剪跨比對(duì)RC/ECC組合無(wú)腹筋梁抗剪性能的影響

王敬慈 程鳳泉 韋 立

前言

由于混凝土具有韌性差、抗剪性能差等先天的脆性特征。而且，混凝土常常處于帶裂縫工作階段，若不能較好地控制裂縫寬度，則會(huì)引起結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，成為安全隱患。使用超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料替代混凝土用于受剪構(gòu)件中，能夠有效提高構(gòu)件的抗剪承載力、極限變形以及延性。目前，對(duì)于ECC構(gòu)件剪切性能的研究還較為欠缺。國(guó)外方面，Kanda[1]等進(jìn)行了ECC短梁在周期往復(fù)荷載作用下的剪切性能研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，ECC短梁在往復(fù)荷載下的剪切承載力、大塑形變形后的抗剝落能力和耗能性能方面都遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土梁。由于ECC材料價(jià)格較高，整體替代混凝土并不經(jīng)濟(jì)，本文采用ECC與混凝土形成組合梁來(lái)研究其抗剪性能。

1 試驗(yàn)概況

參考了《PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料制備及其力學(xué)性能研究》[2]的理論成果，采用了最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)為水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：水：減水劑：纖維體積（%）=0.2：0.6：0.2：0.36：0.35：0.004：2。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7根無(wú)腹筋梁，均為簡(jiǎn)支梁。梁長(zhǎng)1.5m，截面尺寸150mm×200mm；混凝土強(qiáng)度C50；ECC層高度70mm；受力主筋采用HRB500級(jí)鋼筋，直徑16mm，架立筋采用HRB400鋼筋，直徑12mm。

本文試驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)PVA纖維，是由中國(guó)福建市永安市寶華寧寶業(yè)有限公司提供。主要性能指標(biāo)：長(zhǎng)度為12mm；直徑為12～18mm；彈性模量35GPa；伸長(zhǎng)率為 6～8%；抗拉強(qiáng)度為 1200MPa；密度為 1.3g/cm3。

試驗(yàn)采用油壓千斤頂配合反力架進(jìn)行三分點(diǎn)加載，在兩端支座梁頂和跨中梁底布設(shè)百分表測(cè)讀變形。試驗(yàn)前要進(jìn)行預(yù)加載，確保各儀器正常工作，然后按理論極限荷載的5%分級(jí)加載，并觀察裂縫情況。待跨中首次出現(xiàn)裂縫后，按理論極限荷載的20%分級(jí)加載直到試驗(yàn)梁破壞。試驗(yàn)中需記錄的內(nèi)容：初裂荷載、斜截面初裂荷載、極限荷載、各級(jí)荷載下的撓度及應(yīng)變等。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

從試驗(yàn)梁斜裂縫開(kāi)展至剪切破壞的過(guò)程中可以觀察到梁最后的破壞形態(tài)包括了斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞，與普通鋼筋混凝土梁構(gòu)件破壞形態(tài)類(lèi)似?；舅性囼?yàn)梁都在支座附近的梁底部位置產(chǎn)生彎曲豎向裂縫，該彎曲裂縫向加載點(diǎn)處發(fā)展延伸，并于中部或靠近加載點(diǎn)位置逐漸斜向發(fā)展成彎剪裂縫，隨著荷載增大并接近梁的極限抗剪承載力，斜裂縫迅速貫通，最終而破壞。部分ECC/RC無(wú)腹筋梁的破壞形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 部分梁破壞形態(tài)圖

2.2 剪跨比對(duì)斜截面開(kāi)裂荷載的影響

由圖2可知，試件梁的斜向開(kāi)裂荷載隨著剪跨比的增大而減小。在混凝土強(qiáng)度及界面，ECC厚度相同的條件下，當(dāng)λ＜2.5時(shí)，斜向開(kāi)裂荷載隨剪跨比的增大而減小，當(dāng)λ＞2.5時(shí)，斜向開(kāi)裂荷載隨剪跨比的增大而增大。這與文獻(xiàn)[5]相一致。

2.3 剪跨比對(duì)試驗(yàn)梁變形性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制ECC/RC組合混凝土梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖3。圖中可知：當(dāng)剪跨比增大，試驗(yàn)梁的撓度產(chǎn)生更快的增長(zhǎng)速度；當(dāng)0.8＜λ＜2.5時(shí)，試驗(yàn)梁的最大撓度有變大的趨勢(shì)，λ＞2.5時(shí)，試驗(yàn)梁的最大撓度有下降的趨勢(shì)。而剪跨比較小時(shí)，圖中曲線在開(kāi)裂點(diǎn)處有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其余段有比較明顯的線性特征，這是為了保證本次試驗(yàn)的構(gòu)件發(fā)生受剪破壞，提高受拉縱筋的配筋率，當(dāng)構(gòu)件破壞時(shí)，縱向鋼筋尚未屈服，構(gòu)件破壞前跨中撓度較小。圖3中：構(gòu)件在開(kāi)裂點(diǎn)處的轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不明顯，這表明構(gòu)件在屈服前都表現(xiàn)出了良好的受力性能。此外，圖中還可以看出：隨著剪跨比的增大，曲線的斜率減小，同一荷載下，剪跨比大的構(gòu)件其撓度也大；試驗(yàn)梁在加載后期，撓度曲線趨于平緩，破壞形式呈塑型。

3 結(jié)論

圖2 剪跨比與斜向開(kāi)裂荷載關(guān)系

圖3 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線圖

（1）ECC/RC組合無(wú)腹筋梁均發(fā)生塑性破壞。

（2）ECC/RC組合無(wú)腹筋梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁破壞形態(tài)類(lèi)似，但是界限值少有差異。本試驗(yàn)中，當(dāng)剪跨比小于1.5，為斜壓破壞；當(dāng)剪跨比處于1.5和2.5之間時(shí)，為剪壓破壞；當(dāng)剪跨比超過(guò)2.5時(shí)屬于斜拉破壞。

（3）隨著剪跨比的增大，抗剪承載力下降，當(dāng)剪跨比小于2.5時(shí)，下降幅度較大，當(dāng)剪跨比大于2.5時(shí)，承載力變化平緩。

[1]KandaT，WatanabeS，LiVC.Applicationofpseudostrainhardeningcementitiouscompositestoshearresistantstructuralelements[J].AEDIFICATIOPublishers，F(xiàn)ractureMechanicsofConcreteStructures，1998，3：1477 ～1490.

[2]陳偉康.國(guó)產(chǎn)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料制備及其力學(xué)性能研究[D].揚(yáng)州大學(xué)，2016.

[3]崔啟飛.ECC-混凝土層間界面性能試驗(yàn)研究[D].揚(yáng)州大學(xué)，2016.

[4]何倍軒.FRP增強(qiáng)ECC梁及ECC/混凝土組合梁抗剪性能研究[D].東南大學(xué)，2016.

[5]KaniGNJ.TheRiddleOfShearanditsSolution[J].ACIStructuralJournal，1964（61）：25～30.