(1. 湖南大學(xué) a.湖南省工程結(jié)構(gòu)損傷診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082； 2.人民日?qǐng)?bào)社，北京 100733)

自密實(shí)混凝土是一種可以自流平、免振搗的高性能混凝土。自密實(shí)混凝土最早于1988年在東京大學(xué)崗村甫[1]實(shí)驗(yàn)室研制成功，第一次大規(guī)模應(yīng)用是在1998年的日本明石海峽大橋[2]。關(guān)于自密實(shí)混凝土配合比和流變性能的研究有很多，但關(guān)于自密實(shí)混凝土在結(jié)構(gòu)中性能表現(xiàn)的研究卻較少。通常認(rèn)為，自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗剪性能與普通混凝土構(gòu)件的抗剪性能相當(dāng)。

剪切破壞是一種應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中被避免發(fā)生的脆性破壞。普通混凝土構(gòu)件的抗剪性能研究已經(jīng)超過(guò)100 a了，但至今并沒有形成統(tǒng)一的抗剪設(shè)計(jì)方法。剪切機(jī)理并不很明確，其取決于構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)、深淺、截面形狀，還有構(gòu)件類型是梁、板、柱，荷載是靜載還是往復(fù)荷載等?，F(xiàn)有的抗剪規(guī)范公式并不是建立在受剪破壞機(jī)理分析上，而是基于試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，不同抗剪規(guī)范對(duì)于抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)差異可以達(dá)到兩倍多。

根據(jù)Taylor[3]之前的研究：骨料咬合力在抗剪承載力中起了很重要的作用。雖然自密實(shí)混凝土是在普通混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，但與普通混凝土還是有較大區(qū)別：為了達(dá)到自密實(shí)性能，自密實(shí)混凝土采用了更少的粗骨料和更小的骨料粒徑以及更多的膠凝材料，因此，部分研究人員認(rèn)為這可能會(huì)導(dǎo)致自密實(shí)混凝土比普通混凝土的骨料咬合力更小，抗剪承載力更低。

Das等[4]發(fā)現(xiàn),自密實(shí)混凝土梁比普通混凝土梁抗剪承載能力更高。然而，Wilson等[5]的研究顯示，美國(guó)ACI318-11規(guī)范[6]關(guān)于構(gòu)件抗剪的規(guī)定對(duì)于自密實(shí)混凝土梁可能偏于不安全。Schiessl等[7]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),自密實(shí)混凝土梁斜裂縫斷面更為光滑，表現(xiàn)出更低的抗剪承載力;Bendet等[8-9]的試驗(yàn)結(jié)果則顯示,自密實(shí)混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能相近;Hassan等[10-11]的研究顯示，自密實(shí)混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能并沒有明顯的不同，自密實(shí)混凝土梁極限抗剪承載力稍微低于普通混凝土梁;Khayat等[12]對(duì)于自密實(shí)混凝土預(yù)應(yīng)力梁的研究也得到了類似的結(jié)論;Dymond[13]的實(shí)驗(yàn)則證實(shí)現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)自密實(shí)混凝土預(yù)制梁抗剪承載能力的預(yù)測(cè)偏于保守。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自密實(shí)混凝土梁的抗剪性能，本文完成了12根鋼筋混凝土無(wú)腹筋梁(8根自密實(shí)混凝土無(wú)腹筋梁和4根普通混凝土無(wú)腹筋梁)的受剪試驗(yàn)，對(duì)梁的裂縫形態(tài)、開裂荷載、主斜裂縫荷載、斜截面抗剪承載力、破壞形態(tài)等進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，收集現(xiàn)有公開的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于普通混凝土梁剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)比了自密實(shí)混凝土無(wú)腹筋梁和普通混凝土無(wú)腹筋梁抗剪承載力的差異。

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)共12根試驗(yàn)梁，梁寬200 mm，截面有效高度360 mm，配筋率為1.58%。其中，自密實(shí)混凝土梁系列標(biāo)記為S，普通混凝土梁系列標(biāo)記為N。試驗(yàn)主要變量為：剪跨比：2.2、2.6、3.0、3.4；強(qiáng)度：C40、C60。試件編號(hào)及基本參數(shù)見表1，試件尺寸和配筋見圖1。

表1 試驗(yàn)梁主要參數(shù)Table 1 Main parameters of specimen

圖1 試件尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1 Specimen geometry and stell

自密實(shí)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)為C40和C60,普通混凝土構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)為C60，采用42.5#普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用湖南固力公司產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，減水劑采用湖南固力公司產(chǎn)聚羧酸減水劑粉劑，粗骨料采用含泥量小于1%的碎石，最大粒徑為20 mm，細(xì)骨料采用含泥量小于1%的普通中砂，具體配合比見表2。自密實(shí)混凝土性能測(cè)試見圖2，性能指標(biāo)見表3?？v筋采用直徑22 mm的HRB400級(jí)鋼筋，屈服強(qiáng)度為468.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為594.8 MPa。

表2 混凝土配合比Table 2 Mixture proportions for SCC and NC mixtures

表3 混凝土性能指標(biāo)Table 3 Fresh and hardened properties of SCC and NC mixtures

圖2 混凝土性能指標(biāo)測(cè)試Fig.2 Fresh and hardened properties of SCC and NC

澆筑構(gòu)件時(shí)，每根試驗(yàn)梁預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊(300 mm×Φ150 mm)和6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體塊，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081―2002)[14]的規(guī)定，分別用于試驗(yàn)當(dāng)天測(cè)得的同等養(yǎng)護(hù)條件下的圓柱體抗壓強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，見表4。

試驗(yàn)采用單點(diǎn)集中加載，加載點(diǎn)墊塊寬度15 mm，厚度2 mm，支座寬度13 mm，試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。加載按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[15]相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)前均進(jìn)行預(yù)加載，以保證接觸面的正常接觸和儀器設(shè)備的正常工作，正式加載根據(jù)預(yù)估的極限荷載，采用分級(jí)加載制度，每級(jí)加載后持荷5 min完成裂縫的觀察。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)測(cè)量的主要內(nèi)容包括：荷載變化、跨中支座撓度、開裂荷載、主斜裂縫荷載，裂縫發(fā)展。采集儀器使用MGCpuls動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，采樣頻率為50 Hz，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為所有構(gòu)件最終破壞形態(tài)(NC40系列梁引用文獻(xiàn)[16]，該梁與本文SC40系列構(gòu)件參數(shù)一致)。所有構(gòu)件均發(fā)生剪切破壞，裂縫最先出現(xiàn)在跨中彎矩最大區(qū)域。自密實(shí)混凝土梁和普通混凝土裂縫形態(tài)、發(fā)展大致相同，高強(qiáng)混凝土梁破壞時(shí)，發(fā)出較大的劈裂聲。如圖6所示，自密實(shí)混凝土和C60系列普通混凝土梁劈裂面較為光滑，自密實(shí)混凝土梁劈裂面粗骨料分布間距較大；對(duì)于高強(qiáng)混凝土，無(wú)論是自密實(shí)混凝土還是普通混凝土，斜裂縫面上的粗骨料幾乎全部劈裂，但對(duì)于普通強(qiáng)度混凝土梁，斜裂面繞過(guò)了大部分粗骨料。

圖5 裂縫破壞形態(tài)Fig.5 Crack patterns of tested beams at

圖6 斜裂縫斷面

各試件的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。鋼筋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明(部分結(jié)果見圖8)，除S-2.2-C40梁北跨L/4處鋼筋屈服外，其他梁的縱向應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變。測(cè)試結(jié)果還表明，受壓邊緣的混凝土應(yīng)變也遠(yuǎn)小于極限壓應(yīng)變。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Details of experimental beams

圖7 荷載撓度曲線Fig.7 Load deflections of the

ACI-ASCE 326[17]報(bào)告中指出：臨界斜裂縫形成后，鋼筋混凝土梁的應(yīng)力將產(chǎn)生重分布。如果內(nèi)部能夠形成新的內(nèi)力平衡體系，鋼筋混凝土梁將可以形成更高的承載力，試驗(yàn)梁極限抗剪承載力將高于臨界斜裂縫形成荷載。

圖8中的部分試件表現(xiàn)出這種性能。臨界斜裂縫形成較突然，隨后新的內(nèi)力平衡體系主要由骨料咬合力、縱筋銷栓力和受壓混凝土的拱作用(Arch action)組成，但破壞仍然為脆性破壞。部分試件的斜裂縫(臨界斜裂縫)出現(xiàn)后迅速發(fā)展，直到破壞沒有發(fā)生階段性的應(yīng)力重分布和內(nèi)力平衡體系的轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出更為突然的脆性破壞。

圖8 1/4跨縱筋應(yīng)變Fig.8 Strain of longitudinal reinforcement in 1/4

S-2.2-C40產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因：隨著荷載增加，斜裂縫不斷發(fā)展、寬度增大，骨料咬合力逐漸減?。恍绷芽p相交處縱筋應(yīng)力不斷增大，鋼筋銷栓力增大，鋼筋和混凝土粘結(jié)應(yīng)力增大，在支座附近出現(xiàn)更多粘結(jié)裂縫。最終，鋼筋屈服，位移迅速增加，直至剪壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。

3 抗剪承載力計(jì)算模型

3.1 中國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

中國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[18]集中荷載作用下無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算式為

(1)

式中：λ為截面剪跨比，當(dāng)λ?1.5時(shí)，取λ=1.5,當(dāng)λ?3.0時(shí),取λ=3.0；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b和h0分別為計(jì)算截面的腹板寬度和截面有效高度。

3.2 Zsutty的統(tǒng)計(jì)分析公式

Zsutty[19]提出了一個(gè)用于無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算統(tǒng)計(jì)式

(2)

(3)

3.3 美國(guó)ACI 318-11規(guī)范

根據(jù)ACI 318-11[6]，對(duì)于無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算簡(jiǎn)化式為

(4)

表5結(jié)果表明：Zsutty擬合公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果最為接近；中國(guó)規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果也吻合得較好，但偏于不安全；美國(guó)規(guī)范ACI 318-11計(jì)算公式偏差較大。

表5 試驗(yàn)梁抗剪承載力與規(guī)范預(yù)測(cè)值比較Table 5 Shear resistance of SCC beams from experiments and code-based predictions

4 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)公開的論文數(shù)據(jù)[10-11,20-35]，收集了130根自密實(shí)混凝土無(wú)腹筋梁剪切破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所有試驗(yàn)滿足：?jiǎn)吸c(diǎn)或者兩個(gè)集中點(diǎn)加載的矩形簡(jiǎn)支梁：b?50 mm;100 mm≤h≤500 mm；1.0<λ≤4.5；ρ≤3.5%,混凝土強(qiáng)度不低于20 MPa；無(wú)分布縱筋和預(yù)應(yīng)力筋。對(duì)于普通混凝土梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Collins[36]文中收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選798根普通混凝土無(wú)腹筋梁剪切破壞數(shù)據(jù)。

圖9 試驗(yàn)值與混凝土規(guī)范預(yù)測(cè)結(jié)果比較Fig.9 Comparison between test data and results predicted

圖9給出了所收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和中國(guó)規(guī)范公式的比較，表6為剪跨比1.0<λ≤4.5區(qū)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果?？梢?，自密實(shí)混凝土梁受剪承載力低于規(guī)范公式的非保守點(diǎn)相對(duì)率，明顯大于普通混凝土梁。自密實(shí)混凝土梁在剪跨比小于1.5的區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)較少，去除這個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)(表7)后，普通混凝土梁和自密實(shí)混凝土梁的非保守點(diǎn)相對(duì)率都有所增加，但普通混凝土梁的非保守點(diǎn)相對(duì)率增加較多。無(wú)論是對(duì)于自密實(shí)混凝土還是普通混凝土無(wú)腹筋梁，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)抗剪公式計(jì)算的非保守點(diǎn)都過(guò)多，這是因?yàn)椋瑢?shí)際工程中的梁是有斜裂縫兩側(cè)粗骨料咬合作用對(duì)受剪承載力的貢獻(xiàn)的，且這種貢獻(xiàn)通過(guò)箍筋抑制斜裂縫開展來(lái)提供，而無(wú)腹筋梁因無(wú)箍筋，斜裂縫開展相對(duì)較大，兩側(cè)粗骨料咬合作用相對(duì)較弱。自密實(shí)混凝土梁受剪承載力低于普通混凝土梁約10%，非保守點(diǎn)達(dá)到2/3以上，但兩者統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)相差較大，而普通混凝土梁的數(shù)據(jù)更加分散。如果從整體上提高中國(guó)規(guī)范中受剪承載力計(jì)算公式的可靠度，自密實(shí)混凝土梁的受剪承載力也可以滿足大致相同的安全度要求。例如，將現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算公式乘以0.6～0.7的調(diào)整系數(shù)，普通混凝土梁的非保守點(diǎn)相對(duì)率下降到5%的水平，自密實(shí)混凝土梁的非保守點(diǎn)相對(duì)率也可以下降到同樣的水平。

表6 計(jì)算模型預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)指標(biāo)(1.0<λ≤4.5)Table 6 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.0<λ≤4.5)

表7 計(jì)算模型預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)指標(biāo)(1.5<λ≤4.5)Table 7 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.5<λ≤4.5)

注：m、c分別表示計(jì)算模型誤差的均值和變異系數(shù)；R2表示模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體擬合程度；nu/n表示非保守估計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(γmod小于1.0)所占比例；5%、95%代表5%、95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)γmod值。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)12根無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁在集中荷載作用下抗剪承載力的剪切試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：

1)自密實(shí)混凝土梁和普通混凝土梁的裂縫發(fā)展、破壞形態(tài)大致相同，但自密實(shí)混凝土梁斜裂縫斷面更為光滑，高強(qiáng)混凝土梁斜裂縫面上的粗骨料全部劈裂，普通強(qiáng)度混凝土斜裂縫面繞過(guò)了大部分粗骨料。

2)不論是普通混凝土無(wú)腹筋梁還是自密實(shí)混凝土無(wú)腹筋梁，突然出現(xiàn)的臨界斜裂縫導(dǎo)致應(yīng)力重分布，新的內(nèi)力平衡體系可能使得梁的極限承載力高于臨界斜裂縫出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的荷載。

3)Zsutty擬合公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果最為接近；中國(guó)規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果也符合得較好，但偏于不安全；美國(guó)規(guī)范ACI 318-11計(jì)算公式偏差較大。

4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，集中荷載下，中國(guó)規(guī)范受剪承載力計(jì)算公式偏于不安全。自密實(shí)混凝土梁受剪承載力略低于普通混凝土梁，但相對(duì)中國(guó)規(guī)范公式的分散程度小于普通混凝土梁。提高中國(guó)規(guī)范受剪承載力計(jì)算公式的可靠度，可同時(shí)滿足普通混凝土和自密實(shí)混凝土無(wú)腹筋梁受剪承載力的可靠度要求。

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