王佳瑋 孟 醒

三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院 湖北 宜昌 443000

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，城市化水平穩(wěn)步提高，城市人口越來越密集，高層建筑的數(shù)量急速增長，對高強(qiáng)度、高性能混凝土的需求不斷增加[1]，超高性能混凝土逐漸被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。為繼續(xù)推廣鋼筋UHPC在工程領(lǐng)域的深入應(yīng)用，不同學(xué)者提出了多種開裂荷載、裂縫寬度、剛度、承載力的計算方法，還有一些專家編制了超高性混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范。然而不同方法對于模型假定和參數(shù)取值不同，且關(guān)于鋼筋UHPC構(gòu)件的抗力性能研究較少，有待進(jìn)一步深入研究。此外，不少研究表明高強(qiáng)鋼筋能充分發(fā)揮出UHPC的超高強(qiáng)度、超高韌性以及超高耐久性，同時可以減少鋼筋用量、截面尺寸。為此，本文基于配置HRB600級鋼筋的超高性能混凝土梁進(jìn)行正截面抗力性能加載試驗，研究了鋼纖維類型、摻量及配筋率對梁正截面極限承載力的影響，并對比分析了試驗結(jié)果以及不同極限承載力計算方法的差異性，提出了超高性能混凝土梁極限承載力的計算方法。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料及配合比

UHPC-CA的主要原材料包括水泥P·C42.5水泥、P·O52.5、碎石、硅灰、石英砂、鋼纖維、高效聚羧酸減水劑和水，水泥的離子含量、強(qiáng)度和各項性能指標(biāo)均符合相應(yīng)的規(guī)范要求。碎石選用粒徑為5～10mm；石英砂為30～40目，細(xì)度模數(shù)為7.3；硅灰采用?？蠂H貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的，其比表面積為22000cm2/g，二氧化硅的含量在94%以上；鋼纖維選用平直型、波紋型、端勾型三種類型，直徑為0.2mm，等效長度為13mm，密度為7850kg/m3；高效聚羧酸減水劑減水效率為40%。UHPC-CA配合比設(shè)計見表1。

表1 UHPC-CA 配合比 （單位：kg/m3）

1.2 試件設(shè)計

試驗梁截面尺寸為100mm×200mm，跨度為1200mm，計算跨度為1050mm，保護(hù)層厚度15mm[2]。試驗梁共六根，以受拉縱筋為HRB600級鋼筋的適筋梁4根L1～L4，變量為鋼纖維類型和摻量；少筋梁L5受拉縱筋為HPB300級鋼筋；超筋梁L6受拉縱筋和箍筋間距變小，均采用HRB600級鋼筋；試驗梁具體參數(shù)見表2。

表2 試驗梁工況

1.3 加載制度

試驗梁采用團(tuán)隊自主設(shè)計研發(fā)的鋼筋混凝土梁反力加載裝置[3]進(jìn)行加載，如圖1所示，此裝置更加便于觀察和測量裂縫。

圖1 加載裝置

試驗梁彎剪段和純彎段均為350mm，在試驗梁的側(cè)面、梁底和梁頂粘貼120-80AA 型混凝土應(yīng)變片，使用uT700Y優(yōu)泰采集儀進(jìn)行應(yīng)變采集；在試驗梁的鋼墊板和跨中區(qū)域沿梁高布置千分表；在跨中梁縱筋對應(yīng)位置處布置位移計，防止應(yīng)變片斷裂無法繼續(xù)監(jiān)測變形。 加載制度驗根據(jù) 《混凝土結(jié)構(gòu)實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-2012)制定，采用分級加載制度，正式加載前，通過預(yù)加載檢查各種儀器工作狀態(tài)。通過觀察試驗梁受壓區(qū)破壞狀態(tài)，來判斷是否達(dá)到其極限承載力。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變分析

試驗梁在加載過程中，應(yīng)變沿截面高度是線性分布，說明應(yīng)變符合平截面假定，如圖2所示。將四根適筋梁彎矩-鋼筋應(yīng)變進(jìn)行匯總繪出曲線圖（圖3），在彈性階段，不同試驗梁的彎矩-縱筋應(yīng)變幾乎重合在一起，表明不同的鋼纖維形狀和摻量在加載初期對梁的剛度影響不大。在梁表面裂縫開展階段，鋼筋的應(yīng)變迅速增大，在開裂截面處鋼纖維對混凝土有著阻裂作用，從而有效的限制鋼筋應(yīng)變的增加。由圖可得，在梁承受的彎矩和鋼纖維摻量一定時，鋼筋承受的拉力從大到小依次為：直纖維梁、端勾型纖維梁、波紋型纖維梁。在梁承受的彎矩和鋼纖維形狀一定時，3%直纖維梁鋼筋承受的拉力更大比2%的直纖維梁鋼筋承受的拉力更小，即3%直線纖維混凝土承受的拉力比2%直線纖維混凝土承受的拉力更大。鋼纖維由于摻量和形狀的改變增加了鋼纖維和混凝土的粘結(jié)力，在承受荷載時可以提供更多的拉應(yīng)力。

圖3 適筋梁荷載-鋼筋應(yīng)變

2.2 承載力分析

試驗梁破壞數(shù)據(jù)如下表3所示，由適筋梁L1～L4的數(shù)據(jù)可得，鋼纖維形狀對極限承載力影響不大，但是對破壞撓度有一定影響；提高鋼纖維摻量、配筋率能提高梁的極限承載力，3%鋼纖維摻量梁大約比2%鋼纖維摻量梁承載力提升8.84%；少筋梁L5和超筋梁L6破壞時撓度和極限壓應(yīng)變均不大?？估瓘?qiáng)度是影響超高性能混凝土梁極限承載力的主要因素，配筋率是次要影響因素；鋼纖維類型及摻量通過影響混凝土的抗拉強(qiáng)度間接影響梁的極限承載力。

表3 試驗破壞數(shù)據(jù)

3 極限承載力計算方法

采用普通混凝土梁極限承載力計算的方法對于超高性能混凝土梁進(jìn)行極限承載力計算并不適用，本文參考美國預(yù)制UHPC蓋板設(shè)計規(guī)范[4]、湖南規(guī)范 (DBJ43/T325-2017)[5]、瑞士MCS-EPFL規(guī)范[6]、法國UHPFRC規(guī)范[7]、西安建筑科技大學(xué)梁興文計算方法[8]、湖南大學(xué)方志計算方法[9]對試驗梁承載力進(jìn)行計算，極限承載力計算值與試驗值比值如表4所示。

表4 極限承載力計算值與試驗值比值

所有規(guī)范都未考慮鋼纖維摻量的影響。美國規(guī)范和瑞士規(guī)范評判破壞的標(biāo)準(zhǔn)對本文試驗梁不適用，過高的計算了試驗梁受壓區(qū)混凝土的承載力，因此，兩個規(guī)范的計算值均大于試驗值；湖南省提出的活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程由于忽略了混凝土受拉區(qū)荷載的貢獻(xiàn)，計算值明顯小于試驗值；法國規(guī)范和梁興文計算方法的計算值略小于試驗值，規(guī)范中系數(shù)的取值往往是偏向于安全的，故取值偏小，而梁興文計算方法拉應(yīng)力大約是實測混凝土抗拉強(qiáng)度的60%左右，可見對受拉區(qū)混凝土貢獻(xiàn)考慮偏于保守；方志的計算方法與本文的試驗值較為接近；在梁截面高度相同的條件下，鋼纖維長度越長，折減系數(shù)k值越大，鋼纖維長度的增加有利于更好的發(fā)揮鋼纖維的橋接能力，承擔(dān)更大的拉應(yīng)力。

綜上分析，依據(jù)方志的承載力計算公式乘以調(diào)整系數(shù)來計算超高性能混凝土梁正截面極限承載力較為貼合實際，調(diào)整系數(shù)取值1.07。

4 結(jié)語

(1) 超高性混凝土梁沿截面高度應(yīng)變符合平截面假定；鋼纖維由于摻量和形狀的改變增加了鋼纖維和混凝土的粘結(jié)力，在承受荷載時可以提供更多的拉應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度是影響超高性能混凝土梁極限承載力的主要因素，配筋率是次要影響因素；鋼纖維類型及摻量通過影響混凝土的抗拉強(qiáng)度間接影響梁的極限承載力。

(2) 鋼纖維形狀對超高性能混凝土梁正截面極限承載力影響不大，但是鋼纖維摻量的提高可以提高試驗梁的極限承載力，鋼纖維摻量為3%的試驗梁相比鋼纖維摻量為2%試驗梁正截面極限承載力提高8.84%左右。

(3) 美國預(yù)制UHPC蓋板設(shè)計規(guī)范和瑞士MCS-EPFL規(guī)范由于受拉和受壓破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)對配置HRB600級鋼筋的超高性能混凝土梁實際破壞狀態(tài)不適用導(dǎo)致計算值偏大；我國湖南省提出的活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程由于未考慮受拉區(qū)UHPC的影響導(dǎo)致計算值偏??；法國UHPFRC規(guī)范、西安建筑科技大學(xué)梁興文考慮受拉區(qū)混凝土影響過于保守導(dǎo)致計算值略小，湖南大學(xué)方志計算值和試驗值較為為吻合，方志公式乘以調(diào)整系數(shù)的計算方法較為貼合實際。