第 4 期 李月霞, 等 : 高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力试验 465 活性粉末混凝土 (RPC) 是一种力学性能长期保持稳定, 早期强度高 韧性高和体积稳定性好, 在恶 [14] 劣条件下寿命长的高性能混凝土. 近年来, 国内外对高强钢筋 RPC 构件斜截面抗剪性能等问题已有 [5] 一定

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1 第 38 卷第 4 期华侨大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.38 No 年 7 月 JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience) Jul.2017 犱狅犻 : /ISSN 高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力试验 李月霞 1, 刘超 2, 金凌志 3 (1. 桂林理工大学博文管理学院, 广西桂林 ; 2. 桂林市建筑设计研究院, 广西桂林 ; 3. 桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西桂林 ) 摘要 : 在对称集中荷载作用下, 对 8 根高强钢筋活性粉末混凝土矩形截面简支梁进行抗剪试验, 研究剪跨比 配箍率 纵筋配筋率对试验梁抗剪承载力的影响规律. 结果表明 : 高强钢筋活性粉末混凝土构件的破坏形态与普通钢筋混凝土构件相似, 高强钢筋和活性粉末混凝土具有较好的协同工作能力 ; 在无腹筋情况下, 随剪跨比的提高, 梁抗剪承载力随纵筋率的增大抗剪承载力略有提高, 但变形能力降低 ; 采用 GB 混凝土结构设计规范 计算高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力值比实验值小, 说明规范计算结果偏于保守, 建议采用适用于纤维高强钢筋活性粉末混凝土的抗剪计算公式, 使理论计算结果和实测值更接近. 关键词 : 高强钢筋 ; 活性粉末混凝土 ; 简支梁 ; 抗剪承载力 ; 变形性能中图分类号 : TU312.1TU317.1 文献标志码 : A 文章编号 : (2017) 犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犛狋狌犱狔狅狀犛犺犲犪狉犆犪狆犪犮犻狋狔狅犳犎犻犵犺犛狋狉犲狀犵狋犺犚犲犻狀犳狅狉犮犲犱犚犲犪犮狋犻狏犲犘狅狑犱犲狉犆狅狀犮狉犲狋犲犅犲犪犿 LIYuexia 1,LIU Chao 2,JINLingzhi 3 (1.BowenColegeofManagement,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China; 2.InstituteofGuilinBuildingDesignandResearch,Guilin541002,China; 3.ColegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China) 犃犫狊狋狉犪犮狋 : Inordertostudytheinfluenceofshearspanratio,stirrupratioandlongitudinalreinforcementratio ontheshearcapacity,8rectangularsimplebeamsofhighstrengthreinforcedreactivepowderconcrete(hsr RPC)wereinvestigated.TheresultsshowthatdamageformofHSRRPCbeamsissimilartonormalreinforced concretebeams,thecoworkbetweenhighstrengthsteelandreactivepowderconcreteisbenign;forthebeam withoutstirrups,withtheincreaseofshearspanratio,shearcapacityreduces;withtheincreaseoflongitudi nalreinforcementratio,theshearcapacityimprovesslightly,butdeformationcapacityreduces.thecalculation valueofhsrrpcshearcapacitybygb 犆狅狀犮狉犲狋犲犛狋狉狌犮狋狌狉犲犇犲狊犻犵狀犆狅犱犲 islessthantheexperi mentalone,whichshowsthatthecodecalculationisconservative.theshearcapacitycalculationformulaof HSRRPCisproposed,whichmakesthetheoreticalcalculationresultmoreclosetotheexperimentalvalue. 犓犲狔狑狅狉犱狊 : highstrengthsteel;reactivepowderconcrete;simplysupportedbeam;shearstrength;deforma tioncapacity 收稿日期 : 通信作者 : 金凌志 (1959), 女, 教授, 主要从事新型混凝土材料结构的研究. jlz 5904@163.com. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 广西高等学校特色专业及课程一体化建设项目 (GXTSZY232)

2 第 4 期 李月霞, 等 : 高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力试验 465 活性粉末混凝土 (RPC) 是一种力学性能长期保持稳定, 早期强度高 韧性高和体积稳定性好, 在恶 [14] 劣条件下寿命长的高性能混凝土. 近年来, 国内外对高强钢筋 RPC 构件斜截面抗剪性能等问题已有 [5] 一定的研究.Vool 等通过改变预应力的大小 钢纤维的种类及掺量, 对 7 根预应力 RPC 无腹筋梁进 [6] 行抗剪承载力试验研究.Cladera 等基于软化桁架理论模型的基础上, 对 18 根高强混凝土梁进行了抗 [78] 剪破坏试验. 金凌志等通过对 6 根高强钢筋 RPC 简支梁进行试验, 分析剪跨比 配箍率 纵筋配筋率 [9] 和纵筋钢筋等级等因素对试验梁其破坏形态 剪切延性和受剪承载力的影响. 郑辉等对预应力高性能活性粉末混凝土 (RPC) 薄壁箱梁进行了荷载试验, 研究配箍率 剪跨比等参数对 RPC 箱梁抗剪性能的影响. 如何充分发挥高强钢筋 高强混凝土的强度, 如何控制在正常使用状态下的变形能力, 以及如何估算构件的承载能力及理论研究等仍需要更深入的探讨. 本文主要通过 8 根高强钢筋 RPC 简支梁, 探讨剪跨比 配箍率 纵筋率等参数对破坏形态 抗剪承载力 变形能力等的影响. 1 试验概况 1.1 试件设计与制作 试验设计了 3 批共 8 根高强钢筋 RPC 矩形截面梁, 其截面尺寸 ( 犫 犺 ) 均为 150mm 250mm, 梁长 2200mm, 钢筋锚固长度为 200mm, 计算长度为 1800mm. 混凝土强度等级为 C120, 试验梁中间不设架立筋.RPC 的原材料有 P.O42.5 硅酸盐水泥 硅粉 ( 粒度为 0.1~0.2μm,SiO 2 质量分数为 94.7% 以上 ) 石英砂 ( 颗粒呈球形, 级配连续良好, 平均粒度为 0.4~0.6mm) 硅微粉 ( 平均粒度为 0.1μm, 火山灰效应较好 ) 粉煤灰 ( 形状呈球形, 粒径小于 100μm) 高效减水剂 ( 淡黄色透明液体, 减水率为 25%) 钢纤维 ( 表面细圆形镀铜, 直径为 0.22mm, 长度为 12~15mm, 长径比为 55~68) 和水. 考虑到 RPC 的活性在高温热水才能得到更好的发挥, 试验梁均在 65 的高温热水中养护 7d. 为防止受弯破坏先于受剪破坏, 采用 HRB500 纵筋, 各试验梁参数如表 1 所示. 表 1 中 : φ 为钢纤维体积掺量 ;λ 为剪跨比 ; ρ v, ρ 分别为配箍率和纵筋配筋率. 表 1 试验梁的主要设计参数 Tab.1 Maindesignparametersoftestbeam 试件编号 φ / % λ 配筋情况箍筋 ρ/% 纵筋 v ρ / % L C6@ D L C6@ D L C6@ D L C6@ D L C6@ D L C6@ D L C6@ D L C6@ D 加载方式和测量方案 试验采用静力加载方法, 加载装置和 主要测点布置如图 1 所示. 加载设备采用 液压加载系统, 最大加载为 100t. 通过分 配型钢梁在试验梁上的对称位置得到两个 等值 同步的集中力. 为确保设备工作正 常, 在正式加载前先进行预压, 然后分级缓 慢加载, 直至破坏. 测试内容有如下 4 个主要方面.1) 挠 图 1 试验加载装置和测点布置示意图 度量测. 挠度测点采用位移计, 通过位移传 Fig.1 Loadingsetupandmeasuringpointarrangement 感器测量梁两端支座处下沉和跨中的挠度变形, 获取试验梁的荷载 挠度曲线.2) 钢筋应变量测. 箍筋 应变通过沿斜裂缝最可能出现处粘贴的箍筋应变片, 读取每级荷载下的应变值, 测试箍筋对抗剪承载能

3 华 侨 大 学 学 报 自 然 科 学 版 466 2017 年 力的贡献 纵筋应变通过梁跨中位置纵筋上粘 贴 电 阻 应 变 片 估 算 梁 的 受 弯 承 载 力 3 裂 缝 量 测 用 裂 缝比对卡及放大镜观察和测量每级 荷 载 作 用 下 的 裂 缝 发 展 情 况 以 及 裂 缝 宽 度 裂 缝 间 距 和 斜 裂 缝 倾 角 4 荷载量测 记录梁开裂荷载和极限抗剪承载力 1 3 材料性能的试验 通过 RPC 的力学性能 试 验 得 到 其 立 方 体 强 度 犳cu 棱 柱 体 强 度 犳c 抗 折 强 度 犳f 劈 裂 强 度 犈 分别为 127 13 117 20 25 80 9 19 4 09 MPa 通过钢 筋的 拉拔试 验 得到 钢筋型 犳t 和弹性模量 号为 D25 和 C6 的屈服强度分别为 522 3 441 0kN 极 限 抗拉强 度 分别 为 676 80 635 85kN 弹 性 模 量均为 0 2TPa 2 试验结果及分析 2 1 试验现象 高强钢筋 RPC 矩形截面简支梁的破坏特征与普通梁相似 当荷载较小时 主要由 RPC 的抗 拉强度 抵抗剪力 混凝土表面未出现裂缝 当加载到 200kN 左右时 剪跨区梁底出现 微小的 受剪 裂缝 随着荷 载的增加 剪跨区受剪裂缝发展为弯曲斜裂缝 荷载继续增加 斜裂缝沿梁高方向不断延伸 裂缝宽度不 断加大 新的斜裂缝也随之出现 最终因混凝土被压酥剥落而使梁的承载力迅速下降而退出工作 2 2 破坏形态 高强钢筋 RPC 梁斜截面的破坏形式 与 普 通 混 凝 土 梁 略 有 不 同 RPC 中 掺 入 适 量 的 钢 纤 维 可 以 改 善 RPC 破坏特征 起到桥接裂缝 阻碍裂缝发展的 作 用 高 强 钢 筋 RPC 斜 截 面 的 破 坏 形 式 主 要 分 为 剪 压破坏 斜压破坏 弯剪破坏 高强钢筋 RPC 梁一般不 发 生 斜 裂 缝 一 旦 出 现 裂 缝 宽 度 迅 速 发 展 开 裂 荷载与极限荷载相近 试验梁的破坏形态 如图 2 所示 a 剪压破坏 b 斜压破坏 c 弯剪破坏 图 2 试验梁的破坏形态 F i 2 Fa i l u r emodeo ft e s tbe am g 由图 2 a 可知 发生剪压破坏的为无腹筋梁 L1 2 L1 3 L2 1 L2 2 和 有 腹 筋 梁 L3 1 L3 2 L3 3 在加载过程中 试验梁跨中首先出现弯曲裂缝 继而在剪 跨 区出现 斜裂 缝 最 后 因 斜 裂 缝 宽 度 过 大 而 破 坏 在有腹筋梁中 进入下降段时箍筋屈服 纵筋均不屈服 沿主斜裂缝混凝土和受压区混凝土被压碎而 宣告整根梁失去承载能力而破坏 由图 2 b 可知 试验中 L1 1 剪跨比为 1 51 试验梁腹部斜裂缝间混凝 土出现较 多的细 小裂 缝 从 而表现出一定的斜压破坏特征 由图 2 c 可 见 由 于 L3 3 配 置 了 较 多 的 箍 筋 而 发 生 弯 剪 破 坏 其 余 发 生斜截面的剪压破坏 L3 3 发生斜截面弯曲破坏时 不仅部分屈服箍筋 而且 剪跨 区靠近加 载点处 的纵 筋也达到屈服 试验梁将要破坏时 荷载基本不变 梁挠度持续大幅增加 犺 狋 狋 犺犱狓犫 犺狇狌 犲 犱狌 犮狀 狆 狑狑狑

4 第 4 期 李月霞, 等 : 高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力试验 承载能力分析承载能力试验结果, 如表 2 所示. 由表 2 可知 : 剪跨比 配箍率对梁的斜截面开裂荷载影响不大, 开裂荷载在 100kN 左右. 这是因为抗剪斜裂缝主要由混凝弯曲拉应力 σ 和剪切应力 τ 共同作用所构成的主拉应力 σtp 超过混凝土的抗拉强度犳 t 所致. 但是, 纵筋率对斜截面开裂荷载有一定的影响, 无腹筋梁 L21( ρ =4.43%),L12( ρ =6.58%),L22( ρ =8.04%) 的开裂荷载分别为 70.4,110.0,110.9kN. 这是因为纵筋增大时, 斜裂缝出现的高度得到更好的控制, 使得贡献抗拉强度的混凝土面积增加, 故而初始斜裂缝荷载增大. 表 2 承载能力试验结果 Tab.2 Testresultsofbearingcapacity 试件编号 λ ρ v /% ρ / % 犘 cr/kn 犘 u/kn Δr/mm 狌 Δ/mm 破坏类型 L 斜压破坏 L 剪压破坏 L 剪压破坏 L 剪压破坏 L 剪压破坏 L 剪压破坏 L 剪压破坏 L 弯剪破坏 剪跨比 (λ) 对抗剪承载力 ( 犳 ) 的变化, 如图 3 所示. 由图 3 可知 :RPC 梁的抗剪承载力与普通梁相似, 随着剪跨比的增大而减小.L11(λ=1.51),L12(λ=2.26),L13(λ=3.02) 在配箍率为 0% 时, 剪跨比由 1.51 提高到 3.02, 承载力降低了 49%. 这是因为支座反力及加载点处集中荷载产生的竖向压应力会削弱梁的主拉应力, 从而提高抗剪承载力. 剪跨比较小时, 这种削弱较为明显, 因而承载力提高较大 ; 剪跨比较大时, 竖向压应力削弱梁主拉应力的能力较小, 承载力提高较小. 抗剪承载力随纵筋配筋率的变化, 如图 4 所示. 由图 4 可 知 : 随着纵筋率增大,RPC 梁的抗剪承载力增大, 无腹筋梁 L2 图 3 剪跨比与承载力的关系曲线 Fig.3 Curvebetweenshear 1( ρ =4.43%),L12( ρ =6.58%),L22( ρ =8.04%) 在剪跨比 spanratioandbearingcapacity 相同情况下, 配筋率由 4.43% 增加到 8.04%, 抗剪承载力提升 了 41%. 究其原因是由于纵筋的销栓作用. 纵筋可有效地控制弯曲裂缝宽度和高度, 使贡献抗剪作用的 混凝土面积增大, 从而提高抗剪承载力. 纵筋率越高,RPC 梁的销栓作用就越大, 抗剪承载力就越高. 抗剪承载力随配箍率的变化规律, 如图 5 所示. 由图 5 可知 :L12( ρ sv=0%),l31( ρ sv=0.17%), L31( ρ sv=0.25%) 和 L33( ρ sv=0.58%) 的极限承载力分别为 ,419.25,430.85, L31 与 图 4 纵筋配筋率与承载力的关系曲线图 5 配箍率与承载力的关系曲线 Fig.4 Curvebetweenreinforcement ratioandbearingcapacity Fig.5 Curvebetweenstirrupratio bearingcapacityand

5 468 华侨大学学报 ( 自然科学版 ) 2017 年 L12 相比, 其抗剪承载力提高 15% 左右, 说明配置箍筋可以有效地提高梁的斜截面抗剪承载力. 斜截面的抗剪承载力随配箍率的增大而增大, 但增加的幅度并不明显. 特别注意的是,L33 随配箍率的增大, 斜截面承载能力反而略有降低. 这是因为在发生剪切破坏的同时也发生了弯曲破坏, 箍筋有个别屈服, 纵筋也屈服, 导致了梁的承载力降低. 3 犚犘犆梁抗剪计算公式 3.1 我国规范抗剪承载力计算方法 目前, 国内尚无计算 RPC 梁抗剪承载力的规范,RPC 简支梁的抗剪承载力计算参照混凝土规范, 其计算公式为 犞 cs =αcv 犳 t 犫犺 0 + 犳 yv( 犃 sv/ 犛 ) 犺 0. (1) 式 (1) 中 : 犞 cs 为试验梁抗剪承载力设计值 ;αcv 为斜截面受剪系数, 对集中荷载作用下, 对集中荷载 αcv 取 1.75/(λ+1), 当 λ 小于 1.5, 取 1.5, 当 λ 大于 3 取 3; 犳 t 为混凝土的劈裂抗拉强度 ; 犫为混凝土截面宽度 ; 犺 0 为混凝土截面有效高度 ; 犳 yv 为箍筋抗拉强度, 犃 sv 为箍筋面积, 狊为箍筋间距. 混凝土规范公式计算值与试验值对比, 如表 3 所示. 表 3 中 : 犞 cal, 犞 exp 分别为计算和试验所得剪力值. 由表 3 可知 : 按我国规范的计算值与试验值比为 0.44, 计算值严重偏离试验值, 表明采用我国混凝土规范计算 RPC 斜截面抗剪承载力远小于实测值, 计算结果偏于保守. 究其原因, 主要在于规范未考虑 RPC 中钢纤维的抗剪贡献, 在研究其抗剪承载力时, 钢纤维对斜裂缝的增强 阻裂作用不容忽视. 此外, 我国混凝土规范主要适用于 C80 以下混凝土, 对高强 RPC 构件的抗剪承载力是低估了. 表 3 混凝土规范公式计算值与试验值对比 Tab.3 Comparisonbetweencalculationresultsofcodeformulaandtestresults 试件编号 λ ρ v /% ρ / % 犳 t/mpa 犺 0/mm 犞 cal/kn 犞 exp / kn 犞犮犪犾 / 犞 exp L L L L L L L L 考虑犚犘犆桥架和阻裂作用的塑性理论抗剪承载力计算方法分析 RPC 构件开裂后跨越裂缝的钢纤维仍能承担一定的荷载, 抑制斜裂缝的开展, 塑性变形能力增加. Zhang [10] [5] [11],Vool 等和陈彬等基于塑性理论提出了钢纤维 RPC 梁的抗剪承载力计算公式. 即 犞 u = [ 1 2 μ 犳 c1-cosβ sinβ ( 1-μ ) 犳 1+cosβ t sinβ + ρ sv 犳 yvctgβ ] 犫犺. (2) 由 ( 犞 u/ 犫犺 )/ β=0, 可解得 cosβ= μ 犳 c- (1-μ ) 犳 t-2ρ sv 犳 yv μ 犳 c+ (1-μ ) 犳 t β 值必须满足条件 :artg( 犺 / 犪 ) β π/2. 钢纤维混凝土梁的塑性系数 [12] 的计算公式为, 槡 sinβ= ( μ 犳 c-ρ sv 犳 yv)((1-μ ) 犳 t+ρ sv 犳 yv ) μ 犳 c+ (1-μ ). 犳 t μ = 犳 cu 犘, 犘 =100ρ. 式 (2) 中 : 犞 u 为梁抗剪承载力 ; μ 为塑性系数 ; 犳 c, 犳 t 分别为混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度 ; β 为塑性屈服面与水平轴夹角, 满足 artg( 犺 / 犪 ) β π/2; 犳 yv 为箍筋抗拉强度 ; ρ sv 为配箍率 ; 犳 cu 为立方体强度. 塑性理论公式的计算值与试验值对比, 如表 4 所示. 由表 4 可知 : 犞 cal/ 犞 exp 的均值为 1.191, 标准差为 , 变异系数为 , 抗剪极限承载力的塑性理论计算结果与试验结果较为相近, 可见塑性理论计算结果与试验值吻合良好. 塑性剪切理论能较好地反映混杂纤维 RPC 梁的剪切破坏特征, 可用于预测纤维 RPC 梁的抗剪承载力.

6 第 4 期 李月霞, 等 : 高强钢筋活性粉末混凝土梁的抗剪承载力试验 469 表 4 塑性理论的计算值与试验值对比 Tab.4 Comparisonbetweentestvaluesandcalculatedvaluesbyplastictheory 试件编号 犳 c/mpa 犳 t/mpa ρ /% sv ρ /% 犳 yv/mpa 犳 cu/mpa 犞 cal/kn 犞 / exp kn 犞 cal/ 犞 exp L L L L L L L L 结论 1) 高强钢筋 RPC 矩形截面简支梁的破坏形态与普通梁略有不同, 主要为剪压破坏 斜压破坏和弯剪破坏,RPC 中掺入的钢纤维能改善剪跨比较大的无腹筋梁的破坏形态. 2) 随着剪跨比的增大,RPC 梁的抗剪承载力减小, 而变形加快 ; 而随着纵筋率增大,RPC 梁的抗剪承载力随之增大, 但过高的纵筋配筋率, 对提高梁的变形能力效果不明显 ;RPC 梁抗剪承载力随着配箍率的增大而增大, 但配置过多的箍筋, 承载力反而下降. 这是因为在发生剪切破坏的同时也发生了弯曲破坏, 个别箍筋屈服, 纵筋也屈服, 导致了梁的承载力降低. 3) 按现行国家标准 GB 混凝土结构设计规范 计算的高强钢筋 RPC 梁抗剪承载力与实测值存在较大差异 ; 但按塑性理论抗剪承载力公式, 承载力计算值与试验值吻合良好, 变异系数小. 参考文献 : [1] DUGATJ,ROUX N,BERNIER G.Mechanicalpropertiesofreactivepowderconcretes[J].MaterialsandStruc tures,1996,29(4): [2] YANG SL,MILLARDSG,SOUTSOS M N, 犲狋犪犾.Influenceofaggregateandcuringregimeonthemechanical propertiesofultrahighperformancefibrereinforcedconcrete(uhpfrc)[j].constructionandbuildingmaterials, 2009,23(6): [3] 李建平. 超细矿粉活性粉末混凝土性能的研究 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学,2011:314. [4] 郑文忠, 吕雪源. 活性粉末混凝土研究进展 [J]. 建筑结构学报,2015,36(10):4458. [5] VOOLJYL,FOSTERSJ,GILBERTRI.Shearstrengthoffiberreinforcedreactivepowderconcretegirderswith outstirrups[j].journalofadvancedconcretetechnology,2006,4(1): [6] CLADERA A,MARIA R.Experimentalstudyonhighstrengthconcretebeamsfailinginshear[J].Engineering Structures,2005,27(10): [7] 金凌志, 祁凯能, 曹霞. 高强钢筋活性粉末混凝土简支梁受剪性能试验研究 [J]. 武汉理工大学学报,2013,35(8): [8] 金凌志, 李月霞, 祁凯能, 等. 高强钢筋 RPC 简支梁抗剪承载力及延性研究 [J]. 工程力学,2015,32( 增刊 1): ,225. [9] 郑辉, 方志, 刘明. 预应力活性粉末混凝土箱梁抗剪性能试验研究 [J]. 土木工程学报,2015(6):5163. [10] ZHANGJP.Diagonalcrackingandshearstrengthofreinforcedconcretebeams[J].MagazineofConcreteRe search,1997,49(178):5565. [11] 陈彬. 预应力 RPC 梁抗剪性能研究 [D]. 长沙 : 湖南大学,2007:3944. [12] 赵军, 高丹盈. 钢纤维增强钢筋混凝土梁斜截面受剪承载力塑性极限分析 [J]. 力学季刊,2005,26(2): ( 责任编辑 : 陈志贤英文审校 : 方德平 )

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