UHPC板冲切性能研究

2022-11-17顾恺成晨

四川水泥 2022年10期

顾恺成晨

（1.中海建筑有限公司，江苏南京 211100；2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058）

0 引言

1906年，Turner首次提出无梁楼盖（板柱结构）概念，相比传统梁板柱体系具有有效控制层高、降低材料用量、简化施工工序等优势[1]，在二战后得到广泛应用。然而无梁楼盖体系存在严重的板柱节点冲切问题，国内外部分无梁楼盖结构在正常使用或地震作用下出现倒塌惨案，为此很多学者对冲切问题进行大量试验及理论研究。1907年，Talbot基于200组冲切试验结果首次提出了节点抗剪承载力经验公式[2-3]。冲切破坏属于正应力及剪应力复合作用下的空间剪切脆性破坏[4]，对于普通钢筋混凝土平板，冲切破坏一般发生在钢筋全部屈服之前，单一节点发生冲切破坏后，其余节点分配受力过大，从而导致连续倒塌[5-6]。大量研究表明，柱面形状及尺寸、混凝土强度、板厚、冲跨比、钢筋强度与配筋率、板件边界约束条件对混凝土薄板冲切承载力影响较大[7-10]。柱面面积越大，冲切承载力越大，且圆形柱面相对于方形柱面缓解了四角应力集中而具有更高的承载力，当混凝土达到极限状态时发生冲切破坏。对于冲跨比而言，冲跨比控制着混凝土冲切破坏锥体倾角，从而影响极限承载力大小，冲切面越大则承载力越大。钢筋强度及配筋率对冲切性能的影响尚未完全研究清晰，而薄板四周约束条件对冲切性能的影响很大，四边固支较简支而言具有更高的承载力。

近年来，部分学者通过提升混凝土材料性能的方式提升混凝土薄板冲切性能。UHPC（Ultra-high Performance Fiber Reinforced Concrete）具有超高抗压性能、耐久性能、较高的抗拉性能，十分适合用于薄板构件提升冲切性能。2020年，美国、瑞士、韩国等多国学者对UHPC给出简要定义[11]：（1）抗压强度超过120MPa；（2）耐久性高、渗透率低；（3）纤维桥接作用保证裂后抗拉强度大于5MPa。UHPC结构具有较强的抗剪性能，但在无梁楼盖节点中的应用和研究十分有限，目前学者们主要研究了浇筑位置、纤维掺量以及板厚等因素对冲切性能的影响，本文对UHPC在抗冲切方面的研究进行详细地归纳分析，并以南京科创园南区活力智岛二期为工程背景提出设计建议。

1 UHPC板截面形式

整体式UHPC板冲切性能相关研究与普通混凝土相关研究相比较少，板件主要截面形式为正方形等厚度板件、预设缝的等截面板、带纵横肋的华夫板、八边形等厚度板。陈浩[12]设计了平面尺寸为1200mm×1200mm试验板，高度为50～100mm不等。马胤超[13]对6块带纵横肋的华夫板进行冲切实验，平面尺寸为800mm×800mm，板肋数量分为三条正交和两条正交，板件总高度为50mm，板肋高度均为25mm，肋宽设置为50mm及80mm两种。Hassan等[14]设计了带预设裂缝的冲切试件，通过预设裂缝的位置来控制冲切角度，可以弱化弯曲效应的影响，截面尺寸为300mm×300mm×90mm，其中预设裂缝高度为60mm。Al-Quraishi[15]设计了边长为0.55m的八边形试件，截面高度为100mm。通过上述试件设计可以发现，正方形平面采用最多，高度方向均较薄，最大高度为100mm，可通过加肋增强。局部UHPC增强NC也是常用的结构形式，Rick[16]采用局部后浇UHPC增强NC八边形的结构形式，研究了后浇带面积对破坏模式的影响，发现后浇UHPC区域大小会对破坏面产生位置有所影响，后浇接缝距离加载边小于1.3倍的有效界面高度时，裂缝首先在UHPC后浇带外产生；而当大于1.9倍的有效高度时，裂缝首先出现在UHPC区域内。

2 影响参数分析

纤维桥联、UHPC板件尺寸、配筋率、受荷面积与受荷位置是影响整体式UHPC板冲切性能的主要因素。钢纤维可以有效提高UHPC的韧性以及裂后力学性能，UHPC板件的跨度、高度以及加载的方式会影响冲切破坏与弯曲破坏的模式转变。UHPC试验板截面形式见图1。

图1 UHPC试验板截面形式

2.1 纤维掺量对UHPC板冲切性能的作用

部分学者研究纤维掺量对UHPC板冲切性能的作用机理[15-18]，通过试验发现UHPC冲切倾角与普通混凝土相比明显变小，随着UHPC板破裂面增大，抗冲切承载力明显提高。纤维的取向、纤维含量均对裂缝分布具有较大影响。Al-Quraishi[15]通过数值模拟发现冲切承载力与纤维抗拉效率成0.35次方的相关关系；通过试验发现，没有钢纤维的UHPC板发生脆性破坏；UHPC板中钢纤维含量的增加会延缓弯曲裂缝的出现，提高弯曲初裂荷载。Nguyen[17]对不同纤维掺量（0%、0.8%、1.6%）以及不同浇筑方式对UHPC薄板冲切性能进行了试验研究，发现0.8%纤维掺量的板件（S02-S04）裂缝比1.6%掺量的板件（S05-S07）数量更多（图2），但是承载力降低了约50%，1.6%纤维掺量的板件极限承载力较无纤维板件提高93%。陈浩[12]发现3%体积掺量的UHPC薄板较无纤维UHPC板极限承载力提升42%，且结构延性明显提升。

图2 不同浇筑方向及相应裂缝分布[17]

2.2 结构参数（尺寸及配筋率）对UHPC板冲切性能的影响

Park等[19]对不同厚度的UHPC板件进行冲切试验发现，厚度较大的板件较薄板具有更高的冲切承载力强度和较低的变形。与此同时，钢纤维使UHPC板件发生延性破坏，但是厚度较大的板件仍然有脆性破坏的倾向，这可能是界面的剪切荷载大于纤维桥接力而发生脆性破坏。如图3所示，樊健生等[20]通过试验发现，板件厚度的增加会有效提高其刚度和冲切承载力，但是过厚的板件呈现延性降低的现象，这与Park的试验结果相吻合。厚度较大时，UHPC板件抗弯承载力提升，破坏模式由高延性的受弯破坏转为偏脆性的冲切破坏，即使有纤维桥联作用提升板件延性，但是仍具有较大的脆性破坏风险。此外，板件配筋率的提升可增加极限承载力，但是前期试件刚度变化不大，呈现延性降低，结构破坏呈脆性。周凯[10]通过试验发现UHPC板后浇带范围及厚度的增加会促使冲切破坏模式转变为弯冲破坏模式，对于配筋率的研究表明，提升配筋率可增加冲切承载力，但当配筋率超过2%时，冲切承载力不再提升。

图3 不同结构参数UHPC板荷载挠度关系[20]

2.3 加载方式（受荷面积及位置）对试件剪跨比的影响

加载区域和位置的变化会影响试件的剪跨比，改变结构的受力模式，导致破坏模式的转变（图4）。

图4 不同受荷位置破坏模式[21]

方志等[21]对加载面积及加载位置对UHPC板冲切性能的影响进行了试验研究，试验结果表明，90mm加载边长较70mm加载边长提高承载力9.8%、峰值挠度降低10.4%。偏载加载会提升冲切承载力，边部及角部偏载较中心加载可分别提升承载力15.3%和13.1%。两者对承载力的提升均是由于冲跨比的减小导致的。樊健生等[20]研究了加载区域面积对UHPC板件冲切性能的影响，试验结果发现加载面积的增加直接导致剪跨段的减小，导致破坏模式由冲切破坏向弯冲破坏发展，承载力与刚度均有提升，由此可见增加受荷面积可以有效缓解节点冲切问题。

3 设计建议

科创园活力智岛二期项目位于南京市江宁区科教创新园，北侧为芝兰路，西侧为活力智岛项目一期，南侧为秦淮河支流，东侧为龙眠大道。项目总建筑面积约10.73万m2。T1科研中心共25层（图5），建筑高度99.9m，标准层层高为3.90m；T2研发中心共9层，建筑呈L形，建筑高度37.6m，标准层层高为3.90m。

图5 科创园活力智岛二期项目效果图及区位图

该工程为EPC工程总承包项目，由中海建筑有限公司及中建工程设计有限公司联合体负责具体实施，预制装配率为40%，项目存在工期要求短、场地空间狭小、结构性能要求高等难点，具体表现为：（1）项目环保要求较高，施工天数会受到较大影响；（2）作为EPC工程，涉及专业多，技术、管理组织协调难度大；（3）地上建筑采用装配式结构，施工管理难度较大；（4）场地空间狭小，地下室外墙距离红线边不足5m，可利用空间狭小。

上述难点可通过采用UHPC板无梁楼盖解决，UHPC板无梁楼盖可有效增加层高、减少柱子数量，增加施工空间，降低施工时间。具体建议如下：大跨可采用纯UHPC楼板，中小跨采用UHPC局部增强NC楼板结构形式；板柱节点局部增强，通过扩大面积提高局部高度来提高节点抗力。