粗骨料UHPC梁斜截面抗剪性能試驗(yàn)研究

舒 陽

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Conrete)具有高強(qiáng)高韌、受拉應(yīng)變硬化以及耐久性良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，根據(jù)其是否含有粗骨料，德國將其分為粉末UHPC(即活性粉末混凝土，RPC)和粗骨料UHPC(UHPC-CA)[1-3]。UHPC-CA采用河砂和碎石部分替代了活性粉末，可以減少膠凝材料的用量，縮短攪拌時(shí)間，降低材料價(jià)格，減少材料的收縮，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

梁的抗剪設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，試驗(yàn)仍是研究梁抗剪性能的主要方法，目前針對(duì)UHPC梁的抗剪性能試驗(yàn)研究多集中在配箍率、剪跨比和預(yù)應(yīng)力等因素上[5-9]，對(duì)鋼纖維的關(guān)注不夠，而鋼纖維是限制UHPC梁斜裂縫開展的重要因素。

為了探究UHPC-CA梁的斜截面抗剪性能，設(shè)計(jì)了9根T型截面UHPC-CA梁，對(duì)其進(jìn)行抗剪性能試驗(yàn)，重點(diǎn)考察鋼纖維體積摻量的影響，得到了試件的裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)和混凝土主應(yīng)變分布等特征，揭示了鋼纖維對(duì)斜截面抗剪的作用機(jī)理。

1 抗剪性能試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了9根帶下馬蹄的UHPC-CAT型梁，試驗(yàn)梁長2.4 m；主要變化參數(shù)為：鋼纖維體積摻量ρf、剪跨比λ、縱筋配筋ρ、箍筋配置。為保證剪切破壞先于彎曲破壞，參照文獻(xiàn)[5]、[7]采用了較高的配筋率。同時(shí)參照文獻(xiàn)[10]選用更適用于UHPC的HRB500級(jí)D20高強(qiáng)鋼筋，箍筋采用直徑6.5 mm的HPB300級(jí)鋼筋。試驗(yàn)梁詳細(xì)參數(shù)見圖1及表1。

表1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)主要參數(shù)

圖1 截面尺寸與配筋(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)梁材料配合比及力學(xué)性能

UHPC-CA的具體配合比見表2，變化的參數(shù)為鋼纖維摻量，每種配合比均制作了材料試件，并與試驗(yàn)梁同體養(yǎng)護(hù)，實(shí)測的28 d材料性能列于表3。

表2 試驗(yàn)用UHPC-CA配合比

表3 UHPC-CA材料力學(xué)性能 MPa

1.3 加載與測試

本次試驗(yàn)加載裝置如圖2，除T9梁采用單點(diǎn)加載，其余梁均為兩點(diǎn)對(duì)稱加載；加載方式采用力控制分級(jí)加載，以預(yù)估極限荷載的5 %為標(biāo)準(zhǔn)步長，并在開裂前和破壞前減小步長。每級(jí)荷載下采集應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，測量縫寬并在梁上標(biāo)記裂縫發(fā)展情況。

試驗(yàn)測量了荷載、加載點(diǎn)截面縱筋與混凝土應(yīng)變、跨中截面縱筋和混凝土應(yīng)變、剪跨區(qū)箍筋應(yīng)變與混凝土主應(yīng)變、跨中和1/4跨處位移、裂縫分布及裂縫寬度，測點(diǎn)布置如圖2所示。

注：1.為縱筋應(yīng)變片，2.為箍筋應(yīng)變片，3.為純彎段跨中混凝土應(yīng)變片，4.為加載點(diǎn)附件混凝土應(yīng)變片，5.為剪彎段腹板混凝土應(yīng)變花，6.為高精度位移傳感器圖2 加載及測點(diǎn)布置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

9根試驗(yàn)梁共出現(xiàn)了兩類破壞形態(tài)(圖3)，具體如下。

圖3 破壞形態(tài)示意

第一類破壞形態(tài)發(fā)生在T3、T6試件，其破壞過程為：梁首先在馬蹄區(qū)出現(xiàn)彎曲裂縫，而腹剪斜裂縫先于彎剪裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增加，腹剪縫數(shù)量快速增加，裂縫間距減小，腹板被腹剪縫分割為一系列受壓小柱；加載至破壞前1級(jí)荷載時(shí)，梁體仍未形成明顯的主裂縫；破壞時(shí)，腹板區(qū)域的傾斜混凝土小柱體首先壓碎，隨后引發(fā)了剪壓區(qū)混凝土的破壞。這種由腹板的破壞導(dǎo)致的破壞形態(tài)為斜壓破壞。

除T3、T6試件外其余試件均發(fā)生第二類破壞，其破壞現(xiàn)象為：試驗(yàn)梁首先出現(xiàn)彎曲裂縫，隨著荷載的增加，剪跨段的彎曲裂縫發(fā)展為彎剪斜裂縫，裂縫逐漸向加載點(diǎn)發(fā)展；有纖維的梁斜裂縫數(shù)量多，裂縫寬度、高度發(fā)展明顯較無纖維的T8梁要慢。無論是有纖維梁還是無纖維梁，破壞前均形成明顯的

主斜裂縫，主斜裂縫出現(xiàn)后其他斜裂縫的發(fā)展趨于停滯，主斜裂縫則向加載點(diǎn)繼續(xù)發(fā)展，減壓區(qū)面積逐漸減小，達(dá)到極限荷載時(shí)頂部剪壓區(qū)混凝土在彎剪復(fù)合作用下發(fā)生破壞。上述現(xiàn)象與鋼筋混凝土梁的剪壓破壞較為接近。

值得注意的是，即便對(duì)于剪跨比為3、3.5的無腹筋梁也未出現(xiàn)斜拉破壞，尤其是剪跨比為3.5的T9梁是專為斜拉破壞設(shè)計(jì)的，不僅將鋼纖維體積摻量降低至1 %，且將剪跨段的縱筋配筋率也降低了近5.4 %，但仍未出現(xiàn)斜拉破壞。究其原因?yàn)閁HPC-CA中的鋼纖維能夠?qū)α芽p的開展形成有效的約束，斜裂縫出現(xiàn)后并不會(huì)馬上貫通至梁頂部；從桁架模型分析，對(duì)于無腹筋梁，受拉腹桿為混凝土，UHPC-CA有應(yīng)變硬化現(xiàn)象，水泥基基體開裂后纖維仍然能承擔(dān)拉力發(fā)揮受拉腹桿的作用。綜合文獻(xiàn)[5]、[7]的試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)鋼纖維體積摻量不小于1 %時(shí)，UHPC-CA梁不會(huì)發(fā)生斜拉破壞。

2.2 開裂及裂縫發(fā)展

UHPC-CA梁的開裂模式與普通混凝土梁有顯著的區(qū)別。裂縫分布如圖4所示，得益于裂縫間鋼纖維的約束作用，UHPC-CA梁裂縫細(xì)而密，平均間距小，主斜裂縫的延伸和縫寬發(fā)展速率更為緩慢；纖維體積摻量越高裂縫分布越密、縫寬增長越慢。

圖4 試驗(yàn)梁裂縫分布

圖5為9根試驗(yàn)梁的荷載-斜裂縫寬度曲線。從圖中可看出，試驗(yàn)梁初始開裂縫寬一般小于0.02 mm，縫寬在達(dá)到0.1 mm前為初始增長階段，縫寬基本呈線性增長，達(dá)到0.1 mm后，斜裂縫間的鋼纖維與UHPC-CA基體間的化學(xué)膠著力基本破壞，鋼纖維進(jìn)入滑移階段，縫寬增長明顯加速。當(dāng)斜裂縫縫寬發(fā)展到0.2 mm后，加載點(diǎn)與支座連線方向上的1～2條斜裂縫逐漸形成主裂縫，縫寬隨荷載快速增大。

分析圖5(a)可知，剪跨比越大開裂越早，裂后斜裂縫發(fā)展速度也越快，與普通混凝土梁類似。分析圖5(b)可知，對(duì)于同一剪跨比的梁，鋼纖維體積摻量對(duì)斜裂縫寬度的增長速度影響顯著，體積摻量2 %的梁裂縫初始增長階段(縫寬小于0.1 mm)明顯長于體積摻量1 %及無纖維的梁。分析圖5(c)可知，箍筋對(duì)初始增長階段的縫寬約束較弱，對(duì)鋼纖維滑移階段的縫寬約束較強(qiáng)，表明箍筋和鋼纖維在UHPC-CA中能協(xié)同發(fā)揮作用，使主斜裂縫沿斜截面分布更加均勻。

2.3 應(yīng)變分布及發(fā)展

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以梁T2-2-0為例，繪制出試驗(yàn)梁的荷載-主應(yīng)變測試結(jié)果如圖6所示。

由圖中可知，梁開裂前主應(yīng)變隨荷載增加呈線性，主壓應(yīng)變傾角隨腹板高度增加而減小，符合主壓應(yīng)力分布規(guī)律，斜裂縫開展后，主拉應(yīng)變急劇增長。而實(shí)測開裂主拉應(yīng)變比按軸拉應(yīng)力計(jì)算得的拉應(yīng)變值略小，說明主壓應(yīng)力的存在使得基體在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的開裂應(yīng)力小于材料單軸拉應(yīng)力，然而對(duì)于發(fā)生剪切破壞的簡支梁的臨界截面，主拉應(yīng)力并非一個(gè)較大的值，因此可近似認(rèn)為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度等于單軸抗拉強(qiáng)度[11]。同時(shí)實(shí)測主壓應(yīng)變傾角與實(shí)際測量的主斜裂縫傾角相差幾度，這與修正壓力場理論的結(jié)論一致。[12]

(a)不同剪跨比比較

(b)不同鋼纖維體積摻量比較

(c)有腹筋與無腹筋比較圖5 荷載-斜裂縫寬度曲線

(a)1-3號(hào)應(yīng)變片荷載-主應(yīng)變

(b)1-3號(hào)應(yīng)變片荷載-主壓應(yīng)變傾角圖6 T2-2-0主應(yīng)變曲線

2.4 荷載-撓度曲線

繪制出9根試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線如圖7所示。對(duì)比不同鋼纖維摻量的試驗(yàn)梁可以發(fā)現(xiàn)：鋼纖維摻量的增加顯著增加了大剪跨比梁開裂后的剛度。梁在極限破壞時(shí)鋼纖維均相繼被拔出，并未出現(xiàn)纖維斷裂的現(xiàn)象。受限于鋼纖維尺寸，體積摻量的進(jìn)一步提高對(duì)延性的提高有限。此外箍筋對(duì)UHPC-CA梁變形能力的提高效果尤其明顯，這主要是由于箍筋約束了斜裂縫的發(fā)展，增大了有效截面。

圖7 荷載-撓度曲線

2.5 試驗(yàn)結(jié)果匯總

所有試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4。表中Vm為試件出現(xiàn)彎曲裂縫時(shí)的剪力值，Vcr為試件出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的剪力值，Vu為試件的極限剪力，Δu為試件破壞時(shí)的跨中撓度值，θ為主斜裂縫與水平軸的夾角。

表4 宏觀力學(xué)結(jié)果匯總

3 結(jié)論

(1)纖維體積摻量不小于1 %的梁不會(huì)出現(xiàn)斜拉破壞，這與鋼筋混凝土梁有很大區(qū)別。剪跨比不大于1時(shí)出現(xiàn)斜壓破壞，剪跨比大于1(λ<3.5)時(shí)出現(xiàn)剪壓破壞。

(2)發(fā)生剪壓破壞時(shí)，鋼纖維對(duì)UHPC-CA梁抗剪承載力的貢獻(xiàn)巨大，鋼纖維的貢獻(xiàn)超過50 %。

(3)鋼纖維體積摻量對(duì)裂縫的分布和裂縫平均間距影響顯著，體積摻量越高裂縫分布越密集。

(4)鋼纖維的摻入能夠明顯提高UHPC-CA梁的變形能力，但其破壞本質(zhì)上仍為脆性破壞。