剪跨比对活性粉末混凝土梁抗剪性能的影响

金凌志，张 辉，高一鸣

(桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)



剪跨比对活性粉末混凝土梁抗剪性能的影响

金凌志，张 辉*，高一鸣

(桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

通过4根活性粉末混凝土(RPC)梁构件的受剪试验，研究活性粉末混凝土在不同剪跨比条件下的破坏形态及剪切延性的影响规律。试验结果表明：高强钢筋RPC梁的剪切延性系数平均值达到0.892。随着剪跨比的增大而增强，但增幅差异较大，其根本原因是剪跨比影响梁的剪力传递方式，剪力传递方式又决定了其剪切延性，当剪跨比适中时，梁构件发生剪压破坏，其延性相对较好。

活性粉末混凝土梁；剪跨比；承载力；剪切延性

0 引言

活性粉末混凝土( reactive powder concrete，以下简称RPC)，因其耐久性、强度、延性高等诸多优点而被越来越多地应用于实际工程中。延性是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服强度开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。在冲击或振动荷载的作用下，要求结构有较好的延性，防止产生脆性破坏。不同于普通混凝土，RPC由级配连续、良好的活性组分组成，由于其材料组分的颗粒级配得到了良好的改善，RPC梁的抗剪性能优于普通混凝土。目前，国内外学者对RPC进行了材料以及构件进行了大量研究，如张浦[1]为了研究不同剪跨比条件下，高强钢筋活性粉末混凝土(RPC)梁的剪切延性，对活性粉末混凝土简支梁进行抗剪性能试验，得出在适当的剪跨比时，随着剪跨比增加，其剪切延性相对增加。张浦通过运用MATLAB软件构建数学模型，认为在剪跨比较小的情况下，梁的抗剪承载力随着纵筋率的增大可得到显著提高。曹媛萍[2]以RPC无腹筋简支梁的弯剪实验为基础，对PRC梁的截面形式、强度、剪跨比、纵筋率等影响抗剪承载力的因素进行了试验研究，推导出无腹筋简支梁承载力的计算公式。姚大立等[3]通过对试验梁破坏形态和剪切延性的影响规律的试验研究中表示，归纳出以下结论：剪切延性正比于剪跨比、配箍率、混凝土强度，反比于预应力度水平，并拟合了预应力超高强混凝土梁剪切延性系数的数学模型。本文通过不同剪跨比条件下的试验及研究，对RPC梁的破坏形态和剪切延性进行定性分析。

1 试验概况

试验设计了4根无腹筋梁，主要参数为剪跨比、配箍纵筋率及钢纤维体积率，参数见表1。

梁构件集中加载在距支座a处两点，采用四点弯的单调静态加载试验[4]。在RPC剪跨段均粘贴电阻应变片，通过静态应变测试系统采集应变数据，试验加载装置如图1所示。

RPC选用材料分别为：水泥为42.5普通硅酸盐水泥，微硅粉主要成份为二氧化硅(SiO2)的石英砂粒径为0.4～0.6 mm，平均粒径在0.1μm，硅微粉粒径小于2μm，平均粒径0.31μm左右；配合比见表2。

表1 试件主要参数

表2 活性粉末混凝土配合比

(注：钢纤维为体积比，其他均为质量比)

图1 试验梁测点布置

2 试验现象分析

剪跨比为1.51的L1梁，呈斜压破坏特征，在支座与加载点间出现较多密集且近似平行的斜裂剪跨区，可以看出,裂缝区出现明显裂纹，随着钢纤维不断拔出,在支座与加载点间出现较多密集且近似平行的斜裂缝，最后集中形成一条较宽的临界斜裂缝，裂缝宽度不断增长，最终导致L1梁的破坏，见图2。

图2 L1破坏形态及裂缝状态

剪跨比为1.75的L2梁，呈剪压破坏特征，主裂缝较为明显，斜压破坏和剪压破坏的剪跨比界限在1.51到1.71之间，见图3。

图3 试件L2破坏形态及裂缝状态

剪跨比为2.20的L3梁，也发生剪切破坏。剪跨比斜裂缝随着荷载的不断加大，在沿支座点与加载点连线的方向上不断延伸，并出现部分细小的裂缝，最终贯通，试验梁构件被剪断，见图4。

图4 试件L3破坏形态及裂缝状态

剪跨比为3.02的L4梁，其破坏形态和普通混凝土梁的斜拉破坏有点相似，随着荷载增加， RPC梁的斜裂缝出现后，并非很快形成临界斜裂缝，且极限荷载和开裂荷载的比值较大，斜裂缝的倾角明显小于斜压和剪切破坏梁。试验梁沿连通的斜裂缝破坏，但破坏荷载远远大于开裂荷载，属于剪压破坏，见图5。

图5 试件L4破坏形态及裂缝状态

从试验梁斜裂缝开展至剪切破坏的过程中可以观察到，4根无腹筋试验梁高强钢筋RPC仅出现两种破坏形态:剪压和斜压破坏，这也是局限于试件数量。L3，L4的开裂荷载相对较大，主斜裂缝出现后，斜裂缝开展缓慢,尽管钢纤维发出被拔出的声音，RPC梁的斜裂缝出现后，并非很快形成临界斜裂缝，可见斜裂出现后，钢纤维起到一定延缓裂缝开展的作用，随着荷载增大时，试验梁随着临界斜裂缝的扩大而贯通,最终而破坏。最后，剪跨区陆续出现了多条斜裂缝并伴随着钢纤维被拔出“噼里啪啦”的声音，一声闷响，试验梁沿连通的斜裂缝发生剪压破坏。

综上所述：(1)剪跨比越大，RPC梁的裂缝倾角越小，极限承载力越小；(2)剪跨比的不同导致试验梁破坏形态的不同。

3 剪切延性分析

钢筋混凝土梁的斜截面破坏发生无预兆，具有突发性和瞬时性，属于脆性破坏，该类破坏会给人们的人身和财产安全带来严重威胁。随着经济的发展，高层建筑和大跨度结构越来越普遍，超高性能的活性粉末混凝土应运而生，为了推广这种新型混凝土的工程应用，对于活性粉末混凝土梁构件的力学和延性的性能试验研究显得十分必要。

评定不同剪跨比条件下，RPC梁构件受剪切时斜截面的延性, 本文参考受弯构件正截面延性鉴定的方法确定其剪切延性指标,对剪跨比不同的RPC梁进行理论分析，引入延性系数：

(1)

其中：u—延性系数，无量纲的比值，一般钢筋混凝土梁为4；

um—构件破坏时的变形；

uy—屈服变形构件底部纵向受拉钢筋在外荷载作用下开始屈服时所对应的变形，该值对应荷载-挠度曲线上的一个拐点。

由于没有直径大的粗骨料，各组份材料的边界微裂缝少，咬合度高，提高了RPC微观结构的稳定性和致密性，所以RPC梁的延性较好，本文4根梁的延性系数平均值为0.892。

根据试验数据绘出荷载-挠度曲线，见图6，从图中也可以看出，曲线从拐点到破坏，荷载-挠度曲线有相当长的一段时间。

图6 荷载-挠度曲线图

从图6可以看出，剪跨比越大，RPC梁的裂缝倾角越小。运用摩尔应力圆[5]进行分析，单元体合力不变，正应力越大，剪应力越小，主拉应力需要达到或超过RPC的极限，才能使RPC开裂。在集中荷载作用下,当λ增大时，M/V的数值越大，水平方向的夹角θ越小。所以剪跨比在很大程度上决定了试件的承载力和破坏形态。

4 结论

根据以上实验结果及分析，可以得出以下结论：

(1)剪跨比对高强钢筋RPC梁的延性影响相对较大，当剪跨比减小时，梁的剪切斜裂缝发展速度较为缓慢，最终宽度较小，裂缝倾角也会随着变大，抗剪承载力随之增加。

(2)与普通钢筋混凝土梁相类似，剪跨比在很大程度上决定了试件的承载力和破坏形态，但RPC梁的延性比较高。

(3)当剪跨比减小时，RPC梁的剪切延性随之减小。剪跨比影响梁的剪力传递方式，剪力的传递方式又决定了其剪切延性。当适中的剪跨比时,其延性相对较好，梁发生剪压破坏。

[1] 张浦.基于软化桁架理论的RPC梁斜截面抗剪承载力研究[D].北京:北京交通大学,2011.

[2] 曹媛萍.活性粉末混凝土(RPC)无腹筋简支梁斜截面承载力研究[D].北京：北京交通大学,2004.

[3] 姚大立,贾金青,余芳.预应力超高强混凝土梁剪切延性分析[J].哈尔滨工程大学学报,2013(5):593-598.

[4] 中国人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构试验方法标准(GB50164-2011)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5] Vecchio F J, Collins M P. The modified compression field theory for reinforced concrete elements subjected to shear[J]. ACI Structural Journal,1986(2):219-231.

(责任编辑：孙文彬)

Different Shear Span Ratio on the Shear Performance of Reactive Powder Concrete Beam

JIN Ling-zhi, ZHANG Hui*, GAO Yi-ming

(Guangxi Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Based on the shear test results of four pillars of reactive powder concrete beams, the effects on failure modes and the shear ductility of the reactive power concrete under different shear span ratio were investigated. Test results indicate that the average value of shear ductility factor of high-strength concrete RPC beams can reach 0.892. With the increase of shear span ratio and shear ductility factor enhances, the rate of increase will be a large difference. The essential cause of the vast difference is that shear span ratio affects shear transfer mode of beams which determines the shear ductility. When shear span ratio is moderate, the ductility of beams with shear-compression failure is relatively well.

reactive powder concrete beam; shear span ratio; carrying capacity; shear ductility

2016-05-23

国家自然科学基金项目(51368013)；广西重点实验基金项目(2015-A-02)

金凌志(1959-)，女，湖南双峰人，教授，硕士生导师，主要从事结构工程研究。 *为通讯作者。

TU375.1

A

1009-7961(2016)05-00024-04