配箍率對(duì)高強(qiáng)鋼筋RPC梁抗剪性能影響研究

金凌志, 梅臣

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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配箍率對(duì)高強(qiáng)鋼筋RPC梁抗剪性能影響研究

金凌志1,2, 梅臣1,2

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

摘要:為了研究HRB500級(jí)高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土簡(jiǎn)支梁的抗剪性能，通過(guò)改變箍筋配筋率，對(duì)4根在集中荷載下的RPC簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受剪破壞試驗(yàn)，比對(duì)分析不同配箍率對(duì)試驗(yàn)梁的斜裂縫發(fā)展、受剪承載力及最大斜裂縫寬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：高強(qiáng)箍筋和活性粉末混凝土具有良好的協(xié)同工作性能，抗剪延性得到改善；高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁的臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發(fā)展而成；配箍率大小對(duì)試驗(yàn)梁的斜向開(kāi)裂荷載并無(wú)明顯影響，但是配箍率越高，斜裂縫寬度越小，抗剪承載力越高；桁架-拱理論模型公式比較適用于高強(qiáng)鋼筋RPC有腹筋梁抗剪承載力的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼筋；活性粉末混凝土；配箍率；斜裂縫寬度；受剪承載力

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡(jiǎn)稱RPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料,具有高強(qiáng)度、高耐久性及高韌性等優(yōu)良性能[1]，應(yīng)用前景廣闊[2]。由于提高了組分細(xì)度、反應(yīng)活性及摻加了鋼纖維，相比普通混凝土梁，活性粉末混凝土梁在抗剪性能上有突出的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其抗剪性能的研究不容忽視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)活性粉末混凝土的制備、基本力學(xué)特性等進(jìn)行了深入研究[3-5]。陸小呂[6]用ANSYS建立有限元模型，驗(yàn)證所提出的RPC梁極限彎矩計(jì)算式。Xia等[7-8]根據(jù)RPC梁的抗剪試驗(yàn)結(jié)果，提出相適應(yīng)的塑性剪切理論和黏結(jié)滑移理論。武玉贊[9]基于修正壓力場(chǎng)理論，充分考慮受拉區(qū)鋼纖維對(duì)混凝土抗拉性能的提高，分析得到鋼纖維混凝土梁在彎剪作用下極限抗剪承載力的簡(jiǎn)化截面分析方法。張浦[10]基于軟化桁架模型，系統(tǒng)分析混凝土強(qiáng)度、剪跨比、配箍率等因素對(duì)RPC梁抗剪承載力的影響，并初步提出RPC梁抗剪承載力計(jì)算的建議公式。金凌志等[11-12]對(duì)6根RPC簡(jiǎn)支梁進(jìn)行抗剪試驗(yàn)研究，分析配箍率等參數(shù)對(duì)剪切延性、抗剪承載力以及斜裂縫寬度的影響，表明剪切延性系數(shù)和抗剪承載力均隨配箍率的提高而提高，并提出RPC梁最大斜裂縫寬度與平均斜裂縫寬度的關(guān)系公式。但是國(guó)內(nèi)對(duì)高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁抗剪性能的研究尚少，參考文獻(xiàn)[6-10]主要研究普通鋼筋RPC梁的抗剪性能。本文在活性粉末混凝土梁中配置HRB500級(jí)縱筋和HRB400級(jí)箍筋，在文獻(xiàn)[10-11]研究成果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用摩爾圓原理，分析試驗(yàn)梁斜裂縫開(kāi)裂模式均為腹剪型斜裂縫的原因，揭示不同配箍率對(duì)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、受剪承載力及斜裂縫寬度等的影響機(jī)理。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)將配箍率作為重要參數(shù)，分析研究高強(qiáng)鋼筋RPC梁的抗剪承載力。4根配有HRB500級(jí)鋼筋的RPC簡(jiǎn)支梁，剪跨比λ=2.25，受拉縱筋直徑25 mm，HRB400級(jí)箍筋，截面尺寸b×h=150 mm×250 mm , 梁長(zhǎng)2 200 mm，跨度1 800 mm，試驗(yàn)梁參數(shù)及RPC力學(xué)性能見(jiàn)表1～2。

1.2原材料

RPC原材料配合比見(jiàn)表3，包括廣西興安海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥；石英砂：粒徑范圍0.4～0.6 mm，顆粒呈球形；微硅粉：比表面積20 000 m2/kg，平均粒度范圍為0.1～0.2 um，硅灰中SiO2的含量94.7%以上；石英粉：粒徑為40 μm，SiO2含量為99.24%；硅微粉：粒徑2 μm以下，平均粒徑0.31 μm左右；鋼纖維：選用鍍銅光面平直鋼纖維，直徑0.22 mm，長(zhǎng)度為12～15 mm，抗拉強(qiáng)度>1 200 MPa；小組分；FND濃縮型高效減水劑和水。

表1　試驗(yàn)梁參數(shù)

表2　RPC力學(xué)性能

表3　RPC配合比

注：除鋼纖維為體積比外，其他均為質(zhì)量比。

1.3測(cè)點(diǎn)布置和加載方案

通過(guò)分配梁采用四分點(diǎn)集中單調(diào)靜力加載方式對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行加載，且嚴(yán)格按照參考文獻(xiàn)[13]執(zhí)行。應(yīng)變片數(shù)據(jù)通過(guò)DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集，荷載等級(jí)由傳感器控制。試驗(yàn)方案見(jiàn)圖1。

圖1　試驗(yàn)方案圖Fig.1 Testing scheme figure

2試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)描述

分析試驗(yàn)現(xiàn)象，JZL-1,2和3的破壞形態(tài)都為剪壓破壞,只有JZL-4為彎曲破壞。由于活性粉末混凝土的諸多優(yōu)越性，無(wú)腹筋梁在破壞時(shí)的延性得到很好改善，有腹筋梁的斜裂縫數(shù)量較多，分布更為均勻，說(shuō)明高強(qiáng)箍筋和活性粉末混凝土具有良好的協(xié)同工作性能，抗剪性能優(yōu)異，箍筋能夠很好地約束混凝土的側(cè)向變形和斜裂縫的開(kāi)展。試驗(yàn)梁的破壞照片見(jiàn)圖2～3。

圖2　JZL-1，2和3剪壓破壞照片F(xiàn)ig.2 Shear compression failure pictures of JZL-1，2 and 3

圖3　JZL-4受彎破壞照片F(xiàn)ig.3 Bending failure picture of JZL-4

1)剪壓破壞：JZL-1，JZL-2和JZL-3均發(fā)生剪壓破壞。在荷載作用下，試驗(yàn)梁首先在跨中出現(xiàn)垂直水平方向的彎曲裂縫，接著在剪跨區(qū)腹部中和軸附近出現(xiàn)斜裂縫。隨著荷載增大，剪跨區(qū)出現(xiàn)數(shù)條近似平行的斜裂縫，裂縫細(xì)而密,寬度增長(zhǎng)緩慢。荷載進(jìn)一步增加，剪跨區(qū)出現(xiàn)一條主斜裂縫，不斷向加載點(diǎn)和支座處延伸，以寬度變化為主，新裂縫出現(xiàn)緩慢。伴隨“噼里啪啦”的聲音，大量鋼纖維被拔出。伴隨“蹦”的一聲，穿過(guò)斜裂縫的箍筋被拉斷，斜裂縫迅速開(kāi)展形成臨界斜裂縫，同時(shí)剪壓區(qū)混凝土被微壓碎，加載值開(kāi)始下落，試驗(yàn)梁宣告破壞。

2)彎曲破壞：JZL-4的箍筋間距比較小，但并未超筋，試驗(yàn)梁沒(méi)有發(fā)生斜壓破壞。可能是由于梁的抗剪能力大于其抗彎能力而發(fā)生彎曲破壞，其破壞荷載值與JZL-3接近。加載初期，梁跨中底部首先出現(xiàn)微小垂直裂縫，裂縫長(zhǎng)度不斷沿截面高度緩慢向上延伸，裂縫數(shù)量隨著荷載的增加增長(zhǎng)較快。在加載過(guò)程中，第1條斜裂縫出現(xiàn)在剪跨區(qū)梁的縱筋合力點(diǎn)處，而跨中彎曲裂縫則以長(zhǎng)度發(fā)展為主。加載到一定程度，梁跨中處的裂縫寬度發(fā)展很快，并伴有“吱吱”的鋼纖維拔出聲音，撓度增長(zhǎng)較大，剪跨區(qū)的斜裂縫集中在梁腹部，較為細(xì)短且發(fā)展緩慢。最后由于縱筋屈服，部分箍筋屈服，且加載點(diǎn)附近的混凝土被微壓碎，試驗(yàn)梁?jiǎn)适С休d力，導(dǎo)致最終破壞。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1斜裂縫類型

從試驗(yàn)梁的裂縫形態(tài)來(lái)看，受剪斜裂縫存在2種開(kāi)裂模式：腹剪斜裂縫和彎剪斜裂縫。彎剪斜裂縫是由剪跨區(qū)底部的垂直裂縫發(fā)展形成的：加載到一定程度，受彎裂縫沿截面高度向上發(fā)展的方向開(kāi)始發(fā)生傾斜，往加載點(diǎn)發(fā)展。腹剪斜裂縫通常發(fā)生在剪跨區(qū)腹部中和軸附近，隨著荷載等級(jí)的增加，向上下兩端發(fā)展，而且呈中間大兩端小的態(tài)勢(shì)，上下傾角均減小，傾斜角度約在30°～60°之間。

從試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展情況來(lái)看，4根試驗(yàn)梁均在剪跨區(qū)腹部靠近中和軸的位置出現(xiàn)首條斜裂縫，即產(chǎn)生腹剪型斜裂縫，說(shuō)明高強(qiáng)鋼筋RPC梁一般先出現(xiàn)腹剪型斜裂縫。如圖4(a)所示，試驗(yàn)梁受力后，最大剪應(yīng)力產(chǎn)生于中和軸附近，這個(gè)區(qū)域是受壓應(yīng)力影響最小的區(qū)域。在支座和加載點(diǎn)處的集中力使一定范圍內(nèi)的混凝土受到豎向不均勻壓應(yīng)力σy，加載點(diǎn)區(qū)域的混凝土單元體處于雙向受壓狀態(tài)。分別在剪跨區(qū)中部和加載點(diǎn)附近沿高度取3個(gè)微元體，根據(jù)Mohr應(yīng)力圓原理，從圖4(b)中可以明顯看出σA>σB>σC=σD>σE>σF，故在受壓區(qū)及加載點(diǎn)處，由于壓應(yīng)力或雙向受壓狀態(tài)的存在，均有利于降低一定區(qū)域內(nèi)，混凝土單元所受到的主拉應(yīng)力，從而起到延緩混凝土開(kāi)裂的效果。相關(guān)試驗(yàn)研究表明[14]：在一定區(qū)域內(nèi)，受拉縱筋對(duì)其周?chē)幕炷劣休^好的約束作用，并能夠調(diào)節(jié)混凝土的內(nèi)力重分布和抑制混凝土內(nèi)部原本微裂縫的擴(kuò)展。剪跨區(qū)彎曲裂縫出現(xiàn)后，RPC梁較高配筋率的縱向鋼筋對(duì)受拉區(qū)裂縫的延伸和開(kāi)展具有一定的約束作用，從而延緩了彎剪斜裂縫的形成，而隨著截面高度增加，縱向鋼筋的銷栓作用減弱，剪跨區(qū)腹部的混凝土主拉應(yīng)力增長(zhǎng)較快，導(dǎo)致腹剪斜裂縫的形成和發(fā)展。綜上所述，高強(qiáng)鋼筋RPC梁的剪跨區(qū)梁中和軸附近更容易成為首先開(kāi)裂的區(qū)域，臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發(fā)展而成。

(a)試件主應(yīng)力軌跡線及應(yīng)力分布；(b)單元體應(yīng)力及摩爾應(yīng)力圓圖4　剪跨區(qū)的應(yīng)力分布及摩爾應(yīng)力圓Fig.4 Stress distribution of shear span and Mohr stress circle

3.2開(kāi)裂荷載與極限荷載

3.2.1開(kāi)裂荷載

試驗(yàn)梁的剪跨區(qū)同時(shí)存在腹剪型和彎剪型2種斜裂縫形式。腹剪斜裂縫以剪跨區(qū)中和軸附近出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的荷載作為斜向開(kāi)裂荷載，而對(duì)于彎剪斜裂縫，則以垂直裂縫產(chǎn)生明顯傾角作為出現(xiàn)彎剪斜裂縫的起點(diǎn)，4根試驗(yàn)梁均首先出現(xiàn)腹剪斜裂縫，且主斜裂縫均由腹剪斜裂縫上下延伸發(fā)展而來(lái)，故斜向開(kāi)裂荷載即為腹剪裂縫出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值。

從圖5可以看出：1)由于箍筋直徑較小，抑制混凝土內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展的作用很小，且斜裂縫出現(xiàn)前，剪應(yīng)力大部分由混凝土承擔(dān)，配箍率的大小對(duì)高強(qiáng)鋼筋RPC梁斜向開(kāi)裂荷載的影響甚微；2)試驗(yàn)梁JZL-1，JZL-2和JZL-3配箍率分別為0%，0.168%和0.252%，抗剪承載力分別提高了17.7%和2.77%，配箍率提高，單位面積上的箍筋密度增大，箍筋對(duì)混凝土側(cè)向變形的約束增強(qiáng)，從而提高了梁的受剪承載力；3)配箍率增大到一定程度后，試驗(yàn)梁的斜截面受剪承載力可能逐漸接近其正截面受彎承載力，構(gòu)件破壞模式則可能由剪壓破壞向受彎破壞轉(zhuǎn)變，雖然梁的延性提高，但抗剪承載力由于縱筋屈服而略有下降。

圖5　開(kāi)裂荷載和極限荷載與配箍率的關(guān)系曲線Fig.5 Curves of relationship between stirrup ratio and cracking load and ultimate load

3.2.2極限荷載

桁架-拱理論認(rèn)為，桁架作用和拱作用同時(shí)存在于有腹筋梁的受剪過(guò)程中，受壓混凝土既可視為受壓上弦桿又可作為拱腹，底部縱筋則被視為受拉下弦桿，將箍筋和箍筋間混凝土比擬成桁架的豎桿和斜腹桿。文獻(xiàn)[15]以桁架-拱模型為基礎(chǔ)，對(duì)受剪機(jī)理開(kāi)展了進(jìn)一步的研究，將剪跨區(qū)劃分成5類區(qū)域，并綜合考慮箍筋和混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，以支座與加載點(diǎn)連線區(qū)域上的混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度作為試驗(yàn)梁的受剪破壞準(zhǔn)則，簡(jiǎn)化分析得出斜截面抗剪承載力計(jì)算式(1)～(2)，其中m=1+(ρsvfyvλ2)/fc。

(1)

(2)

目前，對(duì)于鋼筋混凝土梁抗剪承載力的計(jì)算理論和方法較多，且各國(guó)規(guī)范計(jì)算公式所考慮的抗剪因素略有不同。本文選取桁架-拱理論模型和美國(guó)規(guī)范ACI318-08的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　RPC梁抗剪強(qiáng)度的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

表5　試件斜裂縫寬度

圖6　箍筋率對(duì)斜裂縫的影響曲線Fig.6 Influence curves of stirrup ratio to inclined cracks

3.3配箍率對(duì)斜裂縫寬度的影響

從表5和圖6可以看出：1)斜裂縫出現(xiàn)以后，曲線斜率變化以500 kN左右為分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)前，有腹筋梁與無(wú)腹筋梁的曲線斜率大致相同，表明在斜裂縫出現(xiàn)后的一段范圍內(nèi)，混凝土逐步退出工作，而開(kāi)裂釋放的應(yīng)力主要由RPC中的鋼纖維承擔(dān)，鋼纖維跨越斜裂縫，通過(guò)“橋架”作用限制斜裂縫的發(fā)展[16]；在分界點(diǎn)之后，曲線斜率差異明顯，無(wú)腹筋梁的曲線斜率逐漸減小，說(shuō)明HRB400級(jí)高強(qiáng)箍筋對(duì)斜裂縫的抑制作用顯著增強(qiáng)；2)從斜裂縫出現(xiàn)到破壞，無(wú)腹筋梁的主斜裂縫發(fā)展速度明顯高于有腹筋梁。在相同荷載等級(jí)下，試驗(yàn)梁的最大斜裂縫寬度隨配箍率的增加而降低，有腹筋梁JZL-2和JZL-3的最大斜裂縫寬度分別比無(wú)腹筋梁JZL-1降低48.6%和42.8%；3)試驗(yàn)梁JZL-2與JZL-3的配箍率分別為0.17%和0.25%，箍筋率對(duì)斜裂縫的影響曲線發(fā)展趨勢(shì)大致相同，配箍率只在發(fā)展過(guò)程中的某一階段對(duì)裂縫寬度的發(fā)展速度有影響，而對(duì)其初始與最大斜裂縫寬影響不大；4)有腹筋梁JZL-4的最大斜裂縫寬度增長(zhǎng)速度明顯低于發(fā)生剪壓破壞的梁，破壞時(shí)純彎段受彎裂縫寬度超過(guò)限值，說(shuō)明箍筋配置過(guò)多時(shí)，以純彎段彎曲裂縫發(fā)展為主，有明顯的受彎破壞趨勢(shì)。5)高強(qiáng)箍筋對(duì)初始斜裂縫寬度有明顯的約束作用，有腹筋梁初始斜裂縫寬度比無(wú)腹筋梁降低50%，而有腹筋梁的初始斜裂縫寬度基本相同，并不隨配箍率的提高而降低。

4結(jié)論

1)由于活性粉末混凝土的諸多優(yōu)越性，試驗(yàn)梁的延性得到很好改善，有腹筋梁比無(wú)腹筋梁的斜裂縫數(shù)量更多，間距更密，分布更均勻，且高強(qiáng)鋼筋RPC梁的臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發(fā)展而成；

2)高強(qiáng)鋼筋RPC梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和縱筋率都比較高，梁截面尺寸比較小，劉立新于桁架-拱理論模型推導(dǎo)的公式，比較適用于高強(qiáng)鋼筋RPC有腹筋梁抗剪承載力的計(jì)算；

3)增大配箍率可以提高試驗(yàn)梁的極限抗剪承載力，但對(duì)試驗(yàn)梁斜裂縫的初始寬度無(wú)顯著影響，斜裂縫寬度大約0.3 mm時(shí)，箍筋的作用才顯著增強(qiáng)。在相同荷載作用下，斜裂縫寬度隨配箍率的提高而降低。箍筋能夠有效限制初始斜裂縫的寬度，延緩腹剪斜裂縫向梁的支座和加載點(diǎn)連線兩端發(fā)展。

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Study on the influence of stirrup ratio to shear performance of RPC beams with high strength reinforcementJIN Lingzhi1,2, MEI Chen1,2

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004,China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China )

Abstract：In order to study the shear performance of reactive powder concrete simply supported beams with HRB500 level high strength reinforcement, four RPC beams’ shear failure experiment was carried out under concentrated load by changing the stirrup ratio. The influence of different stirrup ratio on diagonal cracks development, bearing capacity of the testesd beams, and the maximum diagonal crack width shear are compared and analyzed. Test results show that high-strength stirrups and reactive powder concrete can work coordinately, and the shear ductility is improved. Generally, critical diagonal cracks of reactive powder concrete beams with high strength reinforcement are formed by the development of abdominal shear diagonal cracks. Stirrup ratio of the tested beams had no obvious effect on the diagonal cracking load. With the increase of stirrup ratio, the diagonal crack width becomes smaller, and the shear bearing capacity becomes higher. Truss-arch theory model formula is suitable for the shear bearing capacity calculation of high strength reinforced RPC beams with stirrups.

Key words：high strength reinforcement; reactive powder concrete; stirrup ratio; diagonal crack width; shear bearing capacity

中圖分類號(hào)：TU375.1；TU371.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0711-06

通訊作者：金凌志(1959-)，女，湖南雙峰人，教授，從事新型混凝土材料結(jié)構(gòu)研究；E-mail:jlz-5904@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368013)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助(2015-A-02)

收稿日期：2015-07-10