侯利軍 陳 達(dá) 徐世烺 張秀芳

(1 河海大學(xué)海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098)

(2 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310058)

(3 大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連116024)

在普通混凝土中摻加纖維能夠改善混凝土先天的脆性性能，有效提高其開裂后的拉伸性能及抗剪能力.纖維混凝土在剪切開裂后，纖維的橋連作用有效抑制了斜裂縫的擴(kuò)展，減小了斜裂縫的寬度，保證了裂縫面上骨料咬合作用，抑制了縱向水平裂縫的發(fā)展，保證了縱筋銷栓作用.同時(shí)，裂縫間纖維橋接應(yīng)力將單條或幾條的斜裂縫擴(kuò)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫p開裂模式的斜裂縫形態(tài)［1］.

材料的抗剪能力與其抗拉性能密切相關(guān)，良好的抗拉強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變可導(dǎo)致高的抗剪強(qiáng)度和剪切變形能力.但是，常規(guī)纖維混凝土均表現(xiàn)為拉應(yīng)變軟化特征，對(duì)剪切能力的提高有限.近年來，一系列具有拉應(yīng)變硬化性能的纖維水泥基材料相繼出現(xiàn)，包括SIMCON，ECC，SHCC 及UHTCC 等［2-3］.與ECC［4］類似，UHTCC 具有顯著的拉應(yīng)變硬化性能和優(yōu)越的裂縫控制能力，其極限拉應(yīng)變高達(dá)3%以上，在極限拉伸狀態(tài)下，裂縫寬度可以控制在0.1 mm 以內(nèi)，間距為1 ～2 mm［3］.其次，UHTCC的抗彎、抗壓、耐久性等基本力學(xué)性能已經(jīng)得到了系統(tǒng)研究［3，5-6］.

文獻(xiàn)［7-9］試驗(yàn)研究了拉應(yīng)變硬化材料(ECC和SHCC)的抗剪性能.其中，文獻(xiàn)［7］的試驗(yàn)結(jié)果表明，SPECC 的極限剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土，也高于體積摻量為1%的鋼纖維混凝土，基本與腹筋配筋率為0.75%的RC 梁相當(dāng).文獻(xiàn)［9］的研究結(jié)果表明，隨著ECC 中纖維體積摻量的增大，抗剪強(qiáng)度和剪應(yīng)變均增大.此外，應(yīng)變硬化材料梁均表現(xiàn)出多縫開裂裂縫形態(tài)以及高的剪切應(yīng)變能力.但是，這些文獻(xiàn)中的試件形式均為Ohno 剪切梁，并未就普通的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行抗剪性能研究，沒有考慮配筋率及剪跨比對(duì)其剪切性能的影響.

本文系統(tǒng)研究了鋼筋增強(qiáng)UHTCC (RUHTCC)無腹筋梁的抗剪性能.以配筋率和剪跨比為參數(shù)，對(duì)跨中集中荷載作用下的RUHTCC 簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了受彎試驗(yàn).與RC 梁對(duì)比，研究了RUHTCC 梁的斜裂縫擴(kuò)展模式、荷載-撓度行為、剪切承載能力以及剪切強(qiáng)度等.

1 試驗(yàn)

1.1 試件形式

對(duì)10 根無腹筋梁進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)，其中6 根為RUHTCC 梁，4 根為RC 對(duì)比梁.圖1為試件的構(gòu)造詳圖.隨著配筋率的增大，將試件分為D，E，F(xiàn) 系列.試件的截面尺寸為120 mm ×180 mm.根據(jù)文獻(xiàn)［10］提出的RUHTCC 梁界限配筋率公式以及相關(guān)的UHTCC 及鋼筋的基本性能參數(shù)，可得界限配筋率約為4.38%.試驗(yàn)中選取的變量參數(shù)為試件的剪跨比a/d(a 為剪跨長度，d 為截面有效高度)和配筋率ρ，其中剪跨比為3.02 和4.11，配筋率為2.28%，3.25%，4.25%.隨著剪跨比的增大，試件的剪跨長度分別為450 和600 mm，試件長度分別為1 150 和1 450 mm(圖1中括號(hào)內(nèi)外數(shù)字分別對(duì)應(yīng)于剪跨比為3.02 和4.11 時(shí)的試件尺寸).

圖1 試件構(gòu)造及應(yīng)變片布置(單位:mm)

試件的詳細(xì)配置情況見表1.混凝土和UHTCC 分別簡(jiǎn)寫為首字母C 和U.剪跨比3.02和4.11 分別由阿拉伯?dāng)?shù)字3 和4 表示.例如，試件D-U3 表示配筋率為2.28%、剪跨比為3.02 的RUHTCC 梁.

表1 試件詳細(xì)配置

1.2 材料性能與試件澆筑

試驗(yàn)采用的混凝土配合比為m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(碎石)= 1 ∶0.535 ∶1.563 ∶2.900.所用材料分別為普通硅酸鹽水泥、河砂以及最大粒徑為25 mm 的碎石.UHTCC 的砂漿基體由普通硅酸鹽水泥、水、高效減水劑、精細(xì)砂、粉煤灰以及礦物摻合料組成，增強(qiáng)纖維是體積含量為2%的聚乙烯醇(PVA)纖維.纖維直徑為0.04 mm，長度為12 mm，拉伸彈性模量為40 GPa，拉伸強(qiáng)度為1 600 MPa.混凝土在普通強(qiáng)制式攪拌機(jī)中拌合，UHTCC 采用HOBART 攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌.每一批拌合物均留置一組邊長為150 mm 的混凝土立方塊或邊長為70.7 mm 的UHTCC 立方塊，以測(cè)定抗壓強(qiáng)度fcu，試驗(yàn)結(jié)果見表1.同時(shí)，澆筑一組尺寸為350 mm ×50 mm ×15 mm 的UHTCC 薄板試件，測(cè)定其拉伸性能.圖2為實(shí)測(cè)UHTCC 薄板的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.所有梁均采用HRB335型變形鋼筋作為縱向增強(qiáng)筋，直徑選取16，18，20，22 mm.鋼筋的屈服強(qiáng)度fy和極限強(qiáng)度fu通過直接拉伸試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

圖2 UHTCC 薄板的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 鋼筋強(qiáng)度

所有試驗(yàn)梁均采用分層澆筑的方式在木模中澆筑，并用振動(dòng)棒振搗密實(shí).澆筑完成后，進(jìn)行抹面處理，在初凝前進(jìn)行二次抹面壓實(shí)，然后覆蓋塑料薄膜，減少水分的蒸發(fā).所有試塊與試驗(yàn)梁均采用覆蓋草簾與澆水濕潤的方式在室外同條件養(yǎng)護(hù).

1.3 加載裝置及測(cè)量方案

試驗(yàn)加載裝置見圖3.試驗(yàn)加載設(shè)備為10 MN電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī).為了減小荷載測(cè)量誤差，在試驗(yàn)機(jī)的加載板上連接一個(gè)量程為300 kN 的荷載傳感器.采用荷載分級(jí)加載的方式，在梁跨中部位施加集中荷載，每級(jí)荷載為3 ～7 kN.在每級(jí)荷載的持載階段，描出相應(yīng)的裂縫擴(kuò)展軌跡，并用精度為0.02 mm 的裂縫觀測(cè)儀記錄最大斜裂縫寬度.

圖3 測(cè)量儀器及加載裝置

在梁的跨中以及支座位置分別布置2 個(gè)LVDT，分別量測(cè)跨中撓度及支座沉降，兩者之差即為跨中凈撓度.在加載點(diǎn)下設(shè)置1 對(duì)中間帶滾軸的鐵板，同時(shí)在2 個(gè)支座處各放置1 塊鐵板，以避免外載或支座反力作用下發(fā)生局部壓碎.在每根縱向鋼筋的跨中位置粘貼1 片標(biāo)距為2 mm 的電阻應(yīng)變片，具體布置見圖1.所有量測(cè)數(shù)據(jù)均通過IMC 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接同步采集.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 破壞模式

試驗(yàn)現(xiàn)象表明，所有試驗(yàn)梁最終均發(fā)生剪切破壞.隨著剪跨比和配筋率的變化，共表現(xiàn)出4 種破壞模式，即斜拉破壞、剪拉破壞、剪壓破壞以及彎剪破壞.梁的具體破壞形態(tài)見表3.

對(duì)于斜拉破壞，剪切開裂時(shí)，斜裂縫瞬間貫通受壓區(qū)并將整個(gè)梁分成兩半，同時(shí)沿加載點(diǎn)與支座連線梁腹出現(xiàn)較大的偏心壓力，導(dǎo)致頂部受壓區(qū)發(fā)生彎拉破壞，如試件D-C4 和E-C4 的破壞形態(tài).對(duì)于剪拉破壞，剪切開裂后存在一個(gè)明顯的擴(kuò)展階段，斜裂縫不僅向加載點(diǎn)擴(kuò)展，而且沿縱筋水平向支座擴(kuò)展，直到沿縱筋的水平劈裂裂縫擴(kuò)展至支座位置，同時(shí)斜裂縫尖端頂部受壓區(qū)不足以承受彎剪聯(lián)合作用下的壓應(yīng)力作用而發(fā)生受壓破壞，如試件D-C3 和E-C3 的破壞特征.對(duì)于剪壓破壞，斜裂縫表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過程，斜裂縫基本沿著加載點(diǎn)與支座的連線斜向擴(kuò)展，最終的破壞取決于頂部受壓區(qū)的壓碎，如試件E-U3，F(xiàn)-U3 和F-U4 的破壞特征.而對(duì)于彎剪破壞，縱筋在剪切破壞前屈服，表現(xiàn)出顯著的延性屈服變形階段，如試件D-U3，D-U4 和E-U4.

表3 試驗(yàn)結(jié)果

前3 種破壞模式均在縱筋屈服前發(fā)生，可以認(rèn)為是典型的剪切破壞形態(tài).彎剪破壞是彎曲破壞向剪切破壞的過渡形式，其破壞機(jī)理是彎曲變形在鋼筋屈服后顯著增大，頂部受壓區(qū)邊緣壓應(yīng)變迅速增大而可能出現(xiàn)輕微的壓碎，這將導(dǎo)致剪跨段斜裂縫間的相對(duì)滑移增大，從而使得裂縫面上部分橋接纖維發(fā)生破壞，直至損傷積累到一定程度，發(fā)生斜截面剪切破壞.

2.2 裂縫形態(tài)

試驗(yàn)梁在極限狀態(tài)的斜裂縫擴(kuò)展形態(tài)見圖4.對(duì)比RUHTCC 梁和RC 梁的斜裂縫形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，RUHTCC 梁在剪跨段均勻分布著若干條間距很小且?guī)缀跸嗷テ叫械男绷芽p，呈現(xiàn)出顯著的多縫開裂模式;而相應(yīng)的RC 對(duì)比梁卻僅有1 條或2 條剪切斜裂縫出現(xiàn).這一現(xiàn)象表明，在剪切荷載作用下，UHTCC 仍然具有卓越的裂縫分散能力.隨著剪跨比的增大，斜裂縫的傾斜角度逐漸下降.此外，由圖4還可以看出，對(duì)于發(fā)生彎剪破壞的RUHTCC 梁，特別是試件D-U4 和E-U4，裂縫擴(kuò)展主要集中于跨中的彎曲裂縫，斜裂縫并沒有得到充分發(fā)展.與發(fā)生典型剪切破壞的RUHTCC 梁相比較，此類梁的彎曲裂縫擴(kuò)展更加顯著.

圖4 斜裂縫擴(kuò)展形態(tài)

圖5為典型剪切破壞梁的最大裂縫寬度變化曲線.由圖可知，RUHTCC 梁在接近極限荷載時(shí)，最大裂縫寬度僅為0.3 mm(甚至更小)，這一裂縫等級(jí)滿足正常環(huán)境下的裂縫寬度要求.對(duì)于RC 對(duì)比梁，剪跨比為4.11 的梁在剪切開裂后直接發(fā)生破壞，沒有斜裂縫擴(kuò)展的過程;而剪跨比為3.02 的梁在剪切開裂后，裂縫急劇增大，在荷載略微增長的情況下，裂縫寬度迅速增長至1.25 mm.

圖5 典型剪切破壞梁的最大裂縫寬度變化曲線

這些現(xiàn)象均表明，RUHTCC 梁斜裂縫的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)展過程，裂縫條數(shù)越來越多，裂縫寬度增長非常緩慢，而RC 梁則呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的擴(kuò)展過程.在RUHTCC 梁中，盡管所有的斜裂縫均與縱筋相交，但在極限荷載前并沒有出現(xiàn)沿縱筋的水平劈裂裂縫，從而保證了斜裂縫的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展模式.UHTCC 本身的應(yīng)變硬化性能使其在開裂后至少仍能維持開裂拉應(yīng)力水平，而且其裂縫控制能力以及縱筋的約束作用，保證了與縱筋的相交處斜裂縫寬度很小，從而使得UHTCC 與縱筋能夠協(xié)調(diào)變形.因此，隨著荷載的增加，在斜裂縫與縱筋的相交位置附近，縱筋與UHTCC 梁之間的剪切黏結(jié)應(yīng)力不會(huì)超過臨界值，避免了引起不穩(wěn)定擴(kuò)展模式的沿縱筋的劈裂裂縫［11］，同時(shí)形成許多細(xì)而密的斜裂縫，呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)的斜裂縫擴(kuò)展模式.

2.3 荷載-撓度曲線

試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線見圖6.由圖可知，所有曲線在加載初期均表現(xiàn)為線性行為;隨著荷載的增大，逐步呈現(xiàn)出非線性變形特性.其次，隨著剪跨比的增大，梁的剛度減小，而對(duì)于相同剪跨比的梁而言，盡管UHTCC 的彈性模量低于混凝土，但由于其配筋率較高，縱向鋼筋對(duì)整個(gè)梁的剛度影響較大，因此，RC 梁的剛度僅略高于同配筋率的RUHTCC 梁.圖6(d)對(duì)比了剪跨比為3.02 的RUHTCC 梁的荷載-撓度曲線，發(fā)現(xiàn)隨著配筋率的增大，曲線的剛度均呈上升趨勢(shì).但是，與圖6(a)～(c)所示相同配筋率下的曲線相比，配筋率的影響程度明顯低于剪跨比的影響.

由圖6(a)和(b)可知，發(fā)生剪拉破壞的試件D-C3 和E-C3 均表現(xiàn)出3 個(gè)荷載峰值，這主要是因?yàn)榧羟虚_裂并不直接導(dǎo)致剪拉破壞，而是在內(nèi)力重分布后繼續(xù)承載，斜裂縫在左右剪跨段內(nèi)交替發(fā)展，直至在某一剪跨段內(nèi)形成最終的臨界斜裂縫.相比之下，在斜裂縫擴(kuò)展過程中，所有RUHTCC 梁的荷載-撓度曲線均沒有出現(xiàn)突變，直至達(dá)到最終的極限剪切狀態(tài).

圖6 實(shí)測(cè)的荷載-撓度曲線

2.4 剪切開裂荷載

剪切開裂荷載Pcr為試驗(yàn)觀測(cè)到第1 條剪切裂縫形成時(shí)的荷載值.試驗(yàn)現(xiàn)象表明，對(duì)于RC 梁，剪切開裂時(shí)，裂縫不僅沿最外側(cè)彎曲裂縫向加載點(diǎn)擴(kuò)展，同時(shí)向下沿著縱筋向支座點(diǎn)擴(kuò)展，并伴隨著斜裂縫寬度的突變.對(duì)于RUHTCC 梁，剪切裂縫首先在彎曲裂縫附近或是梁腹的中下部形成，然后向上斜向加載點(diǎn)發(fā)展，向下斜向鋼筋或支座位置擴(kuò)展.

由表3可知，RUHTCC 梁與RC 梁的實(shí)測(cè)剪切開裂荷載基本相當(dāng)，前者為53.00 ～59.50 kN，后者為54.00 ～61.40 kN.然而，RC 梁的剪切開裂導(dǎo)致直接的斜拉破壞或不穩(wěn)定擴(kuò)展的剪拉破壞，并伴隨著裂縫迅速擴(kuò)展和荷載突降.但在RUHTCC 梁中，剪切開裂不會(huì)導(dǎo)致荷載、撓度以及裂縫寬度的突變.

2.5 極限剪切能力

由表3可知，RUHTCC 梁與RC 梁的極限剪切承載能力Pu隨著剪跨比的減小和配筋率的增大均逐漸增大，前者從試件F-U4 的125.34 kN 增大到試件F-U3 的140.05 kN，后者從試件D-C4 的54.20 kN 增大到試件E-C3 的69.58 kN.RUHTCC梁的極限剪切承載能力約為相應(yīng)RC 對(duì)比梁的2倍，體現(xiàn)了UHTCC 優(yōu)良的抗剪能力.這一顯著提高主要?dú)w結(jié)于RUHTCC 梁穩(wěn)態(tài)的斜裂縫擴(kuò)展形式.

對(duì)于發(fā)生彎剪破壞的RUHTCC 梁D-U3，DU4 和E-U4，極限承載能力主要取決于由受拉縱筋屈服決定的彎曲承載能力，并不能直接反應(yīng)其抗剪承載能力.由圖6可知，這些梁均表現(xiàn)出顯著的屈服變形平臺(tái)，位移延性能力δu/δy(δu和δy分別為極限荷載下和縱筋屈服時(shí)的撓度)達(dá)到2.48 ～3.28.也就是說，對(duì)于普通的剪跨比大于4.0 的無腹筋RUHTCC 梁，即便配筋率達(dá)到3.25%，也能保證一定的延性能力.

由表3可以發(fā)現(xiàn)，除試件F-U3 外，其余RUHTCC 梁的實(shí)測(cè)彎矩Mexp均達(dá)到基于簡(jiǎn)化的應(yīng)力塊方法計(jì)算的彎矩Mcal，也就是說，在達(dá)到設(shè)計(jì)的極限彎矩時(shí)不會(huì)發(fā)生斜截面的剪切破壞.由此表明，RUHTCC 梁在正常的經(jīng)濟(jì)配筋率范圍(0.8%～1.5%)內(nèi)，其自身的抗剪能力足以抵抗極限彎矩時(shí)相應(yīng)的剪切荷載.

2.6 抗剪強(qiáng)度

一般來說，對(duì)于剪跨比大于2.5 的無腹筋梁，其抗剪強(qiáng)度主要來自基體材料的抗剪貢獻(xiàn).因此，此類梁的抗剪強(qiáng)度能夠反映基體材料的抗剪強(qiáng)度.梁的抗剪強(qiáng)度vu簡(jiǎn)化表示為

式中，Pu為梁的極限剪切荷載;b 為截面寬度.計(jì)算得到的RUHTCC 梁及RC 梁的抗剪強(qiáng)度見表3.

在纖維混凝土中，纖維的橋接連接作用有效改善了基體的拉伸性能，但其對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高作用很小，甚至還可能由于摻入纖維降低了基體密實(shí)性，導(dǎo)致強(qiáng)度降低.因此，對(duì)于纖維增強(qiáng)水泥基材料(特別是拉伸應(yīng)變硬化材料)而言，相比于抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度ftu能夠更好地反映其抗剪強(qiáng)度.本文計(jì)算了RUHTCC 梁實(shí)測(cè)極限抗剪強(qiáng)度與UHTCC極限抗拉強(qiáng)度的比值(vu/ftu).由表3可知，RUHTCC 梁的vu/ftu平均值約為0.86，也就是說，RUHTCC 梁的抗剪強(qiáng)度略微低于基體材料的極限抗拉強(qiáng)度.Li 等［7］和Shimizu 等［9］的試驗(yàn)結(jié)果表明，ECC 梁和RECC 梁的抗剪強(qiáng)度約為ECC 梁抗拉強(qiáng)度的1.08 倍.這些試驗(yàn)中，Ohno 剪切梁對(duì)應(yīng)的剪跨比為0.52 ～1.50，在加載點(diǎn)和支座位置的壓應(yīng)力可能限制了斜裂縫的擴(kuò)展，從而提高了梁的抗剪強(qiáng)度.

2.7 最小配箍率

一般而言，設(shè)置最小配箍率是為了保證梁在剪切開裂后有足夠的富余剪切承載能力以及在正常使用狀態(tài)下斜裂縫寬度滿足要求［12］.

由表3可知，發(fā)生剪壓破壞的RUHTCC 梁的Pu/Pcr為2.10 ～2.35，而相應(yīng)的RC 對(duì)比梁僅為1.00 ～1.19，充分體現(xiàn)了RUHTCC 梁優(yōu)良的開裂后剪切承載能力.換句話說，在剪切開裂后，RUHTCC 梁仍能繼續(xù)承擔(dān)約1.10 ～1.35 倍的剪切開裂荷載，而RC 梁則在剪切開裂后基本達(dá)到其極限承載能力.其次，RUHTCC 梁在受剪作用下表現(xiàn)出多縫細(xì)密的開裂形態(tài).在正常使用極限狀態(tài)(約0.6Pu)下，最大斜裂縫寬度低于0.1 mm，滿足在耐久性要求極高的嚴(yán)酷環(huán)境下的裂縫寬度要求.

因此，對(duì)于采用UHTCC 作為基體材料的RUHTCC 結(jié)構(gòu)構(gòu)件，最小配箍率可以由UHTCC 來保證而不需另外考慮.

3 結(jié)論

1)隨著截面配筋率從2.28%增加到4.25%以及剪跨比從4.11 減小至3.02，RUHTCC 梁由具有顯著屈服變形平臺(tái)的彎剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闊o縱筋屈服的剪壓破壞.

2)剪切開裂導(dǎo)致RC 梁脆性破壞或荷載突降;而RUHTCC 梁的荷載-撓度曲線在極限剪切破壞前始終連續(xù)，沒有出現(xiàn)突變.

3)RUHTCC 梁的極限剪切承載能力高達(dá)125.34 ～140.05 kN，約為相應(yīng)RC 對(duì)比梁的2 倍，其抗剪強(qiáng)度高達(dá)UHTCC 極限抗拉強(qiáng)度的0.86倍，表明UHTCC 具有良好的抗剪能力.

4)與RC 梁不同，RUHTCC 梁表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)的斜裂縫擴(kuò)展模式，具有顯著的斜向多縫開裂特征，最大斜裂縫寬度僅為0.3 mm;而在正常使用狀態(tài)下，其最大裂縫寬度低于0.1 mm，滿足在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的耐久性要求.

5)與RC 梁相比，UHTCC 梁與縱向鋼筋之間良好的變形協(xié)調(diào)能力以及纖維的橋連作用極大地限制了UHTCC 梁與縱向鋼筋之間的黏結(jié)滑移，從而避免了沿縱筋的水平劈裂裂縫.

6)RUHTCC 梁在剪切開裂后，仍然具有較高的剪切承載能力，而且在正常使用狀態(tài)下裂縫寬度很小，故在RUHTCC 梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以不設(shè)置最小配箍率.

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