有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁受剪承載力試驗(yàn)研究

姚大立 賈金青 余芳

摘要：為揭示有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁受剪性能，通過11根預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁和4根預(yù)應(yīng)力普通混凝土梁受剪性能試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同參數(shù)對(duì)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、荷載撓度曲線、承載能力和鋼筋應(yīng)變的影響.結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的破壞形態(tài)與預(yù)應(yīng)力普通混凝土梁相似，且預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁具有更好的剛度、承載能力和剪切延性.增大剪跨比和箍筋間距均可降低極限承載力，另外，當(dāng)預(yù)應(yīng)力度大于0.34時(shí)，提高預(yù)應(yīng)力度對(duì)極限承載力才有積極貢獻(xiàn).建立了有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁斜截面受剪承載力的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.此外，利用現(xiàn)行規(guī)范（GB 50010-2010）計(jì)算有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁受剪承載力的計(jì)算結(jié)果離散性較大，計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定.

關(guān)鍵詞：剪跨比；預(yù)應(yīng)力；受剪承載力；破壞形態(tài)

中圖分類號(hào)：TU378.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著橋梁工程技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨度、高強(qiáng)裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁被廣泛應(yīng)用于公路工程建設(shè)項(xiàng)目中＼[1-2＼]，高強(qiáng)高性能混凝土作為一種新型混凝土，其在強(qiáng)度、耐久性、工作性能及體積穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于普通混凝土，但同時(shí)也存在脆性大、延性差等弱點(diǎn).現(xiàn)有規(guī)范適用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15～C80，然而隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，比文獻(xiàn)＼[3＼]混凝土強(qiáng)度等級(jí)更高的超高強(qiáng)混凝土在實(shí)際工程中也得到廣泛應(yīng)用.目前，國內(nèi)智菲＼[4＼]等已對(duì)8根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土（C70）梁的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，觀察了裂縫開裂特點(diǎn)和破壞形態(tài)，并給出受剪承載力建議性公式.Graybeal對(duì)預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的彎曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究＼[5＼].但是，目前尚無學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土（C100）梁的剪切性能進(jìn)行理論或試驗(yàn)方面的研究，使得相關(guān)理論和研究成果嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐.

本文通過有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土簡支梁受剪試驗(yàn)，揭示了梁的受剪機(jī)理，系統(tǒng)研究了影響試驗(yàn)梁受剪性能的主要因素，并結(jié)合我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）和《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 104—99），提出了有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁斜截面受剪承載力計(jì)算公式.

1試驗(yàn)概況

共設(shè)計(jì)了11根有腹筋預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土和4根預(yù)應(yīng)力普通混凝土簡支梁，截面尺寸為160 mm×340 mm.試驗(yàn)梁長為1 200 mm， 1 400 mm， 1 600 mm，其中剪跨區(qū)段長為840 mm， 1 120 mm， 1 400 mm，分別對(duì)應(yīng)的剪跨比為1.5， 2.0和2.5.試件的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)分別為C40， C70和C100，試驗(yàn)梁的受拉鋼筋為3根直徑20 mm的HRB335級(jí)鋼筋，屈服強(qiáng)度為370 N/mm2，箍筋為直徑6.5 mm的HPB235級(jí)鋼筋，屈服強(qiáng)度為335 N/mm2，預(yù)應(yīng)力筋采用1860級(jí)鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為σcon =0.75fptk（fptk為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），直徑分別為15.2 mm和12.7 mm，屈服強(qiáng)度分別為1 815 N/mm2和1 798 N/mm2，采用有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力工藝.為降低張拉階段的預(yù)應(yīng)力損失，本次試驗(yàn)采用低回縮預(yù)應(yīng)力錨具，主要試驗(yàn)變量為剪跨比λ， 箍筋間距s， 混凝土強(qiáng)度fcu和預(yù)應(yīng)力度λp.根據(jù)文獻(xiàn)＼[6＼]，預(yù)應(yīng)力度λp定義為式（1）.試驗(yàn)梁參數(shù)和主要試驗(yàn)結(jié)果列于表1，混凝土材料力學(xué)性能見表2.

λp=（Apsfps）/（Apsfps+Asfy）. （1）

式中：Aps為預(yù)應(yīng)力鋼筋總面積； As為縱向受拉鋼筋總面積； fps為預(yù)應(yīng)力筋的屈服強(qiáng)度； fy為縱向受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度.

2測點(diǎn)布置及加載方案

在加載點(diǎn)和支座范圍的箍筋上均粘貼有電阻應(yīng)變片，梁跨中的受拉鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋表面粘貼電阻應(yīng)變片.將LVDT置于梁跨中底部和支座處，以測得梁的整體變形.采用單調(diào)靜力加載制度，正式加載時(shí)，每級(jí)荷載約為預(yù)估極限荷載的10%，每加一級(jí)荷載，持載10 min.接近預(yù)估開裂荷載時(shí)，適當(dāng)降低每級(jí)荷載增量以期較準(zhǔn)確地獲取實(shí)際開裂荷載.加載至極限荷載85%時(shí)則以位移控制加載，加載速率為0.02 mm/min.所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過IMC數(shù)據(jù)采集儀全自動(dòng)采集.試驗(yàn)測試內(nèi)容：試件開裂荷載、極限荷載；鋼筋及混凝土應(yīng)變；荷載撓度曲線及裂縫開展情況等.試驗(yàn)裝置及混凝土測點(diǎn)布置見圖1，典型試件的應(yīng)變片布置見圖2.

3主要試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1破壞形態(tài)

預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁破壞形態(tài)與預(yù)應(yīng)力普通混凝土梁基本相似.加載初期，試驗(yàn)梁處于彈性階段，加載至極限荷載的17%～32%時(shí)，梁跨中加載點(diǎn)的正下方出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的增大，在剪跨區(qū)內(nèi)也出現(xiàn)高度略低于受拉鋼筋中心的豎向裂縫，且斜向加載點(diǎn)方向發(fā)展.當(dāng)加載到極限荷載的36%～53%時(shí)，剪跨區(qū)內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋位置處出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫出現(xiàn)很突然，荷載繼續(xù)增加，豎向裂縫發(fā)展緩慢，斜裂縫寬度加大.當(dāng)荷載接近試驗(yàn)梁斜截面的極限承載力時(shí)，試驗(yàn)梁撓度增長加快，斜裂縫向上延伸至集中荷載作用點(diǎn)處，向下延伸至受拉鋼筋位置，并沿著受拉鋼筋向支座發(fā)展.此時(shí)荷載已達(dá)到試驗(yàn)梁的斜截面承載能力.預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的斜裂縫面較普通強(qiáng)度混凝土梁光滑平整，破壞面沿裂縫的粗骨料大部分被劈開，這表明與普通強(qiáng)度混凝土相比，超高強(qiáng)混凝土骨料咬合作用有所降低.在試驗(yàn)加載的過程中，所有的試驗(yàn)梁都是箍筋首先屈服，受拉鋼筋未屈服而發(fā)生剪壓破壞.預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的開裂荷載和極限荷載見表1，破壞形態(tài)如圖3所示.

3.2荷載撓度曲線分析

從圖4中可看出預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的受力大致可分為3個(gè)階段：1）從開始加載至試驗(yàn)梁斜截面開裂屬于彈性階段.在此階段，試驗(yàn)梁表現(xiàn)出整體工作性能，荷載撓度曲線呈線性； 2）彈塑性階段.從斜截面開裂至極限承載力為彈塑性階段.在此階段，撓度發(fā)展顯著加快，試驗(yàn)梁的荷載撓度曲線呈非線性，剛度明顯降低.3）破壞階段.從極限承載力至卸載階段為試驗(yàn)梁的破壞階段.圖4（a）示出了剪跨比對(duì)試驗(yàn)梁荷載撓度曲線的影響.由圖可見：預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁的斜裂縫出現(xiàn)后，試驗(yàn)梁的剛度隨剪跨比增加而逐漸減小，因?yàn)榧艨绫圈?M/V反映了試驗(yàn)梁破壞截面的彎矩與剪力的相對(duì)比值，在剪力水平相同的情況下，對(duì)于剪跨比較大的試驗(yàn)梁，斜裂縫形成后的截面有效慣性矩減小，因此導(dǎo)致試驗(yàn)梁的剛度顯著降低.圖4（b）示出了不同預(yù)應(yīng)力度對(duì)試驗(yàn)梁荷載撓度曲線的比較.由圖可見：預(yù)應(yīng)力度增加，荷載撓度曲線的上升段斜率增大.這是由于增大預(yù)應(yīng)力度提高了試驗(yàn)梁的剛度.圖4（c） 示出了混凝土強(qiáng)度對(duì)荷載撓度曲線的影響，由圖可見：試驗(yàn)梁的初始剛度隨著混凝土強(qiáng)度的增加而增大，這是因?yàn)榛炷翉椥阅Ａ侩S著抗壓強(qiáng)度的提高而增大.然而，混凝土抗壓強(qiáng)度的增加并沒有致使試驗(yàn)梁的剪切延性降低，反而增大.根據(jù)剪切延性系數(shù)的計(jì)算理論＼[7＼]，試驗(yàn)梁PRC3的剪切延性系數(shù)為1.73，而試驗(yàn)梁PRC13的剪切延性系數(shù)為1.36，同理，試驗(yàn)梁PRC07和PRC15的剪切延性系數(shù)分別為2.12和1.52.這是由于超高強(qiáng)混凝土與普通強(qiáng)度混凝土相比具有更小的水灰比，因此鋼筋與超高強(qiáng)混凝土間具有更大的黏結(jié)力，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁具有更好的變形能力.圖4（d）表明了箍筋間距只影響試驗(yàn)梁的斜截面承載力，對(duì)試驗(yàn)梁的剛度無作用.