高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件抗彎及穩(wěn)定性能研究

李志雙 楊國華 房其娟

山東協(xié)和學(xué)院 山東 濟(jì)南 250109

目前對RPC構(gòu)件抗彎性能及穩(wěn)定性研究較多，有學(xué)者就研究RPC梁抗彎性能，如UHPC預(yù)應(yīng)力梁。此外，還有部分要研究人員注重分析RPC構(gòu)件受彎的機(jī)理，從構(gòu)件截面受拉區(qū)域的方式，分析RPC貢獻(xiàn)正截面所受到的承載力，分析其剛度、裂縫參數(shù)等數(shù)據(jù)。但目前研究這個對HRB500鋼筋RPC構(gòu)件抗彎及穩(wěn)定性性能研究較少，以下就對其作進(jìn)一步研究分析。

1 .高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件抗彎性能研究

1.1 試驗情況

（1）材料

42.5級硅酸鹽水泥

微硅粉

石英砂（φ0.16-1.25mm）

鋼纖維（φ=0.22mm，長12-15mm，抗拉強(qiáng)度在2800MPa以上）

高效聚羥基減水劑

配合比為：水泥（1）：微硅粉（0.18）：石英砂（1.17）：高效減水劑（0.02）：鋼纖維（0.13）：水（0.19），RPC參數(shù)為：抗壓強(qiáng)度120MPa，彈性模量：4.52x104Ma。

選擇HRB400、HRB500兩種鋼筋。

（2）制備

共制作20根RPC.

（3）加載方案及測點(diǎn)

該試驗圍繞《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50152-2012）為標(biāo)準(zhǔn)展開。以千斤頂分級加載，梁跨設(shè)3位移計，觀測梁撓度。梁底混凝土純彎段設(shè)6應(yīng)變片，跨中側(cè)面混凝土均勻布置5-6應(yīng)變片，純彎段鋼筋應(yīng)變片間距控制為150mm，測試混凝土及鋼筋應(yīng)變。以DH316靜態(tài)應(yīng)變儀，加載及測點(diǎn)。

1.2 試驗結(jié)果

（1）梁破壞結(jié)果

試驗發(fā)現(xiàn)各梁均有受彎排，少筋梁在RPC開裂后，其荷載增加，鋼筋斷裂；適筋梁純彎段發(fā)生的變化為，其縱向會向鋼筋屈服，之后RPC受力發(fā)生碎裂。而超筋梁純彎段和適筋梁純彎段有明顯區(qū)別，其鋼筋并未屈服，但是受壓的RPC會突然被破壞；無筋梁出現(xiàn)開裂后，其自身荷載增加，鋼纖維拔出，梁在加載點(diǎn)、純彎段會斷裂。

（2）裂縫發(fā)展分布

試驗中觀察梁體裂縫產(chǎn)生及發(fā)展：

適筋梁：分級加載到開裂荷載，純彎段跨中、加載點(diǎn)出現(xiàn)1-3條豎向裂縫，寬0.01-0.02mm。荷載增加，裂縫向梁受壓邊緣蔓延，底面裂縫向底面軸心延伸，純彎段及加載點(diǎn)有更多裂縫，裂縫間距小、寬度增加。屈服荷載時，構(gòu)成1-2主裂縫，之后裂縫越來越寬，但裂縫數(shù)量基本不發(fā)生變化。持續(xù)受壓，RPC被壓碎，梁受到破壞。

少筋梁：裂縫出現(xiàn)后延伸到梁高2/3，荷載增加，裂縫也加寬且向上延伸。梁受到破壞則鋼纖維從基體內(nèi)被拔出，梁被破壞呈現(xiàn)出延性特點(diǎn)。

超筋梁：超筋梁早期接縫發(fā)展和適筋梁基本一致，但荷載到0.4-0.5倍極限荷載后無新裂縫產(chǎn)生，已有裂縫寬度緩慢增加，向上緩慢延伸。繼續(xù)加載，梁上RPC被破壞。

1.3 極限抗彎承載力

考慮到抗彎承載力理論分析復(fù)雜，多針對受力合力作用區(qū)域及合力穩(wěn)定原則，將應(yīng)力分布等效成矩形圖，為設(shè)計奠定基礎(chǔ)，由水平力平衡條件、彎矩平衡條件得到：

其中：以Mu表示RPC受彎的極限彎矩，x表示等效受壓區(qū)的高度儀，k為受拉區(qū)等效系數(shù)，其他參數(shù)見《鋼筋活性粉末混凝土簡支梁正截面受力性能試驗研究》（鄭文忠，李莉，盧姍姍）。解析（1）、（2），得到具體的等效受壓區(qū)高度、受拉區(qū)等效系數(shù)。少筋RPC，其極限載荷時受拉區(qū)開案寬度的，超筋RPC實(shí)際的裂縫開展寬度不算大，但是其鋼筋處于未屈服狀態(tài)，承載力由RPC抗壓強(qiáng)度控制，得到的k為負(fù)值，不予考慮。適筋梁RPC抗拉強(qiáng)度大，計算承載力需考慮拉區(qū)RPC作用，k取0.24。最終計算發(fā)現(xiàn)，以該方式計算得到極限彎矩值，數(shù)值和試驗結(jié)果有一定誤差，但誤差較小，最大誤差在17%，Mu，t、Mu，c平均為1.08，標(biāo)準(zhǔn)差0.058，變異系數(shù)0.054，表明該計算方式可準(zhǔn)確應(yīng)用到RPC梁設(shè)計及工程正截面極限荷載運(yùn)算中。

2 .高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件穩(wěn)定性分析

2.1 試驗分析

文章以活性粉末混凝土矩形板作為研究對象，矩形板高厚比、寬厚比、邊界條件為參數(shù)。板厚t=25mm，高厚比（a/t）處于36-48mm范圍，寬厚比（b/t）范圍為21.15-45.83mm。設(shè)19個試件。

實(shí)驗裝置：活性粉末混凝土矩形板開展屈曲試驗，用φ=12cm的螺桿將加載支架固定到地面，水平橫梁以螺栓固定到支架上。確保水平衡量處于水平位置。加載時水平衡量約束加載梁，確保加載梁垂直。

測點(diǎn)布置：測點(diǎn)的布置以專業(yè)的靜態(tài)應(yīng)變儀輔助，這里選用DH3816型號的靜態(tài)應(yīng)變儀，將不同荷載影響下的法向位移都記錄下來，而后觀察板材在整個過程中發(fā)生的變化。荷載方面，計算屈服荷載和極限荷載，二者均可以通過專業(yè)的壓力傳感器讀數(shù)得到數(shù)據(jù)參數(shù)。之后分析法向位移，其板的側(cè)邊無約束，則沿板豎軸中心線均勻布置5位移計，若板側(cè)邊采用的為兩/一邊簡支方式，則可以得到橫軸、豎軸的中心線位置。

加載的具體操作為：在試驗開始前，需要做好一系列準(zhǔn)備工作，如分配梁、千斤頂作幾何、物理對中等，完成之后才能進(jìn)行預(yù)加工，對試件加載，預(yù)加荷載設(shè)置為預(yù)估的15%，之后檢查加載的儀器、設(shè)備是否正常工作，要控制彈性變形出現(xiàn)，無誤后可以正常加載。加載采取分級加荷的方式，每個級別的加荷極限為5%，基本達(dá)到極限荷載后，要減小荷載的分級，控制每一級別的荷載持荷時間為10min-15min范圍。

2.2 試驗結(jié)果

進(jìn)行上述試驗，發(fā)現(xiàn)板材都為屈曲破壞。經(jīng)試驗得到：對于邊界及尺寸基本一致的板材，其自身屈曲荷載及破壞荷載也并不相同，主要是鋼材質(zhì)的原子排列影響下，粉末性混凝土屬于多孔材料，且其質(zhì)地并不均勻，自身質(zhì)量有一定缺陷問題；再者，活性粉末混凝土矩形板制作中，板材厚度較小的情況下，內(nèi)部可能也有一定氣泡，在運(yùn)輸顛簸過程中，板材氣泡被震出，導(dǎo)致板材出現(xiàn)眾多微小的裂縫。而在板材后期養(yǎng)護(hù)過程中，就可能出現(xiàn)初彎曲，導(dǎo)致屈曲荷載及破壞荷載發(fā)生明顯變化。試驗加載過程中，必須準(zhǔn)備保障板材垂直、分配梁完全垂直并不現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致加載出現(xiàn)誤差。

（1）試件破壞特征

對試件進(jìn)行破壞試驗，最終發(fā)現(xiàn)板材的破壞可分為單方裂縫屈曲、雙向裂縫屈曲。前者破壞時，板材較窄，沿著板材高度方向，會出現(xiàn)三條裂縫，裂縫為橫向。若板材較寬，則板材中間會出現(xiàn)一整條裂縫，裂縫對簡支兩邊自由板造成單向破壞。后者四邊簡支主要在豎向、橫向都有裂縫出現(xiàn)，且裂縫基本對稱。三邊簡支主要是自由板雙向曲率裂縫破壞，其曲率和裂縫并不對稱。簡支邊有較多約束裂縫，自由邊裂縫較少。

（2）荷載-法向位移曲線

活性粉末混凝土矩形板的荷載-法向位移曲線.

試件加工初期變形并不明顯，但荷載增加，加載初始偏心及板澆筑制作時候發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)缺陷。板在一方向形成彎曲，且荷載不斷增加，板材的法向位移也隨之增加，一直到板受到破壞，法向位移的幅值在板一半高度的位置。對屈服荷載分析，發(fā)現(xiàn)受荷載影響，板材不再穩(wěn)定之后，會發(fā)生變形，此時板材的荷載和屈曲荷載，若荷載力持續(xù)增加，板材變形加劇，會發(fā)生脆性斷裂。屈曲承載力會導(dǎo)致板材自身法向變形持續(xù)增加，若變形較大，荷載為屈曲荷載。

3 .結(jié)束語

文章對高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土構(gòu)件抗彎及穩(wěn)定性能研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋和活性粉末混凝土其極限粘結(jié)應(yīng)力和粘結(jié)長度存在反比關(guān)系，粘結(jié)長度增加，極限粘結(jié)應(yīng)力則不斷減少。極限粘結(jié)應(yīng)力和鋼筋屈服強(qiáng)度存在正比關(guān)系，伴隨屈服強(qiáng)度不斷增加，極限粘結(jié)應(yīng)力也有所上升?；钚苑勰┗炷吝m筋梁正截面的破壞過程和普通的混凝土梁基本相同，其延性滿足要求，且對少筋梁、無筋梁分析，發(fā)現(xiàn)其也具有一定的延性，可滿足使用要求。在保證各處鋼筋強(qiáng)度基本一致后，發(fā)現(xiàn)活性粉末混凝土的開裂彎矩、承載能力等和具體的配筋率存在正比關(guān)系，配筋率逐漸增加，則開裂彎矩、承載能力等也隨之增加。此外，若鋼筋自身的配筋率基本一致，則鋼筋的強(qiáng)度將直接影響混凝土梁實(shí)際承載能力，鋼筋強(qiáng)度越大，則梁的極限承載能力就越大。但鋼筋強(qiáng)度并不影響開裂彎矩。高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁的正截面承載例以及開裂彎矩的計算需要考慮活性粉末混凝土梁的受拉區(qū)域纖維僑聯(lián)作用。對活性粉末混凝土板的穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)其屈曲荷載伴隨寬厚比增加而不斷增加，高厚比增加則屈曲荷載不斷減小。邊界約束增強(qiáng)，則屈曲荷載變小。