超高性能混凝土梁抗剪性能的研究进展

2024-02-20徐铮

广东建材 2024年2期

徐铮

(新疆大学建筑工程学院)

1979 年，丹麦Bache 采用细料致密法(Densified with Small Particles, DSP)配制出强度为150～200MPa的混凝土[1]。1993年，法国Bouygues公司在DSP理论、钢纤维混凝土等研究基础上，研发出活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)[2-3]。1994年，Larrard 等[4]首次提出将基于DSP 理论配制而成的混凝土材料统称为UHPC。

UHPC 不但具备超高的力学性能，而且还具有自重轻、韧性高、徐变低等特点。UHPC 自重约为传统混凝土结构的1/3～1/2，掺入的钢纤维显著提高了材料强度（抗拉、抗弯和抗剪强度）和韧性，也增加了UHPC 构件、结构的延性和耗能，使其在地震或超载条件下具备优异的可靠性。从微观角度来看，UHPC 水胶比低、堆积密度高、孔隙率低，较普通混凝土(Normal Concrete, NC)具有更好的耐腐蚀性、耐磨性和更低的渗透性。

本文对UHPC 梁斜截面抗剪性能及影响因素进行综述，介绍UHPC 材料力学性能国内外的最新研究进展，探讨UHPC 梁抗剪性能研究成果，总结UHPC 叠合梁最新研究成果，以期为UHPC结构的研究与应用提供参考。

1 UHPC材料力学性能

超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、高效减水剂、石英砂（粉）及钢纤维等材料组成，依照最大密实度原理构建，从而可使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减至最少。超高性能混凝土具有高强度，高韧性，低徐变等特点，能较好地克服目前普通混凝土抗拉强度低、脆性大、徐变大等缺点。

UHPC 材料力学性能研究侧重UHPC 自身材料层面，包括：组成和配合比、掺入纤维性能与影响、拌合物性能、力学性能、变形性能、长期性能、养护方法等方面。

Norhasri 等[5]发现在UHPC 中掺入纳米超粘土可提高UHPC 的流动性，但不利于UHPC 最终强度的提升。Ahmad 等[6]得出随着钢纤维掺量的增加，UHPC 抗压强度和弹性模量均显著增大；随着高温时间的增加，UHPC 抗弯强度和弹性模量却显著减小。Hou等[7]通过研究发现赤泥的加入促进了UHPC 的水化过程，提高了UHPC 的早期耐久性，降低了UHPC 的工作性能和抗压强度；但仍可用于一般建筑，如含40%赤泥的UHPC经高温养护后抗压强度仍大于150MPa。

Mo 等[8]得出较高的养护温度会抑制水泥的水化程度，不利于UHPC强度及长期耐久性的提升。

关于UHPC 材料力学性能的研究，国内外学者开展了广泛研究，为UHPC 基本构件性能、既有结构加固及组合构件性能的研究奠定了基础。

2 UHPC梁抗剪性能

UHPC 梁作为UHPC 基本构件中最要的一员，是近期UHPC 研究中的热点之一。UHPC 梁的抗剪性能研究，包括UHPC 的材料特性和构件特性（剪跨比、配箍率、钢纤维掺量和纵筋配筋率）对抗剪性能的分析研究。

2.1 破坏形态

梁兴文等[9]发现UHPC 有腹筋梁的破坏形态有弯曲屈服后的剪切破坏和剪压破坏，破坏时梁表面呈现多条斜裂缝。邓宗才等[10]提出钢纤维与粗聚烯烃纤维混杂，可改善RPC 梁抗剪变形能力，使梁由脆性破坏变为延性破坏。Wang 等[11]发现对于无腹筋梁，当剪跨比为1.5 时，破坏形式为斜压破坏，当剪跨比为1.75～3 时，破坏形式为剪压破坏。戚家南等[12]开展了UHPC薄腹梁受剪试验，受力过程分为弯曲开裂前弹性阶段、“桥联作用”失效前和“桥联作用”失效后3个阶段。UHPC梁剪切破坏具备一定延性且有明显征兆，为半延性-半脆性破坏。由于纤维“桥联作用”，UHPC 梁剪切开裂后呈多条剪切裂缝同时开展现象。

UHPC 梁剪切破坏时呈多斜裂缝现象，并且破坏时从脆性破坏变成具有一定延性且有明显征兆。

2.2 剪跨比

UHPC 矩形截面梁在一定范围内增大梁的剪跨比可以明显降低梁的抗剪承载力[11]。Ahmad 等[13]发现当剪跨较大时，UHPC 梁抗剪承载力和跨中挠度较低；当纵筋率较低时，抗剪承载力和跨中挠度随剪跨比的增加而降低。

2.3 配箍率

梁兴文等[9]发现箍筋约束了斜裂缝的开展。HRB500 高强箍筋的配箍率由0.42%提高到0.64%时，剪跨比为1.5、2.5 的RPC 梁分别提高22.1%、7.1%，当配箍率超过0.64%时，对抗剪承载力的提高作用不大[10]。Meszoly 等[14]完成了UHPC 工字型截面梁的抗剪性能试验，发现随着箍筋间距的不同，在极限承载力的60%～80%时箍筋开始屈服。Wu 等[15]研究发现随着配箍率的增加，UHPC 的延性、抗剪强度和剪切滑移增大，剪切裂缝宽度减小。

2.4 钢纤维

梁兴文等[9]发现裂缝截面钢纤维的桥接作用对梁有一定贡献；并在考虑剪压区混凝土、斜裂缝截面钢纤维、箍筋及纵筋销栓作用的基础上，提出计算UHPC 有腹筋梁计算模型。邓宗才等[10]研究表明：钢纤维体积掺量由1%提高到2%时，RPC 梁抗剪承载力提高17%，开裂荷载提高31.5%。钢纤维体积比小于1%时，UHPC梁的较低，破坏模式表现出明显的脆性[11]。Lim 等[16]发现钢纤维有助于提高UHPC 梁的抗剪承载力，且能够和箍筋一起抑制剪切斜裂缝。Wu 等[15]发现在合理的微钢纤维体积比范围内（最佳体积比为0%～2.5%），随着微钢纤维体积比的增加，UHPC 的剪切强度和剪切滑移增大，剪切裂缝宽度减小。

由此可见，钢纤维的加入抑制了剪切斜裂缝的发展，提高了UHPC 梁抗剪承载力，但并不是随着钢纤维掺量的增加，UHPC 梁抗剪承载力会一直提高。综合经济与性能的考虑，钢纤维比较合理的体积掺量在1%～2%。

2.5 纵筋配筋率

Ahmad[13]、Pourbaba[17]等发现增大纵筋配筋率对于提高抗剪承载力的效果有限。

在以上研究基础上整理了部分UHPC 梁斜截面抗剪承载力计算公式，其中Ahmad 及法国规范单独考虑了钢纤维对抗剪承载力的贡献，见表1。

表1 UHPC梁抗剪承载力计算公式

注：λ为剪跨比；α0为受压翼缘影响系数；b为腹板宽度；fyv为箍筋屈服强度；Asv为箍筋截面积；s为箍筋间距；Np0为计算截面混凝土法向应力等于零时预应力钢筋和非预应力钢筋合力；A= -0.1688，B= 0.0723；fs为极限状态下纵筋应力，一般取屈服强度；fcu为UHPC 棱柱体抗压强度；ρ为纵筋率；ρsv为配箍率；σp为残余抗拉强度；bef为腹板有效宽度；fʹc为UHPC 圆柱体抗压强度；a为剪跨；F1=(lf/df)∙vf∙α；lf为钢纤维长度；df为钢纤维直径；vf为钢纤维体积分数；α为粘结系数。fck为UHPC 圆柱体抗压强度；NEd为由于加载或预应力在截面产生的轴向力；γcfγE为安全系数，取1.5；Ac为UHPFRC 的截面积；bw受拉区域内截面最小宽度；z是构件所受弯矩相应的力臂。θ为主压应力与纵轴的夹角；Afv=bw z；σRd,f是沿剪切裂缝倾角θ并与之垂直裂缝的开裂后强度平均值。

目前，学者们围绕UHPC 梁斜截面抗剪性能开展了较为全面的试验研究，但目前使用的钢纤维集中于平直型，针对端钩型和波纹型的应用及研究较少，后续需加强这一方面的研究。

3 UHPC叠合梁

叠合梁是一种特殊的结构形式，其下部的形式为预制混凝土，而上部则采用现浇混凝土，使得构件具有较好的整体性。它不仅有现浇混凝土结构整体性强、抗震性能好等优点，也有预制装配式结构无须支模拆模、缩短施工周期、劳动力需求量小等优点。

UHPC 由于其出色性能，可满足叠合梁的性能要求。Li 等[20]发现提高预应力水平和UHPC 高度均能延缓UHPC-NC 组合预应力T 梁裂缝的形成和扩展，该梁中UHPC 的合理高度为总截面高度的22%～52%。刘超等[21]试验表明，UHPC-NC简支梁下部的UHPC层能够有效地提高梁的抗剪承载力和延性，且UHPC 层配筋梁比不配筋梁抗剪承载力提高约30%。Li[22]指出与NC 梁相比，UHPC-NC梁主裂缝宽度和跨中挠度分别减少了25.1%和27.5%，开裂荷载和极限荷载分别增加了80.0%和9.0%，UHPC充分发挥了其高强度和高延性的特点。

随着国家对预制装配式建筑的大力支持推广，叠合梁具有广阔的应用前景，而UHPC 能很好地适应叠合梁这一结构形式，推动着UHPC在工程中的应用。