剪跨比对RC/ECC组合无腹筋梁抗剪性能的影响

王敬慈 程凤泉 韦 立

前言

由于混凝土具有韧性差、抗剪性能差等先天的脆性特征。而且，混凝土常常处于带裂缝工作阶段，若不能较好地控制裂缝宽度，则会引起结构的耐久性问题，成为安全隐患。使用超高延性纤维增强水泥基复合材料替代混凝土用于受剪构件中，能够有效提高构件的抗剪承载力、极限变形以及延性。目前，对于ECC构件剪切性能的研究还较为欠缺。国外方面，Kanda[1]等进行了ECC短梁在周期往复荷载作用下的剪切性能研究。试验结果表明，ECC短梁在往复荷载下的剪切承载力、大塑形变形后的抗剥落能力和耗能性能方面都远优于普通混凝土梁。由于ECC材料价格较高，整体替代混凝土并不经济，本文采用ECC与混凝土形成组合梁来研究其抗剪性能。

1 试验概况

参考了《PVA纤维增强水泥基复合材料制备及其力学性能研究》[2]的理论成果，采用了最优配合比设计为水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：水：减水剂：纤维体积（%）=0.2：0.6：0.2：0.36：0.35：0.004：2。

试验设计了7根无腹筋梁，均为简支梁。梁长1.5m，截面尺寸150mm×200mm；混凝土强度C50；ECC层高度70mm；受力主筋采用HRB500级钢筋，直径16mm，架立筋采用HRB400钢筋，直径12mm。

本文试验选用国产PVA纤维，是由中国福建市永安市宝华宁宝业有限公司提供。主要性能指标：长度为12mm；直径为12～18mm；弹性模量35GPa；伸长率为 6～8%；抗拉强度为 1200MPa；密度为 1.3g/cm3。

试验采用油压千斤顶配合反力架进行三分点加载，在两端支座梁顶和跨中梁底布设百分表测读变形。试验前要进行预加载，确保各仪器正常工作，然后按理论极限荷载的5%分级加载，并观察裂缝情况。待跨中首次出现裂缝后，按理论极限荷载的20%分级加载直到试验梁破坏。试验中需记录的内容：初裂荷载、斜截面初裂荷载、极限荷载、各级荷载下的挠度及应变等。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

从试验梁斜裂缝开展至剪切破坏的过程中可以观察到梁最后的破坏形态包括了斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏，与普通钢筋混凝土梁构件破坏形态类似。基本所有试验梁都在支座附近的梁底部位置产生弯曲竖向裂缝，该弯曲裂缝向加载点处发展延伸，并于中部或靠近加载点位置逐渐斜向发展成弯剪裂缝，随着荷载增大并接近梁的极限抗剪承载力，斜裂缝迅速贯通，最终而破坏。部分ECC/RC无腹筋梁的破坏形态见图1。

图1 部分梁破坏形态图

2.2 剪跨比对斜截面开裂荷载的影响

由图2可知，试件梁的斜向开裂荷载随着剪跨比的增大而减小。在混凝土强度及界面，ECC厚度相同的条件下，当λ＜2.5时，斜向开裂荷载随剪跨比的增大而减小，当λ＞2.5时，斜向开裂荷载随剪跨比的增大而增大。这与文献[5]相一致。

2.3 剪跨比对试验梁变形性能的影响

根据试验数据，绘制ECC/RC组合混凝土梁试件的荷载-挠度关系曲线如图3。图中可知：当剪跨比增大，试验梁的挠度产生更快的增长速度；当0.8＜λ＜2.5时，试验梁的最大挠度有变大的趋势，λ＞2.5时，试验梁的最大挠度有下降的趋势。而剪跨比较小时，图中曲线在开裂点处有转折点，其余段有比较明显的线性特征，这是为了保证本次试验的构件发生受剪破坏，提高受拉纵筋的配筋率，当构件破坏时，纵向钢筋尚未屈服，构件破坏前跨中挠度较小。图3中：构件在开裂点处的转折点并不明显，这表明构件在屈服前都表现出了良好的受力性能。此外，图中还可以看出：随着剪跨比的增大，曲线的斜率减小，同一荷载下，剪跨比大的构件其挠度也大；试验梁在加载后期，挠度曲线趋于平缓，破坏形式呈塑型。

3 结论

图2 剪跨比与斜向开裂荷载关系

图3 试验梁荷载-挠度曲线图

（1）ECC/RC组合无腹筋梁均发生塑性破坏。

（2）ECC/RC组合无腹筋梁的破坏形态与普通混凝土梁破坏形态类似，但是界限值少有差异。本试验中，当剪跨比小于1.5，为斜压破坏；当剪跨比处于1.5和2.5之间时，为剪压破坏；当剪跨比超过2.5时属于斜拉破坏。

（3）随着剪跨比的增大，抗剪承载力下降，当剪跨比小于2.5时，下降幅度较大，当剪跨比大于2.5时，承载力变化平缓。

[1]KandaT，WatanabeS，LiVC.Applicationofpseudostrainhardeningcementitiouscompositestoshearresistantstructuralelements[J].AEDIFICATIOPublishers，FractureMechanicsofConcreteStructures，1998，3：1477 ～1490.

[2]陈伟康.国产PVA纤维增强水泥基复合材料制备及其力学性能研究[D].扬州大学，2016.

[3]崔启飞.ECC-混凝土层间界面性能试验研究[D].扬州大学，2016.

[4]何倍轩.FRP增强ECC梁及ECC/混凝土组合梁抗剪性能研究[D].东南大学，2016.

[5]KaniGNJ.TheRiddleOfShearanditsSolution[J].ACIStructuralJournal，1964（61）：25～30.