卜良桃,楊斯宇

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)秀的抗震性能以及靈活的組合形式,適用于高層及大跨結(jié)構(gòu)。但隨著高層及大跨結(jié)構(gòu)對(duì)型鋼混凝土梁的抗剪承載力提出了更高要求,普通型鋼混凝土梁因而需要更大的截面尺寸,空間利用率低、結(jié)構(gòu)自重增加及脆性高的缺點(diǎn)也更加明顯。此外普通型鋼混凝土梁為避免剪切劈裂破壞,需通過設(shè)置剪力連接鍵保證型鋼與混凝土共同工作[1-2],增加了施工難度。

為了克服上述難題,研究者通過分析活性粉末混凝土(RPC)構(gòu)件的受剪力學(xué)性能[3-5],發(fā)掘RPC在組合結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用價(jià)值,RPC擁有普通混凝土難以達(dá)到的高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性[6-7],理論上在不降低組合梁抗剪承載力的前提下可有效減小梁構(gòu)件的尺寸[8]。同時(shí)由于抗剪設(shè)計(jì)作為梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán),研究者對(duì)RPC梁的受剪傳力機(jī)理進(jìn)行了分析。鄧宗才等[9]考慮鋼纖維抗拔作用對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn),提出改進(jìn)的壓力場(chǎng)模型來分析RPC梁的剪切破壞過程,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斜裂縫截面處纖維的抗拔剪能力占總抗剪能力的40% ～ 60%。卜良桃等[10-12]對(duì)活性粉末混凝土型鋼組合結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了系列研究,通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)型鋼與活性粉末混凝土能夠良好協(xié)同工作,并提出組合梁、柱的建議計(jì)算公式。此外,研究者從RPC與型鋼組合形式多樣性的角度出發(fā),發(fā)掘RPC在工程領(lǐng)域更大的應(yīng)用價(jià)值,近年來在橋梁、核電等基建和加固領(lǐng)域RPC得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。

上述研究表明,針對(duì)RPC與型鋼組合形式的研究多集中于材料性能方向的小尺寸試件的理論分析以及異形截面梁構(gòu)件的試驗(yàn)研究,并且應(yīng)用范圍比較局限。在工程應(yīng)用方向鮮有針對(duì)足尺矩形截面的型鋼高強(qiáng)度高性能混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪性能分析,尚未有研究者對(duì)足尺矩形截面的型鋼高強(qiáng)度高性能混凝土梁的受剪傳力機(jī)理、破壞形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究分析。基于此,筆者提出了一種新型的高強(qiáng)度高性能組合梁-活性粉末混凝土型鋼(Steel Reinforced Reactive Powder Concrete Beam,SRRPC)梁,通過充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)良性能,在提高抗剪承載力的同時(shí)可以減小結(jié)構(gòu)尺寸,滿足當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)對(duì)型鋼混凝土組合梁抗剪承載力提出的更高要求。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作了共6根長度為3 500 mm、截面寬高為200 mm×300 mm的足尺SRRPC梁進(jìn)行靜力試驗(yàn),研究剪跨比、RPC強(qiáng)度以及含鋼率對(duì)SRRPC梁抗剪性能的影響,剖面材料及參數(shù)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)梁截面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Section details of the test beams

試驗(yàn)梁的型鋼規(guī)格采用普通熱軋工字鋼I20a和I20b,強(qiáng)度等級(jí)均為Q235B,兩種規(guī)格型鋼的腹板厚度相差2 mm。箍筋設(shè)置參照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2016)[16]的最小配箍率,規(guī)格為HRB400,直徑8 mm,間距取200 mm,架立筋規(guī)格為HRB335,直徑12 mm。為了保證SRRPC梁能實(shí)現(xiàn)彎剪破壞,在梁截面的受拉區(qū)布置3根規(guī)格為HRB400的縱筋,直徑18 mm;型鋼的保護(hù)層厚度為50 mm,鋼筋的保護(hù)層厚度為20 mm。試驗(yàn)梁參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)梁基本參數(shù)Table 1 Parameters of the test beams

1.2 試驗(yàn)梁制作與RPC力學(xué)性能

澆筑試驗(yàn)梁選用具有固定配合比的RPC干混料,其中鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)為2%,通過控制養(yǎng)護(hù)條件來制拌不同強(qiáng)度等級(jí)的RPC。試驗(yàn)梁均采用臥式澆筑,將預(yù)制的型鋼骨架裝入木制模板后一次成型澆筑,同時(shí)預(yù)留對(duì)應(yīng)批次的RPC試塊。

試驗(yàn)梁在室內(nèi)靜置24 h后拆模,拆模后對(duì)試驗(yàn)梁與試塊進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù),RPC120的試驗(yàn)梁及試塊進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù),RPC150的試驗(yàn)梁及試塊先用80 ℃熱水養(yǎng)護(hù)24 h,而后進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)。對(duì)同條件養(yǎng)護(hù)的RPC試塊進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 RPC力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of RPC

1.3 加載方案及測(cè)量內(nèi)容

試驗(yàn)選用電液伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng),采用單調(diào)連續(xù)荷載控制分級(jí)加載法控制加載,加載裝置及應(yīng)變片布置如圖2所示。試驗(yàn)梁上的荷載值由電液伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)控制和測(cè)量,各材料的應(yīng)變由靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集。試驗(yàn)測(cè)量的內(nèi)容包括:支座處RPC及型鋼的應(yīng)變、剪跨段RPC、箍筋和型鋼的應(yīng)變、荷載、加載點(diǎn)與支座處位移、裂縫分布及發(fā)展等。

圖2 加載裝置及應(yīng)變片布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of device and strain gauge arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SRRPC梁受剪破壞特征

6根試驗(yàn)梁均發(fā)生不同程度的彎剪破壞,其中L6呈現(xiàn)明顯的受彎破壞形態(tài),試件破壞形態(tài)如圖3所示。根據(jù)破壞過程,可將SRRPC梁的受剪破壞過程依次分為彈性階段、開裂階段、裂縫發(fā)展階段和破壞階段。

圖3 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of test beams

(1)彈性階段

型鋼和RPC完全協(xié)同工作,兩種材料應(yīng)變呈線性增長且增幅較小。以試驗(yàn)梁L1為例,RPC上翼緣的測(cè)點(diǎn)在加載至開裂前其應(yīng)變值為510×10-6,其余試驗(yàn)梁上翼緣的應(yīng)變值在開裂前均較低。撓度在加載初期亦呈線性增長態(tài)勢(shì)。

(2)開裂階段

當(dāng)加載到極限荷載的25%～35%時(shí),位于支座處的RPC表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，屬于彎剪裂縫。剪跨段的腹剪裂縫會(huì)晚于彎剪裂縫出現(xiàn),其位置分布在重心軸處的梁側(cè)RPC表面。可見當(dāng)試驗(yàn)梁處于受剪狀態(tài)時(shí),梁頂部單元體水平拉應(yīng)力較中心軸附近單元體主拉應(yīng)力先達(dá)到RPC的抗拉強(qiáng)度,此時(shí)型鋼仍處于彈性變形階段。

(3)裂縫發(fā)展階段

當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí),彎剪裂縫的數(shù)量持續(xù)增加,但沒有明顯變寬及向下延伸發(fā)展的趨勢(shì);腹剪裂縫出現(xiàn)后,腹剪裂縫會(huì)隨荷載的增大向加載點(diǎn)和支座處延伸,且兩側(cè)會(huì)隨著荷載的增大不斷出現(xiàn)新的斜裂縫并向兩端延伸發(fā)展;當(dāng)加載至極限荷載的60%以上時(shí),RPC表面不再出現(xiàn)新的斜裂縫,已有的斜裂縫開始變寬及向兩端延伸。從裂縫的分布和發(fā)展來看,型鋼和混凝土之間沒有發(fā)生相對(duì)滑移,說明箍筋的設(shè)置能實(shí)現(xiàn)良好的錨固效果,使RPC和型鋼良好協(xié)同工作。當(dāng)荷載加載至極限荷載的70%以上時(shí),發(fā)展形成臨界斜裂縫,試驗(yàn)梁內(nèi)部開始傳出鋼纖維剝離斷裂的聲音,且隨著荷載的繼續(xù)增大聲音出現(xiàn)地愈發(fā)密集。

(4)破壞階段

當(dāng)加載至極限荷載的85%以上時(shí),可以在支座處觀察到RPC表面起鼓,開始出現(xiàn)RPC壓潰的跡象;同時(shí)臨界斜裂縫發(fā)展成主斜裂縫,裂縫寬度隨著荷載的增加明顯增大。當(dāng)荷載增大到極限荷載的90%時(shí),試驗(yàn)梁內(nèi)部傳出密集的鋼纖維剝離斷裂聲音,主斜裂縫兩側(cè)RPC隨裂縫寬度的增大逐漸退出工作;懸臂端撓度出現(xiàn)2～3倍的增長,說明剪跨段型鋼腹板出現(xiàn)大面積屈服。當(dāng)加載至極限荷載時(shí),可觀察到試驗(yàn)梁呈現(xiàn)明顯的剪切破壞形態(tài),同時(shí)懸臂端撓度不斷增加,無法進(jìn)行下一級(jí)加載。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)梁L1～L6的開裂荷載Pcr、極限荷載Pu和撓度vu見表3。可以看出,開裂荷載約為極限荷載的30%,相較于文獻(xiàn)[17]中型鋼高強(qiáng)高性能混凝土梁,開裂荷載與極限荷載的比值提升了一倍。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The test results

荷載與撓度關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可以看出,試驗(yàn)梁L1～L5在開裂后,荷載撓度曲線仍能保持近似線性趨勢(shì)發(fā)展至極限荷載的70%～80%。

圖4 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves of text beams

2.3 試驗(yàn)參數(shù)分析

2.3.1 含鋼率

試驗(yàn)梁L1和L2的型鋼腹板厚度分別為7 mm和9 mm,對(duì)應(yīng)的含鋼率分別為6.6%和7.4%,試驗(yàn)梁L2的極限承載力相較于試驗(yàn)梁L1提升了10.6%。兩者荷載撓度曲線如圖5所示,對(duì)比可知,試驗(yàn)梁L2表現(xiàn)出更好的變形性能。從兩根試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展及分布來看,試驗(yàn)梁L2的斜裂縫分布較L1更為密集,且主斜裂縫寬度明顯小于后者,說明通過改變型鋼腹板厚度來改變含鋼率能有效提高SRRPC梁的延性和抗剪承載力。

圖5 L1、L2荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of L1 &L2

2.3.2 RPC強(qiáng)度

試驗(yàn)梁L2和L3所用RPC的標(biāo)號(hào)分別為R150和R120,在剪跨比λ=1的加載條件下,試驗(yàn)梁L2的極限承載力相較于試驗(yàn)梁L3提升了16.8%,說明提高RPC強(qiáng)度是提升SRRPC梁抗剪承載力的有效途徑。由于剪跨段斜裂縫出現(xiàn)的隨機(jī)性以及RPC的脆性,導(dǎo)致應(yīng)變花極易被斜裂縫破壞,筆者在兩根試驗(yàn)梁中挑選沒有過早被斜裂縫破壞的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,剪跨段RPC剪應(yīng)力隨荷載增加的變化如圖6所示。

圖6 L2、L3荷載-剪應(yīng)力曲線Fig.6 Load-shear stress curves of L2 &L3

由圖6可知,在達(dá)到開裂荷載后,RPC剪應(yīng)力進(jìn)入非線性發(fā)展階段,而當(dāng)接近極限荷載時(shí),RPC剪應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到抗壓強(qiáng)度,反映出RPC抗拉強(qiáng)度是影響SRRPC梁抗剪承載力的重要因素。

2.3.3 剪跨比

試驗(yàn)梁L3、L4、L5和L6的剪跨比依次為1.0、1.2、1.4和1.8,其中剪跨比為1.8的試驗(yàn)梁L6最終發(fā)生了受彎破壞。懸臂端荷載-撓度曲線如圖7所示。

圖7 L3～L6荷載-撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves of L3～L6

由圖7可知,SRRPC梁和普通鋼筋混凝土梁類似,剪跨比是影響抗剪承載力和破壞形態(tài)的關(guān)鍵因素,試驗(yàn)梁的抗剪承載力隨剪跨比的增大而減小。以試驗(yàn)梁L3作為參考,其抗剪承載力為L4的107.4%、L5的111.7%、L6的169.8%。試驗(yàn)梁L5和L6在極限荷載作用下分別發(fā)生了受剪破壞和受彎破壞,支座處型鋼腹板應(yīng)變沿截面高度的變化如圖8和圖9所示。

圖8 L5截面應(yīng)力分布Fig.8 Cross-sectional strain distribution of L5

圖9 L6截面應(yīng)力分布Fig.9 Cross-sectional strain distribution of L6

由圖8、圖9可知,型鋼腹板應(yīng)變?cè)诩虞d初期呈線性分布,符合平截面假定,在裂縫發(fā)展階段后期呈非線性增長。與發(fā)生受彎破壞的試驗(yàn)梁L6的應(yīng)變分布相比,發(fā)生受剪破壞的試驗(yàn)梁L5在該截面未發(fā)生屈曲。

3 抗剪承載力計(jì)算

3.1 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的SRRPC梁抗剪承載力建議計(jì)算公式

由于梁受剪破壞的復(fù)雜性,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混凝土矩形截面梁提出了多種受剪傳力機(jī)理[18-19],但迄今為止未能達(dá)成一致共識(shí)。各國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在進(jìn)行普通鋼筋混凝土梁和普通型鋼混凝土梁的抗剪設(shè)計(jì)時(shí),普遍是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出半理論半經(jīng)驗(yàn)的抗剪承載力計(jì)算公式。由于RPC所含鋼纖維對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)不可忽略,使從理論出發(fā)分析SRRPC梁的受剪傳力機(jī)理并建立便于工程設(shè)計(jì)使用的斜截面承載能力計(jì)算公式的難度大大增加。筆者參考已有研究成果[19-21]并基于上述抗剪試驗(yàn),提出契合SRRPC梁受剪傳力機(jī)理的簡化計(jì)算模型,并提出抗剪承載力建議計(jì)算公式。

SRRPC梁處于受剪狀態(tài)時(shí),RPC既和型鋼腹板共同工作承受斜壓作用,又和型鋼、箍筋一起承受豎向受拉作用,故筆者選擇簡化后的桁架-拱模型進(jìn)行SRRPC梁抗剪承載力計(jì)算(見圖10)。如圖10(c)所示,試驗(yàn)梁四點(diǎn)受荷作用可簡化等效為簡支梁受單點(diǎn)集中荷載作用,陰影部分的拱壓區(qū)由RPC和型鋼腹板構(gòu)成,作為模型的上弦壓桿同時(shí)承受并傳遞斜壓力;型鋼受拉翼緣和受拉鋼筋充當(dāng)下弦拉桿;斜裂縫間的RPC充當(dāng)斜壓桿;考慮到RPC具有較普通混凝土高數(shù)倍的抗拉強(qiáng)度,將箍筋視作模型的豎向拉桿時(shí),應(yīng)考慮RPC對(duì)豎向拉桿抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

圖10 SRRPC梁簡化桁架-拱模型Fig.10 Simplified truss-arch model of SRRPC beam

基于上述分析,筆者采用兩個(gè)假定:

(1)RPC對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)由RPC抗拉強(qiáng)度所控制。根據(jù)材料力學(xué)性能試驗(yàn),

RPC的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,且試驗(yàn)梁破壞時(shí)剪跨段RPC主要表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度控制的剪切破壞。值得注意的是,文獻(xiàn)[17]關(guān)于SRHSHPC梁的抗剪試驗(yàn)中,當(dāng)剪跨比大于2時(shí),提升高性能混凝土強(qiáng)度對(duì)提升抗剪承載力的效果甚微,文中試驗(yàn)剪跨比為1時(shí),RPC強(qiáng)度的提升對(duì)抗剪承載力的增益較為顯著,主要是因?yàn)槌洚?dāng)斜壓桿的剪跨段RPC單元在小剪跨比下可以充分發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度?？紤]到SRRPC梁實(shí)際工況,忽略斜裂縫間RPC斜壓桿對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn),將其視作安全儲(chǔ)備。

(2)忽略型鋼翼緣及縱筋在梁開裂后起到的銷栓作用。由于型鋼翼緣和縱筋在試驗(yàn)梁受剪時(shí)所能提供的抗剪承載力比較小,文中試驗(yàn)型鋼翼緣與梁的寬度比參考文獻(xiàn)[22]取0.5,使型鋼為RPC提供了有效約束,兩種材料能共同工作并充分發(fā)揮其強(qiáng)度。為簡化計(jì)算公式,忽略型鋼翼緣及縱筋銷栓作用,將其視作構(gòu)造措施。

綜上,筆者參考文獻(xiàn)[16]將SRRPC梁的抗剪承載力從形式上分為三部分:①RPC的抗剪作用Vr;②箍筋的抗剪作用Vsv;③型鋼的抗剪作用Vsw。

SRRPC梁抗剪承載力計(jì)算公式可由式(1)表示:

Vu=Vr+Vsv+Vsw.

(1)

通過抗力系數(shù)α1、β1和γ1來體現(xiàn)各部分對(duì)斜截面承載能力的貢獻(xiàn)及組合作用,SRRPC梁所受剪力V應(yīng)滿足:

(2)

式中:ft為RPC抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為截面寬度;h0為截面有效高度;fyv為箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面積;s為沿構(gòu)件長度方向上箍筋的間距;tw為型鋼腹板厚度;hw為型鋼腹板高度;fv為型鋼的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(3)

3.2 計(jì)算公式驗(yàn)證

取表2、表3中材料試驗(yàn)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值代入式(3)進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.11 Comparison between the experimental value and calculated value

從圖11可以看出,除發(fā)生受彎破壞的試驗(yàn)梁L6,其余試驗(yàn)梁的試驗(yàn)值均稍大于計(jì)算值,兩者之比的均方差與變異系數(shù)均為0.03,表明基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合效果良好。文獻(xiàn)[18]對(duì)10根型鋼高強(qiáng)性能混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究,其中5根試驗(yàn)梁發(fā)生剪切破壞。將試驗(yàn)參數(shù)代入式(3),與文獻(xiàn)[18]試驗(yàn)值對(duì)比,結(jié)果見表5。從表5可知,試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值平均值為1.37,均方差為0.09,變異系數(shù)為0.07?？烧J(rèn)為建議計(jì)算公式對(duì)預(yù)測(cè)SRRPC梁的抗剪承載力具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

表5 式(3)計(jì)算值與文獻(xiàn)[18]試驗(yàn)值對(duì)比Table 5 Comparison between the calculated value of formula(3)and text value of reference [18]

4 結(jié) 論

(1)由于RPC與型鋼在受荷過程中能夠互相約束并共同工作,SRRPC梁在受荷破壞過程中難以發(fā)生斜拉破壞;同時(shí)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)使SRRPC梁斜裂縫發(fā)展呈現(xiàn)小而密的特點(diǎn),斜裂縫兩側(cè)的RPC不會(huì)隨裂縫的發(fā)展而迅速退出工作。相較于受剪時(shí)表現(xiàn)出明顯脆性破壞的普通鋼筋混凝土梁,SRRPC梁的受剪破壞表現(xiàn)出良好的延性和破壞形態(tài)。

(2)SRRPC梁抗剪承載力受剪跨比改變的影響最為顯著,在剪跨比小于1.8時(shí),RPC強(qiáng)度的提升能顯著提升SRRPC梁的抗剪承載力;通過增加型鋼腹板厚度而改變含鋼率能有效改善SRRPC梁的變形性能,即對(duì)SRRPC梁的延性有一定的提高。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和簡化桁架拱模型,提出了SRRPC梁抗剪承載力建議計(jì)算公式,能較好地預(yù)測(cè)SRRPC梁的抗剪承載力,對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算和相關(guān)研究能提供一定的參考價(jià)值。