顧 愷 成 晨

（1.中海建筑有限公司，江蘇 南京 211100；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

1906年，Turner首次提出無梁樓蓋（板柱結(jié)構(gòu)）概念，相比傳統(tǒng)梁板柱體系具有有效控制層高、降低材料用量、簡化施工工序等優(yōu)勢[1]，在二戰(zhàn)后得到廣泛應(yīng)用。然而無梁樓蓋體系存在嚴(yán)重的板柱節(jié)點沖切問題，國內(nèi)外部分無梁樓蓋結(jié)構(gòu)在正常使用或地震作用下出現(xiàn)倒塌慘案，為此很多學(xué)者對沖切問題進(jìn)行大量試驗及理論研究。1907年，Talbot基于200組沖切試驗結(jié)果首次提出了節(jié)點抗剪承載力經(jīng)驗公式[2-3]。沖切破壞屬于正應(yīng)力及剪應(yīng)力復(fù)合作用下的空間剪切脆性破壞[4]，對于普通鋼筋混凝土平板，沖切破壞一般發(fā)生在鋼筋全部屈服之前，單一節(jié)點發(fā)生沖切破壞后，其余節(jié)點分配受力過大，從而導(dǎo)致連續(xù)倒塌[5-6]。大量研究表明，柱面形狀及尺寸、混凝土強(qiáng)度、板厚、沖跨比、鋼筋強(qiáng)度與配筋率、板件邊界約束條件對混凝土薄板沖切承載力影響較大[7-10]。柱面面積越大，沖切承載力越大，且圓形柱面相對于方形柱面緩解了四角應(yīng)力集中而具有更高的承載力，當(dāng)混凝土達(dá)到極限狀態(tài)時發(fā)生沖切破壞。對于沖跨比而言，沖跨比控制著混凝土沖切破壞錐體傾角，從而影響極限承載力大小，沖切面越大則承載力越大。鋼筋強(qiáng)度及配筋率對沖切性能的影響尚未完全研究清晰，而薄板四周約束條件對沖切性能的影響很大，四邊固支較簡支而言具有更高的承載力。

近年來，部分學(xué)者通過提升混凝土材料性能的方式提升混凝土薄板沖切性能。UHPC（Ultra-high Performance Fiber Reinforced Concrete）具有超高抗壓性能、耐久性能、較高的抗拉性能，十分適合用于薄板構(gòu)件提升沖切性能。2020年，美國、瑞士、韓國等多國學(xué)者對UHPC給出簡要定義[11]：（1）抗壓強(qiáng)度超過120MPa；（2）耐久性高、滲透率低；（3）纖維橋接作用保證裂后抗拉強(qiáng)度大于5MPa。UHPC結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗剪性能，但在無梁樓蓋節(jié)點中的應(yīng)用和研究十分有限，目前學(xué)者們主要研究了澆筑位置、纖維摻量以及板厚等因素對沖切性能的影響，本文對UHPC在抗沖切方面的研究進(jìn)行詳細(xì)地歸納分析，并以南京科創(chuàng)園南區(qū)活力智島二期為工程背景提出設(shè)計建議。

1 UHPC板截面形式

整體式UHPC板沖切性能相關(guān)研究與普通混凝土相關(guān)研究相比較少，板件主要截面形式為正方形等厚度板件、預(yù)設(shè)縫的等截面板、帶縱橫肋的華夫板、八邊形等厚度板。陳浩[12]設(shè)計了平面尺寸為1200mm×1200mm試驗板，高度為50～100mm不等。馬胤超[13]對6塊帶縱橫肋的華夫板進(jìn)行沖切實驗，平面尺寸為800mm×800mm，板肋數(shù)量分為三條正交和兩條正交，板件總高度為50mm，板肋高度均為25mm，肋寬設(shè)置為50mm及80mm兩種。Hassan等[14]設(shè)計了帶預(yù)設(shè)裂縫的沖切試件，通過預(yù)設(shè)裂縫的位置來控制沖切角度，可以弱化彎曲效應(yīng)的影響，截面尺寸為300mm×300mm×90mm，其中預(yù)設(shè)裂縫高度為60mm。Al-Quraishi[15]設(shè)計了邊長為0.55m的八邊形試件，截面高度為100mm。通過上述試件設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)，正方形平面采用最多，高度方向均較薄，最大高度為100mm，可通過加肋增強(qiáng)。局部UHPC增強(qiáng)NC也是常用的結(jié)構(gòu)形式，Rick[16]采用局部后澆UHPC增強(qiáng)NC八邊形的結(jié)構(gòu)形式，研究了后澆帶面積對破壞模式的影響，發(fā)現(xiàn)后澆UHPC區(qū)域大小會對破壞面產(chǎn)生位置有所影響，后澆接縫距離加載邊小于1.3倍的有效界面高度時，裂縫首先在UHPC后澆帶外產(chǎn)生；而當(dāng)大于1.9倍的有效高度時，裂縫首先出現(xiàn)在UHPC區(qū)域內(nèi)。

2 影響參數(shù)分析

纖維橋聯(lián)、UHPC板件尺寸、配筋率、受荷面積與受荷位置是影響整體式UHPC板沖切性能的主要因素。鋼纖維可以有效提高UHPC的韌性以及裂后力學(xué)性能，UHPC板件的跨度、高度以及加載的方式會影響沖切破壞與彎曲破壞的模式轉(zhuǎn)變。UHPC試驗板截面形式見圖1。

圖1 UHPC試驗板截面形式

2.1 纖維摻量對UHPC板沖切性能的作用

部分學(xué)者研究纖維摻量對UHPC板沖切性能的作用機(jī)理[15-18]，通過試驗發(fā)現(xiàn)UHPC沖切傾角與普通混凝土相比明顯變小，隨著UHPC板破裂面增大，抗沖切承載力明顯提高。纖維的取向、纖維含量均對裂縫分布具有較大影響。Al-Quraishi[15]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)沖切承載力與纖維抗拉效率成0.35次方的相關(guān)關(guān)系；通過試驗發(fā)現(xiàn)，沒有鋼纖維的UHPC板發(fā)生脆性破壞；UHPC板中鋼纖維含量的增加會延緩彎曲裂縫的出現(xiàn)，提高彎曲初裂荷載。Nguyen[17]對不同纖維摻量（0%、0.8%、1.6%）以及不同澆筑方式對UHPC薄板沖切性能進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)0.8%纖維摻量的板件（S02-S04）裂縫比1.6%摻量的板件（S05-S07）數(shù)量更多（圖2），但是承載力降低了約50%，1.6%纖維摻量的板件極限承載力較無纖維板件提高93%。陳浩[12]發(fā)現(xiàn)3%體積摻量的UHPC薄板較無纖維UHPC板極限承載力提升42%，且結(jié)構(gòu)延性明顯提升。

圖2 不同澆筑方向及相應(yīng)裂縫分布[17]

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)（尺寸及配筋率）對UHPC板沖切性能的影響

Park等[19]對不同厚度的UHPC板件進(jìn)行沖切試驗發(fā)現(xiàn)，厚度較大的板件較薄板具有更高的沖切承載力強(qiáng)度和較低的變形。與此同時，鋼纖維使UHPC板件發(fā)生延性破壞，但是厚度較大的板件仍然有脆性破壞的傾向，這可能是界面的剪切荷載大于纖維橋接力而發(fā)生脆性破壞。如圖3所示，樊健生等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，板件厚度的增加會有效提高其剛度和沖切承載力，但是過厚的板件呈現(xiàn)延性降低的現(xiàn)象，這與Park的試驗結(jié)果相吻合。厚度較大時，UHPC板件抗彎承載力提升，破壞模式由高延性的受彎破壞轉(zhuǎn)為偏脆性的沖切破壞，即使有纖維橋聯(lián)作用提升板件延性，但是仍具有較大的脆性破壞風(fēng)險。此外，板件配筋率的提升可增加極限承載力，但是前期試件剛度變化不大，呈現(xiàn)延性降低，結(jié)構(gòu)破壞呈脆性。周凱[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)UHPC板后澆帶范圍及厚度的增加會促使沖切破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺潧_破壞模式，對于配筋率的研究表明，提升配筋率可增加沖切承載力，但當(dāng)配筋率超過2%時，沖切承載力不再提升。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)UHPC板荷載撓度關(guān)系[20]

2.3 加載方式（受荷面積及位置）對試件剪跨比的影響

加載區(qū)域和位置的變化會影響試件的剪跨比，改變結(jié)構(gòu)的受力模式，導(dǎo)致破壞模式的轉(zhuǎn)變（圖4）。

圖4 不同受荷位置破壞模式[21]

方志等[21]對加載面積及加載位置對UHPC板沖切性能的影響進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，90mm加載邊長較70mm加載邊長提高承載力9.8%、峰值撓度降低10.4%。偏載加載會提升沖切承載力，邊部及角部偏載較中心加載可分別提升承載力15.3%和13.1%。兩者對承載力的提升均是由于沖跨比的減小導(dǎo)致的。樊健生等[20]研究了加載區(qū)域面積對UHPC板件沖切性能的影響，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)加載面積的增加直接導(dǎo)致剪跨段的減小，導(dǎo)致破壞模式由沖切破壞向彎沖破壞發(fā)展，承載力與剛度均有提升，由此可見增加受荷面積可以有效緩解節(jié)點沖切問題。

3 設(shè)計建議

科創(chuàng)園活力智島二期項目位于南京市江寧區(qū)科教創(chuàng)新園，北側(cè)為芝蘭路，西側(cè)為活力智島項目一期，南側(cè)為秦淮河支流，東側(cè)為龍眠大道。項目總建筑面積約10.73萬m2。T1科研中心共25層（圖5），建筑高度99.9m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.90m；T2研發(fā)中心共9層，建筑呈L形，建筑高度37.6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.90m。

圖5 科創(chuàng)園活力智島二期項目效果圖及區(qū)位圖

該工程為EPC工程總承包項目，由中海建筑有限公司及中建工程設(shè)計有限公司聯(lián)合體負(fù)責(zé)具體實施，預(yù)制裝配率為40%，項目存在工期要求短、場地空間狹小、結(jié)構(gòu)性能要求高等難點，具體表現(xiàn)為：（1）項目環(huán)保要求較高，施工天數(shù)會受到較大影響；（2）作為EPC工程，涉及專業(yè)多，技術(shù)、管理組織協(xié)調(diào)難度大；（3）地上建筑采用裝配式結(jié)構(gòu)，施工管理難度較大；（4）場地空間狹小，地下室外墻距離紅線邊不足5m，可利用空間狹小。

上述難點可通過采用UHPC板無梁樓蓋解決，UHPC板無梁樓蓋可有效增加層高、減少柱子數(shù)量，增加施工空間，降低施工時間。具體建議如下：大跨可采用純UHPC樓板，中小跨采用UHPC局部增強(qiáng)NC樓板結(jié)構(gòu)形式；板柱節(jié)點局部增強(qiáng)，通過擴(kuò)大面積提高局部高度來提高節(jié)點抗力。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)外對UHPC板沖切性能的研究仍然較少，根據(jù)試驗可以得到以下結(jié)論：

（1）相比于普通混凝土板，同等截面的UHPC板具有更高的沖切承載力。

（2）纖維摻量、板件尺寸及受荷方式極大地影響著UHPC板的沖切性能，建議提高纖維摻量，采用華夫板截面，增大受荷面積來提升承載力及延性。

（3）對于大層高、大跨度結(jié)構(gòu)，采用UHPC樓板可有效實現(xiàn)增加層高、控制施工工期。