超高性能混凝土梁抗剪性能的研究進展

徐錚

(新疆大學建筑工程學院)

1979 年，丹麥Bache 采用細料致密法(Densified with Small Particles, DSP)配制出強度為150～200MPa的混凝土[1]。1993年，法國Bouygues公司在DSP理論、鋼纖維混凝土等研究基礎(chǔ)上，研發(fā)出活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)[2-3]。1994年，Larrard 等[4]首次提出將基于DSP 理論配制而成的混凝土材料統(tǒng)稱為UHPC。

UHPC 不但具備超高的力學性能，而且還具有自重輕、韌性高、徐變低等特點。UHPC 自重約為傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的1/3～1/2，摻入的鋼纖維顯著提高了材料強度（抗拉、抗彎和抗剪強度）和韌性，也增加了UHPC 構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的延性和耗能，使其在地震或超載條件下具備優(yōu)異的可靠性。從微觀角度來看，UHPC 水膠比低、堆積密度高、孔隙率低，較普通混凝土(Normal Concrete, NC)具有更好的耐腐蝕性、耐磨性和更低的滲透性。

本文對UHPC 梁斜截面抗剪性能及影響因素進行綜述，介紹UHPC 材料力學性能國內(nèi)外的最新研究進展，探討UHPC 梁抗剪性能研究成果，總結(jié)UHPC 疊合梁最新研究成果，以期為UHPC結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 UHPC材料力學性能

超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、高效減水劑、石英砂（粉）及鋼纖維等材料組成，依照最大密實度原理構(gòu)建，從而可使材料內(nèi)部的缺陷（孔隙與微裂縫）減至最少。超高性能混凝土具有高強度，高韌性，低徐變等特點，能較好地克服目前普通混凝土抗拉強度低、脆性大、徐變大等缺點。

UHPC 材料力學性能研究側(cè)重UHPC 自身材料層面，包括：組成和配合比、摻入纖維性能與影響、拌合物性能、力學性能、變形性能、長期性能、養(yǎng)護方法等方面。

Norhasri 等[5]發(fā)現(xiàn)在UHPC 中摻入納米超粘土可提高UHPC 的流動性，但不利于UHPC 最終強度的提升。Ahmad 等[6]得出隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 抗壓強度和彈性模量均顯著增大；隨著高溫時間的增加，UHPC 抗彎強度和彈性模量卻顯著減小。Hou等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)赤泥的加入促進了UHPC 的水化過程，提高了UHPC 的早期耐久性，降低了UHPC 的工作性能和抗壓強度；但仍可用于一般建筑，如含40%赤泥的UHPC經(jīng)高溫養(yǎng)護后抗壓強度仍大于150MPa。

Mo 等[8]得出較高的養(yǎng)護溫度會抑制水泥的水化程度，不利于UHPC強度及長期耐久性的提升。

關(guān)于UHPC 材料力學性能的研究，國內(nèi)外學者開展了廣泛研究，為UHPC 基本構(gòu)件性能、既有結(jié)構(gòu)加固及組合構(gòu)件性能的研究奠定了基礎(chǔ)。

2 UHPC梁抗剪性能

UHPC 梁作為UHPC 基本構(gòu)件中最要的一員，是近期UHPC 研究中的熱點之一。UHPC 梁的抗剪性能研究，包括UHPC 的材料特性和構(gòu)件特性（剪跨比、配箍率、鋼纖維摻量和縱筋配筋率）對抗剪性能的分析研究。

2.1 破壞形態(tài)

梁興文等[9]發(fā)現(xiàn)UHPC 有腹筋梁的破壞形態(tài)有彎曲屈服后的剪切破壞和剪壓破壞，破壞時梁表面呈現(xiàn)多條斜裂縫。鄧宗才等[10]提出鋼纖維與粗聚烯烴纖維混雜，可改善RPC 梁抗剪變形能力，使梁由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?。Wang 等[11]發(fā)現(xiàn)對于無腹筋梁，當剪跨比為1.5 時，破壞形式為斜壓破壞，當剪跨比為1.75～3 時，破壞形式為剪壓破壞。戚家南等[12]開展了UHPC薄腹梁受剪試驗，受力過程分為彎曲開裂前彈性階段、“橋聯(lián)作用”失效前和“橋聯(lián)作用”失效后3個階段。UHPC梁剪切破壞具備一定延性且有明顯征兆，為半延性-半脆性破壞。由于纖維“橋聯(lián)作用”，UHPC 梁剪切開裂后呈多條剪切裂縫同時開展現(xiàn)象。

UHPC 梁剪切破壞時呈多斜裂縫現(xiàn)象，并且破壞時從脆性破壞變成具有一定延性且有明顯征兆。

2.2 剪跨比

UHPC 矩形截面梁在一定范圍內(nèi)增大梁的剪跨比可以明顯降低梁的抗剪承載力[11]。Ahmad 等[13]發(fā)現(xiàn)當剪跨較大時，UHPC 梁抗剪承載力和跨中撓度較低；當縱筋率較低時，抗剪承載力和跨中撓度隨剪跨比的增加而降低。

2.3 配箍率

梁興文等[9]發(fā)現(xiàn)箍筋約束了斜裂縫的開展。HRB500 高強箍筋的配箍率由0.42%提高到0.64%時，剪跨比為1.5、2.5 的RPC 梁分別提高22.1%、7.1%，當配箍率超過0.64%時，對抗剪承載力的提高作用不大[10]。Meszoly 等[14]完成了UHPC 工字型截面梁的抗剪性能試驗，發(fā)現(xiàn)隨著箍筋間距的不同，在極限承載力的60%～80%時箍筋開始屈服。Wu 等[15]研究發(fā)現(xiàn)隨著配箍率的增加，UHPC 的延性、抗剪強度和剪切滑移增大，剪切裂縫寬度減小。

2.4 鋼纖維

梁興文等[9]發(fā)現(xiàn)裂縫截面鋼纖維的橋接作用對梁有一定貢獻；并在考慮剪壓區(qū)混凝土、斜裂縫截面鋼纖維、箍筋及縱筋銷栓作用的基礎(chǔ)上，提出計算UHPC 有腹筋梁計算模型。鄧宗才等[10]研究表明：鋼纖維體積摻量由1%提高到2%時，RPC 梁抗剪承載力提高17%，開裂荷載提高31.5%。鋼纖維體積比小于1%時，UHPC梁的較低，破壞模式表現(xiàn)出明顯的脆性[11]。Lim 等[16]發(fā)現(xiàn)鋼纖維有助于提高UHPC 梁的抗剪承載力，且能夠和箍筋一起抑制剪切斜裂縫。Wu 等[15]發(fā)現(xiàn)在合理的微鋼纖維體積比范圍內(nèi)（最佳體積比為0%～2.5%），隨著微鋼纖維體積比的增加，UHPC 的剪切強度和剪切滑移增大，剪切裂縫寬度減小。

由此可見，鋼纖維的加入抑制了剪切斜裂縫的發(fā)展，提高了UHPC 梁抗剪承載力，但并不是隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 梁抗剪承載力會一直提高。綜合經(jīng)濟與性能的考慮，鋼纖維比較合理的體積摻量在1%～2%。

2.5 縱筋配筋率

Ahmad[13]、Pourbaba[17]等發(fā)現(xiàn)增大縱筋配筋率對于提高抗剪承載力的效果有限。

在以上研究基礎(chǔ)上整理了部分UHPC 梁斜截面抗剪承載力計算公式，其中Ahmad 及法國規(guī)范單獨考慮了鋼纖維對抗剪承載力的貢獻，見表1。

表1 UHPC梁抗剪承載力計算公式

注：λ為剪跨比；α0為受壓翼緣影響系數(shù)；b為腹板寬度；fyv為箍筋屈服強度；Asv為箍筋截面積；s為箍筋間距；Np0為計算截面混凝土法向應(yīng)力等于零時預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋合力；A= -0.1688，B= 0.0723；fs為極限狀態(tài)下縱筋應(yīng)力，一般取屈服強度；fcu為UHPC 棱柱體抗壓強度；ρ為縱筋率；ρsv為配箍率；σp為殘余抗拉強度；bef為腹板有效寬度；f?c為UHPC 圓柱體抗壓強度；a為剪跨；F1=(lf/df)?vf?α；lf為鋼纖維長度；df為鋼纖維直徑；vf為鋼纖維體積分數(shù)；α為粘結(jié)系數(shù)。fck為UHPC 圓柱體抗壓強度；NEd為由于加載或預(yù)應(yīng)力在截面產(chǎn)生的軸向力；γcfγE為安全系數(shù)，取1.5；Ac為UHPFRC 的截面積；bw受拉區(qū)域內(nèi)截面最小寬度；z是構(gòu)件所受彎矩相應(yīng)的力臂。θ為主壓應(yīng)力與縱軸的夾角；Afv=bw z；σRd,f是沿剪切裂縫傾角θ并與之垂直裂縫的開裂后強度平均值。

目前，學者們圍繞UHPC 梁斜截面抗剪性能開展了較為全面的試驗研究，但目前使用的鋼纖維集中于平直型，針對端鉤型和波紋型的應(yīng)用及研究較少，后續(xù)需加強這一方面的研究。

3 UHPC疊合梁

疊合梁是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，其下部的形式為預(yù)制混凝土，而上部則采用現(xiàn)澆混凝土，使得構(gòu)件具有較好的整體性。它不僅有現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)整體性強、抗震性能好等優(yōu)點，也有預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)無須支模拆模、縮短施工周期、勞動力需求量小等優(yōu)點。

UHPC 由于其出色性能，可滿足疊合梁的性能要求。Li 等[20]發(fā)現(xiàn)提高預(yù)應(yīng)力水平和UHPC 高度均能延緩UHPC-NC 組合預(yù)應(yīng)力T 梁裂縫的形成和擴展，該梁中UHPC 的合理高度為總截面高度的22%～52%。劉超等[21]試驗表明，UHPC-NC簡支梁下部的UHPC層能夠有效地提高梁的抗剪承載力和延性，且UHPC 層配筋梁比不配筋梁抗剪承載力提高約30%。Li[22]指出與NC 梁相比，UHPC-NC梁主裂縫寬度和跨中撓度分別減少了25.1%和27.5%，開裂荷載和極限荷載分別增加了80.0%和9.0%，UHPC充分發(fā)揮了其高強度和高延性的特點。

隨著國家對預(yù)制裝配式建筑的大力支持推廣，疊合梁具有廣闊的應(yīng)用前景，而UHPC 能很好地適應(yīng)疊合梁這一結(jié)構(gòu)形式，推動著UHPC在工程中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

由于鋼纖維的加入，使得UHPC 梁的受力性能、破壞形態(tài)和承載力計算區(qū)別于普通混凝土梁，較為復雜。本文系統(tǒng)地闡述了近年來UHPC 材料力學性能、UHPC 梁抗剪性能，列舉了近年來學者們針對UHPC 梁抗剪承載力的計算方法，以期助力UHPC 相關(guān)設(shè)計規(guī)范的編制與出版，并推廣UHPC在疊合梁中的應(yīng)用。