RPC配比及配筋率对T型梁受弯性能的影响研究

2020-10-14龙佩恒黄琳艺

北京建筑大学学报 2020年3期

关键词：钢纤维挠度屈服

龙佩恒，黄琳艺，乔宏，宋浩，李飞

(北京建筑大学土木与交通工程学院, 北京 100044)

收稿日期：2020-04-13

基金项目：国家自然科学基金项目(5160828)

第一作者简介：龙佩恒(1964—)，男，教授，博士，研究方向：桥梁工程.

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是一种超高强度、高耐久性、高韧性的水泥基复合材料. 既有研究证明相比普通混凝土，RPC构件具有更好的延性和抗裂性，其抗剪能力和抗弯承载力均有所提高[1-8]. 同时，RPC在恶劣的外部环境下仍保持优异的耐久性[9]. 此外，RPC构件比普通混凝土构件更轻薄，适合预制拼装和长途运输. 以上特点均满足桥梁工程对材料性能的需要，RPC有望在桥梁领域得以广泛应用.

2003年北京交通大学将RPC无筋空心板用于北京五环路桥，是RPC在我国桥梁工程的第一次尝试，2006—2008年相继在迁曹铁路和蓟港铁路中用到RPC- T型梁. 然而在此之后的新建桥梁却很少选用RPC作为主梁材料，RPC的发展不及预期. 这是因为具有相同承载能力的RPC梁的混凝土用量和横截面面积均小于普通混凝土梁，这使得RPC梁的安全性受到质疑. 此外，GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》并未涉及RPC构件的力学性能及具体的施工工艺，这也阻碍了RPC梁在我国桥梁工程中的发展和应用.

针对以上问题，本文对5组RPC- T型梁进行有限元模拟及受弯试验，分析配比及配筋率对T型梁开裂形态和承载能力的影响，探究其力学性能，以确保RPC梁在工程应用中的安全性.

1 RPC- T型梁配比及配筋设计

试验包含RPC配比和纵筋配筋率2个变量. 设计不同RPC配比是为了对比分析钢纤维对T型梁受力性能的影响；设置不同纵筋配筋率是为了研究配筋率对构件延性和承载能力的影响，确定最优配筋率.

1.1 RPC配比设计及材料强度

参照郑文忠[10]提出的RPC材料力学性能公式(1)，设计了3组RPC配比(表1). 3组配比强度均为120 MPa. 3号配比在1号配比的基础上添加了1.5%的钢纤维，2号配比是对3号配比的改进，更加经济实惠.

(1)

表1 材料配比

为了验证3组RPC配比的材料强度，参照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行RPC材料性能试验，试验结果见表2，所得应力- 塑性应变关系曲线如图1所示. 该结果可为有限元模拟提供参数依据.

1.2 T型梁配筋设计

T型梁长3.20 m，两端部长0.20 m，腹板厚0.10 m，翼板厚0.05 m. 设计了3种不同配筋方式如图2所示，分别编号A、B、C，其纵筋配筋率依次增大，且均使用HRB 500高强钢筋. 为了凸显含钢纤维构件的抗剪破坏性能，在配筋设计时略微下调了箍筋配筋率.

综合考虑RPC配比和纵筋配筋率，设计5组T型梁构件. 构件编号、配比及配筋情况见表3.

表3 T型梁编号及配筋表

注：构件编号中A、B、C分别对应3种配筋方式，1、2、3则对应表1中3组配比. 表中钢筋直径及箍筋间距均以mm计.

2 RPC- T型梁有限元分析

运用有限元软件建立RPC- T型梁模型进行受弯承载力分析，为T型梁受弯试验提供加载依据，并将模拟数据与试验数据进行对比，检验其准确性.

2.1 有限元模型的建立

对表3中5组T型梁构件分别进行有限元模拟，模型尺寸及配筋方式参照图2. RPC的材料属性依据表2中材性试验的结果,本构模型如图1所示；钢筋应力- 应变关系曲线简化为两折线模型，如图3所示. 采用实体单元建模，纵向间距0.10 m，横向和竖向间距0.05 m划分网格，如图4所示. 边界条件为构件两端底部设置简支约束. 选取构件三分点为加载点，在加载处加垫钢板，确保集中荷载通过钢板均匀地传递给构件.

2.2 有限元计算结果分析

经过有限元分析得到5组T型梁构件的荷载- 位移曲线，如图5所示.

有限元模拟的结果可用于初步判断T型梁受弯试验中各构件的开裂荷载、屈服荷载和破坏挠度，为试验的加载过程提供指导.

3 RPC- T型梁受弯试验

3.1 试验方案及测试内容

试验主要研究RPC- T型梁受弯性能，在对T型梁加载后记录各阶段所加荷载、钢筋应变、混凝土应变、竖向挠度及构件开裂情况. 加载前的试验装置如图6所示.

3.1.1 应变测点

在纵筋六分点处布置钢筋应变片，用于判断钢筋的屈服情况；在跨中截面及两侧剪弯段分别布置混凝土应变片，具体测点位置如图7所示.

3.1.2 加载方式

对T型梁采用分级加载的方式，加载点位于构件三分点处，加载方式如图8所示. 在钢筋屈服前采用荷载控制加载，加载速率20 kN/min，每级30 kN，在预计开裂荷载附近适当减小加载速率，观察梁的开裂情况；屈服后采用位移加载，加载速率5 mm/min，每级10 mm，在预计破坏挠度附近降低加载速率，直至破坏.

3.2 试验现象

3.2.1 T型梁受弯破坏过程

构件A-2、B-2、B-3、C-2均发生受弯破坏，其开裂过程及形态较为相似，在此只列出A-2的裂缝形态图.

构件A-2加载至76 kN时，跨中梁底出现细微裂缝，如图9(a)所示；继续加载至319 kN，梁进入屈服阶段，跨中挠度达16 mm，此时裂缝数量和宽度均有大幅增长，剪弯段斜裂缝尤为明显，但裂缝宽度发展到0.1 mm左右便不再扩展，如图9(b)所示；加载至360 kN时，受压区混凝土压溃，如图9(c)所示，此时挠度为70 mm.

构件B-2加载至69 kN时，跨中梁底开始出现少量纯弯区竖向裂缝；加载至395 kN时，梁进入屈服阶段，跨中挠度达17 mm，此时纯弯段竖向裂缝及剪弯段斜裂缝都非常密集，但裂缝宽度大部分发展到0.1 mm左右便不再扩展；荷载增加至434 kN时，梁顶混凝土压溃，T型梁受弯破坏，此时挠度为72 mm.

构件B-3加载至70 kN时，梁底出现细微裂缝；加载至418 kN时，梁进入屈服阶段，跨中挠度达18 mm，此时裂缝密集，但裂缝宽度均不超过0.1 mm；荷载增加至455 kN时，跨中梁顶混凝土压坏，此时挠度为55 mm.

构件C-2加载到74 kN时，跨中梁底开始开裂；加载至517 kN时，梁进入屈服阶段，跨中挠度达19 mm，此时裂缝密集，剪弯段斜裂缝发展迅速；荷载增加至543 kN，受压区混凝土破坏，此时挠度为36 mm.

3.2.2 T型梁剪切破坏过程

构件B-1加载至45 kN时，构件底部开始出现纯弯段竖向裂缝，如图10(a)所示；随着荷载增加，剪弯段斜裂缝出现且发展迅速，加载至225 kN时，梁发生脆性破坏，破裂面沿45°方向，为典型的剪切破坏，此时纵向受拉钢筋没有屈服，如图10(b)所示.

3.3 试验结果分析

各T型梁构件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载汇总见表4.

表4 各T型梁开裂荷载、屈服荷载及极限荷载实测值

对比表4中A-2、B-2、C-2可知，随着配筋率增加，开裂荷载有小幅降低，但屈服荷载和极限荷载都有所增大. 原因在于随着配筋率增大，钢筋和混凝土之间的接触面积也增大，其黏结应力随之增加，导致微裂缝产生，从而降低了构件的开裂荷载，而在混凝土开裂后，部分荷载由钢筋承担，所以随着配筋率增大，屈服荷载和极限荷载都有所提升. 3个构件的跨中荷载- 挠度曲线如图11所示，梁的纵筋配筋率越高，其承载能力越大，但配筋率增大到一定程度后，梁的延性有所下降. 因此，就本试验而言，B类配筋方式最佳.

对比表4中B-1、B-2、B-3可知，不掺钢纤维的T型梁B-1在钢筋还未屈服时就已发生脆性剪切破坏，这是由于统一下调箍筋配筋率所致；而掺入钢纤维的T型梁B-2、B-3均发生受弯破坏，其开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均较B-1增大50%以上，且裂缝宽度能约束在0.1 mm左右. 由此可知钢纤维能提高构件的抗剪能力，增加梁的延性，同时能约束裂缝开展，提高受弯承载力. 以上3组构件的荷载- 挠度曲线如图12所示，图中B-2与B-3的荷载- 挠度关系相似，由此可知，改良后的2号RPC配比仍满足承载力需求.

3.4 实际工程中尺寸效应问题

本试验所用梁为实际工程梁的缩尺模型，目前，对于RPC缩尺梁与实际工程梁之间尺寸效应的研究还相对缺乏. 尺寸效应主要影响梁的开裂荷载和抗剪承载力，受弯试验已证明含钢纤维的RPC梁的开裂荷载较普通混凝土梁大，且抗剪承载力更高. 同时,既有研究表明RPC受尺寸效应的影响较普通混凝土小[11-12]. 因此，本试验结果表明实际工程在考虑尺寸效应时参考普通混凝土[13-15]是安全的.