纵筋率对高强钢筋RPC 简支梁受剪性能的影响

曹 霞，唐 婷，彭金成，金凌志

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004)

0 引 言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)具有高强度、高韧性、高耐久性以及低渗透率等特点［1-2］，自1993 年由法国BOUYGUES 公司研制成功以来，引起了国际上工程界的重视。以往的研究［3］表明，纵筋率是影响无腹筋简支梁的受剪性能的重要因素之一。季文玉等［4］通过对集中荷载作用下的T 形梁抗剪试验研究，证实了梁的抗剪承载力随着纵筋率的提高而提高;张浦［5］认为在小剪跨比的情况下，增大纵筋率可以有效提高梁的抗剪承载力;曹媛萍［6］研究了RPC 无腹筋梁受剪破坏的机理，以及RPC 的强度、截面形式、剪跨比、纵筋率等对抗剪承载力的影响。RPC 的强度和弹性模量都比普通混凝土高很多，其界限配筋率可以达到10%［7］，纵筋的抗剪作用不容忽略。HRB500 钢筋因为具有高强度和良好的韧性，已被《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)列入混凝土构件的主导受力钢筋，金凌志等［8］的研究显示，高强钢筋与活性粉末混凝土组合梁的抗剪协同性良好，抗剪性能优于普通混凝土梁，纵筋率对梁的抗剪承载力有一定影响。国内外虽然己开展活性粉末混凝土梁的试验和理论研究，但是对于HRB500 钢筋RPC 梁的研究较少。为了探讨这种新型材料结构协同抗剪的工作性能，本文设计了3 个不同纵筋率试件，通过试验分析纵筋率对HRB500 钢筋RPC 梁受剪性能的影响，为HRB500 钢筋PRC 梁的工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

本次试验共设计了3 根梁试件，梁截面尺寸150 mm×250 mm，长度2 200 mm。纵向钢筋采用HRB500 级，直径25 mm，架立筋HPB300 级，直径6 mm。为了防止弯曲破坏先于剪切破坏发生，配置了较多纵筋，根据文献［7］活性粉末混凝土适筋梁的最大配筋率可以达到10%，故选取ρs分别为4.43%、6.39%和8.04%。试验梁参数详见表1，试验配合比见表2。

表1 试件参数Tab.1 Parameters of specimens

表2 活性粉末混凝土(RPC)配合比1Tab.2 Mix of Reactive Powder Concrete(RPC)

1.2 测点布置及加载方案

在梁跨中、加载点及支座处放置百分表，以量测试验过程中每一级荷载下梁的位移;在剪跨区的纵筋上贴电阻应变片测量纵筋的应变;在剪跨区沿45°方向布置应变花以量测混凝土的应变，试件测点的具体布置详见图1。采用两点对称集中加载，加载装置如图2 所示。

图1 试件测点布置图Fig.1 Location of gauges

图2 试验加载装置图Fig.2 Test loading device

1.3 材性试验

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB.T50081-2002)的规定，浇筑试验梁的同时浇筑了6 个100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块和3 个100 mm×100 mm×300 mm 棱柱体试块，与试验梁在同条件下养护28 d 之后，测得立方体抗压强度fcu、劈裂抗拉强度fts和抗压强度fc，轴心抗拉强度按ft=0.75fts［9］进行换算，其具体数值如表3 所示。

表3 RPC 力学性能Tab.3 Mechanical properties of RPC MPa

通过钢筋拉伸试验，得到如表4 所示钢筋的力学性能参数。

表4 钢筋力学性能Tab.4 Mechanical properties of reinforcing bars

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及裂缝形态描述

①与普通钢筋混凝土受剪梁类似［10］，当荷载加大到一定值时，先在试件跨中部位出现垂直的弯曲裂缝，裂缝的宽度较小，并且随着荷载的增加缓慢发展。继续加载到极限荷载的25%左右时，在梁的剪跨区腹部靠近中和轴处首先出现腹剪斜裂缝，随着荷载的增加，斜裂缝向上、下延伸至加载点及支座处，裂缝宽度也有一定的增加，并伴随有钢纤维不断被拔出的声音;

②与普通混凝土梁不同的是，活性粉末混凝土梁所有裂缝的表面都较光滑平整，因为其组分不含粗骨料，不存在粗骨料与砂浆接触面的薄弱界面［11］。普通混凝土矩形梁一般在剪跨区先出现垂直弯曲裂缝，再由弯曲裂缝斜向发展成弯剪斜裂缝，而本次试验的三根梁均首先在梁的腹部靠近中和轴的位置处出现腹剪斜裂缝，这与文献［3］、［12］中的试验现象相吻合，因为RPC 强度高，梁底部受拉纵筋配筋率的界限值也较高，对底部一定范围内的混凝土约束作用较强，可以有限抑制该区域内的裂缝扩展，上升到一定高度后，这种约束减弱，不在约束区域的腹部混凝土其主拉应力首先达到抗拉强度，产生腹剪斜裂缝，裂缝向上下发展延伸，中间较宽两头较细，呈纺锤形;

③因为活性粉末混凝土中钢纤维的阻裂作用，试验梁底的弯曲裂缝相比普通混凝土也明显减少，且试件破坏时没有出现沿纵筋方向的撕裂裂缝，这是由于钢纤维的“桥架”作用［13］，提高了骨料间的咬合能力，限制了撕裂裂缝的形成;

④由图3 可以看出，随着纵筋率的提高，裂缝之间的间距明显减小，弯曲裂缝的发展高度和宽度都有减小的趋势，斜裂缝的条数增多，且向支座靠近。

图3 试验梁裂缝示意图Fig.3 Crack of test beam

2.2 破坏形态

本次试验梁的剪跨比为2.26，3 根梁均发生剪压破坏，众多斜裂缝中的一条发展成为临界主斜裂缝，向上、下延伸到加载点和支座，在极限荷载作用下，斜裂缝顶端的混凝土被压碎导致梁破坏。可见纵筋率对梁的破坏形态并不起关键作用，影响活性粉末混凝土梁破坏形态的最主要因素仍然是剪跨比，这与1 ＜λ ≤3 的普通钢筋混凝土梁常发生剪压破坏相似。

图4 L－3 破坏形态Fig.4 Failure patterns of L－3

各试件在同级荷载下的斜裂缝宽度如表5 所示，可以发现随着纵筋率的提高，在同级荷载作用下，主斜裂缝的宽度减小。图4 表明，纵筋处的斜裂缝宽度明显减小，可见纵筋对斜裂缝宽度的发展有一定的抑制作用。随着荷载的增加，裂缝宽度增加，接近极限荷载时，透过裂缝观测仪清楚地看到，构件破坏时主斜裂缝界面处，钢纤维已被拔出、拉断，裂缝宽度迅速加大。

表5 斜裂缝宽度Tab.5 Diagonal crack width mm

2.3 荷载—挠度曲线分析

通过图5 的荷载—挠度曲线可以发现，试件开裂后，曲线斜率并没有发生太大的变化，这与普通混凝土梁开裂后，产生梁的内力重分布，其刚度衰减比较大，导致斜率明显减小［14］有所不同。由于钢纤维的“桥架”作用，有效约束了斜裂缝的开展，裂缝之间的钢纤维可以继续承受荷载，使得梁的刚度并没有明显减小，直到钢纤维被拔出和拉断。对比L-1 ～L-3，在达到L-1 的极限荷载601 kN 时，L-1 的挠度为13 mm，L-2 和L-3的挠度分别为11.6 mm 和7.7 mm，可以发现随着纵筋率的提高，相同荷载下梁的挠度明显减小，表明梁的刚度随着纵筋率的提高而提高，L-3 的变形能力明显高于L-2 和L-1，说明随着纵筋率的提高，试件的变形能力也相应提高。3 根试件的曲线在峰值点处都没有一段平直段，即达到极限荷载后，试件的刚度迅速减低，破坏表现出一定的脆性。

图5 荷载—挠度曲线Fig.5 Load-deflection curves

2.4 纵筋率对承载力的影响分析

由图6 可以看出，极限荷载跟纵筋率之间呈现一定的线性关系，随着纵筋率的提高而提高，当纵筋率由4.43%提高到6.39%时，极限荷载提高了18.6%;纵筋率由6.39%提高到8.04%时，极限荷载提高了19.3%。L-1 和L-2 的斜向开裂荷载接近，L-3 的开裂荷载有一定的提高，可见开裂荷载虽然主要受混凝土强度的影响，但由于纵筋的销栓作用等，纵筋率的提高也会在一定程度上提高梁的斜向开裂荷载。本试验可能因为某种偶然因素，使L-2在加载前已经存在薄弱处，造成L-2 的开裂荷载并没有提高。

图6 斜向开裂荷载和极限荷载与纵筋率的关系曲线Fig.6 Diagonal crack load and ultimate load-longitudinal reinforcement ratio curves

3 运用桁架—拱模型对试验结果进行分析

无腹筋矩形截面简支梁在对称集中荷载作用下的剪力传递机理，可看成是由底部纵筋和混凝土共同组成的拉杆拱结构，纵筋视为拉杆，将临界斜裂缝的方向定为混凝土压杆的方向。活性粉末混凝土的强度较高，构件不会发生因混凝土压碎而导致的拱破坏，抗剪承载力主要取决于纵筋的拉杆强度，纵筋的强度越高，构件的抗剪承载力就越高。纵筋的抗剪作用主要是平衡受压区混凝土的压应力，所以纵筋率越高，剪压区的高度就越大，“拱”的作用也就越明显。特别是在小剪跨比的情况下，构件“拱”的作用更加明显，所以提高纵筋率可以有效提高高强钢筋活性粉末混凝土构件的抗剪承载力。

文献［15］在桁架—拱模型的基础上推导了无腹筋矩形截面简支梁，在集中力作用下的抗剪承载力计算公式(1)，假定在极限荷载作用下，混凝土不承受拉力，抗压强度在有拉应变存在的情况下会产生软化现象。且忽略纵筋的销栓作用和混凝土的骨料咬合作用，钢筋只能在其轴线方向上承担拉力或压力。

式中，α=σs/(1.1fc)=5.25，混凝土抗压的有效系数νc取为0.8［16］。

4 试验结果与理论计算对比分析

为了验证公式(1)的适用性，将其计算值与试验实测值和《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)抗剪承载能力计算值进行对比分析，见表6。其中Vcs为公式(1)计算结果，VGB为按规范计算结果，Vu为实测值，混凝土和钢筋强度值均采用实测值。

表6 按公式计算的斜截面抗剪承载力的对比Tab.6 Comparison of the calculated according to the formula of the shear strength

由表6 得出:①按公式(1)计算出的抗剪承载力与实测值的符合程度明显高于规范公式值，与实测值随着纵筋率的提高而提高的规律相符。但是由于没有考虑混凝土承受的拉力，使得计算值明显低于实测值，可见活性粉末混凝土的抗拉作用不可忽视;②按规范公式计算出的抗剪承载力呈现出较大的离散性，且随着纵筋率的提高，反而导致了抗剪承载力计算值的降低，这是因为纵筋率的提高可能减小了构件的有效高度，因为规范公式中没有考虑纵筋率对抗剪承载力的贡献，结果虽然偏于安全，但却明显偏小，不符合实际情况。RPC 梁的纵筋适筋率可以达到10%左右，其纵筋的抗剪作用更不容忽视。

5 结 论

①由于较高纵筋率的纵筋对底部一定范围内的活性粉末混凝土具有较强的约束作用，试验梁在剪跨区首先出现腹剪斜裂缝，很少形成弯剪斜裂缝;纵筋对斜裂缝的宽度发展也有一定的抑制作用，在纵筋处裂缝宽度明显减小;随着纵筋率的提高，试件的变形能力也得到提高;

②3 根试验梁均发生剪压破坏，纵筋率对梁的破坏形态并不起关键作用，剪跨比依然是影响活性粉末混凝土梁破坏形态的主要因素;

③极限荷载随着纵筋率的提高而提高，纵筋率由4.43%提高到6.39%和8.04%时，极限荷载提高了18.6%和19.3%，但斜向开裂荷载受纵筋率的影响较小;

④按现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)计算的高强钢筋RPC 梁抗剪承载力与试验实测值存在较大差异。

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