪承載力公式，承載力計算值與試驗值吻合良好，變異系數(shù)小.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Experimental Study on Shear Capacity of High Strength Reinforced Reactive Powder Concrete Beam

LI Yuexia1， LIU Chao2， JIN Lingzhi3

(1. Bowen College of Management， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China；2. Institute of Guilin Building Design and Research， Guilin 541002， China；3. College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China)

In order to study the influence of shear span ratio， stirrup ratio and longitudinal reinforcement ratio on the shear capacity， 8 rectangular simple beams of high strength reinforced reactive powder concrete (HSRRPC) were investigated. The results show that damage form of HSRRPC beams is similar to normal reinforced concrete beams， the co-work between high strength steel and reactive powder concrete is benign； for the beam without stirrups， with the increase of shear span ratio， shear capacity reduces； with the increase of longitudinal reinforcement ratio，the shear capacity improves slightly, but deformation capacity reduces. The calculation value of HSRRPC shear capacity by GB 50010-2010ConcreteStructureDesignCodeis less than the experimental one， which shows that the code calculation is conservative. The shear capacity calculation formula of HSRRPC is proposed， which makes the theoretical calculation result more close to the experimental value.

high strength steel； reactive powder concrete； simply supported beam； shear strength； deformation capacity

10.11830/ISSN.1000-5013.201704005

2016-11-06

金凌志(1959-)，女，教授，主要從事新型混凝土材料結(jié)構(gòu)的研究.E-mail:jlz-5904@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51368013)； 廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項目(GXTSZY232)

TU 312.1 TU 317.1

A

1000-5013(2017)04-0464-06