粗骨料UHPC梁斜截面抗剪性能试验研究

舒 阳

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Conrete)具有高强高韧、受拉应变硬化以及耐久性良好等优点，广泛应用于桥梁工程中，根据其是否含有粗骨料，德国将其分为粉末UHPC(即活性粉末混凝土，RPC)和粗骨料UHPC(UHPC-CA)[1-3]。UHPC-CA采用河砂和碎石部分替代了活性粉末，可以减少胶凝材料的用量，缩短搅拌时间，降低材料价格，减少材料的收缩，具有广阔的应用前景[4]。

梁的抗剪设计是结构设计中极其重要的一环，试验仍是研究梁抗剪性能的主要方法，目前针对UHPC梁的抗剪性能试验研究多集中在配箍率、剪跨比和预应力等因素上[5-9]，对钢纤维的关注不够，而钢纤维是限制UHPC梁斜裂缝开展的重要因素。

为了探究UHPC-CA梁的斜截面抗剪性能，设计了9根T型截面UHPC-CA梁，对其进行抗剪性能试验，重点考察钢纤维体积掺量的影响，得到了试件的裂缝发展、破坏形态和混凝土主应变分布等特征，揭示了钢纤维对斜截面抗剪的作用机理。

1 抗剪性能试验

1.1 试件设计

共设计了9根带下马蹄的UHPC-CAT型梁，试验梁长2.4 m；主要变化参数为：钢纤维体积掺量ρf、剪跨比λ、纵筋配筋ρ、箍筋配置。为保证剪切破坏先于弯曲破坏，参照文献[5]、[7]采用了较高的配筋率。同时参照文献[10]选用更适用于UHPC的HRB500级D20高强钢筋，箍筋采用直径6.5 mm的HPB300级钢筋。试验梁详细参数见图1及表1。

表1 试验梁设计主要参数

图1 截面尺寸与配筋(单位：mm)

1.2 试验梁材料配合比及力学性能

UHPC-CA的具体配合比见表2，变化的参数为钢纤维掺量，每种配合比均制作了材料试件，并与试验梁同体养护，实测的28 d材料性能列于表3。

表2 试验用UHPC-CA配合比

表3 UHPC-CA材料力学性能 MPa

1.3 加载与测试

本次试验加载装置如图2，除T9梁采用单点加载，其余梁均为两点对称加载；加载方式采用力控制分级加载，以预估极限荷载的5 %为标准步长，并在开裂前和破坏前减小步长。每级荷载下采集应变和位移数据，测量缝宽并在梁上标记裂缝发展情况。

试验测量了荷载、加载点截面纵筋与混凝土应变、跨中截面纵筋和混凝土应变、剪跨区箍筋应变与混凝土主应变、跨中和1/4跨处位移、裂缝分布及裂缝宽度，测点布置如图2所示。

注：1.为纵筋应变片，2.为箍筋应变片，3.为纯弯段跨中混凝土应变片，4.为加载点附件混凝土应变片，5.为剪弯段腹板混凝土应变花，6.为高精度位移传感器图2 加载及测点布置示意

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

9根试验梁共出现了两类破坏形态(图3)，具体如下。

图3 破坏形态示意

第一类破坏形态发生在T3、T6试件，其破坏过程为：梁首先在马蹄区出现弯曲裂缝，而腹剪斜裂缝先于弯剪裂缝出现，随着荷载的增加，腹剪缝数量快速增加，裂缝间距减小，腹板被腹剪缝分割为一系列受压小柱；加载至破坏前1级荷载时，梁体仍未形成明显的主裂缝；破坏时，腹板区域的倾斜混凝土小柱体首先压碎，随后引发了剪压区混凝土的破坏。这种由腹板的破坏导致的破坏形态为斜压破坏。

除T3、T6试件外其余试件均发生第二类破坏，其破坏现象为：试验梁首先出现弯曲裂缝，随着荷载的增加，剪跨段的弯曲裂缝发展为弯剪斜裂缝，裂缝逐渐向加载点发展；有纤维的梁斜裂缝数量多，裂缝宽度、高度发展明显较无纤维的T8梁要慢。无论是有纤维梁还是无纤维梁，破坏前均形成明显的

主斜裂缝，主斜裂缝出现后其他斜裂缝的发展趋于停滞，主斜裂缝则向加载点继续发展，减压区面积逐渐减小，达到极限荷载时顶部剪压区混凝土在弯剪复合作用下发生破坏。上述现象与钢筋混凝土梁的剪压破坏较为接近。

值得注意的是，即便对于剪跨比为3、3.5的无腹筋梁也未出现斜拉破坏，尤其是剪跨比为3.5的T9梁是专为斜拉破坏设计的，不仅将钢纤维体积掺量降低至1 %，且将剪跨段的纵筋配筋率也降低了近5.4 %，但仍未出现斜拉破坏。究其原因为UHPC-CA中的钢纤维能够对裂缝的开展形成有效的约束，斜裂缝出现后并不会马上贯通至梁顶部；从桁架模型分析，对于无腹筋梁，受拉腹杆为混凝土，UHPC-CA有应变硬化现象，水泥基基体开裂后纤维仍然能承担拉力发挥受拉腹杆的作用。综合文献[5]、[7]的试验结果来看，当钢纤维体积掺量不小于1 %时，UHPC-CA梁不会发生斜拉破坏。

2.2 开裂及裂缝发展

UHPC-CA梁的开裂模式与普通混凝土梁有显著的区别。裂缝分布如图4所示，得益于裂缝间钢纤维的约束作用，UHPC-CA梁裂缝细而密，平均间距小，主斜裂缝的延伸和缝宽发展速率更为缓慢；纤维体积掺量越高裂缝分布越密、缝宽增长越慢。

图4 试验梁裂缝分布

图5为9根试验梁的荷载-斜裂缝宽度曲线。从图中可看出，试验梁初始开裂缝宽一般小于0.02 mm，缝宽在达到0.1 mm前为初始增长阶段，缝宽基本呈线性增长，达到0.1 mm后，斜裂缝间的钢纤维与UHPC-CA基体间的化学胶着力基本破坏，钢纤维进入滑移阶段，缝宽增长明显加速。当斜裂缝缝宽发展到0.2 mm后，加载点与支座连线方向上的1～2条斜裂缝逐渐形成主裂缝，缝宽随荷载快速增大。

分析图5(a)可知，剪跨比越大开裂越早，裂后斜裂缝发展速度也越快，与普通混凝土梁类似。分析图5(b)可知，对于同一剪跨比的梁，钢纤维体积掺量对斜裂缝宽度的增长速度影响显著，体积掺量2 %的梁裂缝初始增长阶段(缝宽小于0.1 mm)明显长于体积掺量1 %及无纤维的梁。分析图5(c)可知，箍筋对初始增长阶段的缝宽约束较弱，对钢纤维滑移阶段的缝宽约束较强，表明箍筋和钢纤维在UHPC-CA中能协同发挥作用，使主斜裂缝沿斜截面分布更加均匀。

2.3 应变分布及发展

根据试验结果，以梁T2-2-0为例，绘制出试验梁的荷载-主应变测试结果如图6所示。

由图中可知，梁开裂前主应变随荷载增加呈线性，主压应变倾角随腹板高度增加而减小，符合主压应力分布规律，斜裂缝开展后，主拉应变急剧增长。而实测开裂主拉应变比按轴拉应力计算得的拉应变值略小，说明主压应力的存在使得基体在复合应力状态下的开裂应力小于材料单轴拉应力，然而对于发生剪切破坏的简支梁的临界截面，主拉应力并非一个较大的值，因此可近似认为复合应力状态下的抗拉强度等于单轴抗拉强度[11]。同时实测主压应变倾角与实际测量的主斜裂缝倾角相差几度，这与修正压力场理论的结论一致。[12]

(a)不同剪跨比比较

(b)不同钢纤维体积掺量比较

(c)有腹筋与无腹筋比较图5 荷载-斜裂缝宽度曲线

(a)1-3号应变片荷载-主应变

(b)1-3号应变片荷载-主压应变倾角图6 T2-2-0主应变曲线

2.4 荷载-挠度曲线

绘制出9根试验梁的荷载-跨中挠度曲线如图7所示。对比不同钢纤维掺量的试验梁可以发现：钢纤维掺量的增加显著增加了大剪跨比梁开裂后的刚度。梁在极限破坏时钢纤维均相继被拔出，并未出现纤维断裂的现象。受限于钢纤维尺寸，体积掺量的进一步提高对延性的提高有限。此外箍筋对UHPC-CA梁变形能力的提高效果尤其明显，这主要是由于箍筋约束了斜裂缝的发展，增大了有效截面。

图7 荷载-挠度曲线

2.5 试验结果汇总

所有试验梁的试验结果汇总于表4。表中Vm为试件出现弯曲裂缝时的剪力值，Vcr为试件出现斜裂缝时的剪力值，Vu为试件的极限剪力，Δu为试件破坏时的跨中挠度值，θ为主斜裂缝与水平轴的夹角。

表4 宏观力学结果汇总

3 结论

(1)纤维体积掺量不小于1 %的梁不会出现斜拉破坏，这与钢筋混凝土梁有很大区别。剪跨比不大于1时出现斜压破坏，剪跨比大于1(λ<3.5)时出现剪压破坏。

(2)发生剪压破坏时，钢纤维对UHPC-CA梁抗剪承载力的贡献巨大，钢纤维的贡献超过50 %。

(3)钢纤维体积掺量对裂缝的分布和裂缝平均间距影响显著，体积掺量越高裂缝分布越密集。

(4)钢纤维的掺入能够明显提高UHPC-CA梁的变形能力，但其破坏本质上仍为脆性破坏。