摘要：為確保梁在彎曲加載下保持良好的穩(wěn)定性，文章系統(tǒng)探討了超高性能纖維混凝土（UHPFRC）對(duì)常規(guī)RC梁抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化效果，對(duì)12根鋼筋混凝土梁進(jìn)行四點(diǎn)荷載測(cè)試，觀測(cè)其破壞模式。結(jié)果顯示，UHPFRC能顯著提高RC梁的抗剪性能，相較于未加固梁，強(qiáng)化后的梁抗剪強(qiáng)度提升了1.54倍，其初始剛度、延性和韌性也得到了顯著增強(qiáng)。此外，加固梁主要在最大彎矩區(qū)域展現(xiàn)出彎曲破壞，顯示出較好的延性性能。

關(guān)鍵詞：超高性能纖維混凝土；抗剪強(qiáng)度；強(qiáng)化策略；RC梁；延性性能

中圖分類號(hào)：U445.57

0 引言

鋼筋混凝土梁的剪切破壞會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，需要對(duì)其采取加固措施。超高性能纖維混凝土（以下簡(jiǎn)稱UHPFRC）作為一種外部粘結(jié)材料，為加固提供了有效途徑。許多研究已深入探討了UHPFRC的性能，由于UHPFRC的致密結(jié)構(gòu)，顯示出了良好的耐久性和抗腐蝕性能。UHPFRC的這些特性使其在混凝土結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而其他加固方法如FRP、ECC、FRCM等在某些應(yīng)用中存在局限性。近年來(lái)，UHPFRC在RC梁抗剪加固方面的研究得到了越來(lái)越多的重視。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少，因此需進(jìn)一步探討。

UHPFRC因其卓越的工程性能在建筑工程領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。為了進(jìn)一步探究其作為抗剪筋在加固鋼筋混凝土梁中的行為特性，擴(kuò)充有關(guān)UHPFRC應(yīng)用于抗剪加固方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料庫(kù)，本文重點(diǎn)研究了UHPFRC在不同加固配置下的加固效果，以及UHPFRC如何影響鋼筋混凝土梁的抗剪性能及破壞模式，以提供更為科學(xué)的地域性加固建議。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 材料特性及選擇

玄武巖作為粗骨料、細(xì)骨料砂、普通硅酸鹽水泥（CEM I 52.5）以及普通自來(lái)水被用于制備NC混凝土。本試驗(yàn)所用玄武巖均勻、最大粒徑為19 mm。另外，選用的粗、細(xì)骨料的物理和化學(xué)特性均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求?？v向和橫向鋼筋分別采用高級(jí)抗拉鋼和軟鋼，具體性能如表1所示。

UHPFRC的組成主要包括普通硅酸鹽水泥、硅灰、細(xì)砂、石英粉等。這些組成材料都是為了確保UHPFRC達(dá)到極高的強(qiáng)度、低滲透性和良好的耐化學(xué)性。為了加固UHPFRC，本研究還選用了高強(qiáng)度的鉤狀鋼纖維。

本研究采用兩種不同的UHPFRC混合物，分別含有水泥、硅灰、沙子、石英粉、鋼纖維、高效減水劑和水。在制備過(guò)程中，進(jìn)行了多種混合物的試驗(yàn)。所采用的混合物配比如表2所示。

1.2 試樣及特性

本試驗(yàn)主要研究了12根鋼筋混凝土梁樣品（見表3），其尺寸特性為：長(zhǎng)度為1 700 mm，凈跨距為1 500 mm，其矩形截面高度為250 mm，寬度為120 mm。在梁的底部，有3根縱向鋼筋，其標(biāo)稱直徑為12 mm，均勻鋪設(shè)于一個(gè)層面中；而在梁的頂部，有兩根縱向鋼筋，其標(biāo)稱直徑為10 mm，也均勻鋪設(shè)在一個(gè)層面中。兩種縱向鋼筋的凈保護(hù)層都是20 mm。為了進(jìn)行試驗(yàn)加固，使用了標(biāo)稱直徑6 mm的雙肢變形鋼筋，這些鋼筋沿著梁的長(zhǎng)度，每隔200 mm設(shè)置一次。

如表3所示，這些梁樣品采用了不同的加固配置。本次試驗(yàn)主要考慮了幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：UHPFRC層的厚度（有25 mm和35 mm兩種）、UHPFRC的加固長(zhǎng)度（包括L、L/3、垂直帶、傾斜帶）、加固的遍數(shù)（一側(cè)、兩側(cè)、三側(cè)）、加固技術(shù)（鑄造或錨固）以及UHPFRC中鋼纖維的比例（1.5%和3%）。為了探究UHPFRC層厚度的效果，可以對(duì)比試樣B3和B4，而試樣B3、B7、B8、B9則展示了UHPFRC層加固長(zhǎng)度的影響。試樣B10和B11則展示了采用垂直或傾斜帶進(jìn)行剪切加固的效果。此外，試樣B5、B3及B6展現(xiàn)了從不同方向進(jìn)行加固的效果，需要指出的是，B5樣本代表了建筑物外部的梁，因此這種情況下，其兩側(cè)的加固較為困難。試樣B3、B8、B7和B9反映了不同加固技術(shù)的不同效果。錨固的UHPFRC板的一大優(yōu)勢(shì)在于其可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行特性調(diào)整，例如尺寸、強(qiáng)度等。另外，試樣B2和B4反映了UHPFRC混合物中不同鋼纖維比例的影響。

1.3 試驗(yàn)裝置與流程

本試驗(yàn)中，梁試樣的加載測(cè)試是在一個(gè)具有600 kN偏移控制功能的液壓測(cè)試機(jī)下進(jìn)行的。加載過(guò)程以0.25 mm/min的速率進(jìn)行，直至梁試樣失效，具體如圖1所示。為了精確地監(jiān)測(cè)梁試樣在加載過(guò)程中的撓度變化，在梁試樣的中跨位置安裝了一個(gè)線性可變差分傳感器（LVDT）。值得指出的是，所有的梁試樣都是在UHPFRC澆筑完成后的第90 d進(jìn)行測(cè)試的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裂紋與失效模式分析

如圖2所示，詳細(xì)呈現(xiàn)了各梁試樣的失效模式?？刂屏築0展示了典型的抗剪鋼筋不足RC梁的性能，這可以從其在133.72 kN的連接極限荷載點(diǎn)與支撐點(diǎn)的裂紋分布明顯看出，詳見圖2（a）。在梁B1與B2中，首先觀察到了UHPFRC層壓板的脫膠，接著在其極限載荷141.26 kN與156.95 kN處，層壓板上出現(xiàn)了裂紋，伴隨著梁表面的對(duì)角剪切裂紋，如圖2（b）與圖2（c）所示。

梁樣本B3、B4以及B6表現(xiàn)為在恒定力矩區(qū)域內(nèi)的彎曲破壞，其中，較少的垂直裂紋開始并逐漸發(fā)展，詳見圖2（d）、圖2（e）和圖2（g）。需要注意的是，這幾根梁在其表面與UHPFRC層之間并沒(méi)有脫膠現(xiàn)象，其極限荷載分別達(dá)到了187.37 kN、186.89 kN以及206.10 kN。梁B5展現(xiàn)出了脆性的失效模式，當(dāng)其達(dá)到150.31 kN的極限荷載時(shí)，荷載作用點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間形成了對(duì)角裂紋，如圖2（f）所示。而梁B7展現(xiàn)了在166.90 kN極限荷載下的韌性失效模式，這一特性可以在最大力矩區(qū)的彎曲裂紋中明顯觀察到，詳見圖2（h）。

如圖2（i）所示，梁樣本B8在其154.18 kN的極限荷載下由于形成彎曲裂紋而失效。相對(duì)地，梁B9展示了脆性破壞，如圖2（j）所示，首先出現(xiàn)了彎曲裂紋，隨后混凝土表面的層壓板的錨固螺栓被完全拔出，導(dǎo)致層壓板與梁表面之間發(fā)生脫膠，其極限荷載為148.66 kN。另一方面，梁B10與B11在最大彎矩區(qū)域內(nèi)形成了垂直裂紋，并展現(xiàn)出了良好的延性失效模式，如圖2（k）與圖2（l）所示，其極限荷載分別達(dá)到了147.55 kN與150.13 kN。對(duì)于UHPFRC層已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的所有梁樣本，其纖維在剪切臨界載荷下的失效模式表現(xiàn)為纖維與基體界面的粘結(jié)失效。

2.2 UHPFRC混合料中鋼纖維比例與UHPFRC層厚度對(duì)性能的影響

為深入探究UHPFRC混合物中鋼纖維比例對(duì)性能的影響，本研究選取了4種不同纖維含量的梁試樣，包括B1（1.5%鋼纖維）、B2（1.5%鋼纖維）、B3（3%鋼纖維）和B4（3%鋼纖維）。荷載-撓度曲線如圖3所示。

由圖3可知，提高鋼纖維的含量明顯優(yōu)化了加固梁的結(jié)構(gòu)性能。試樣B1和B3的初始剛度近似，均為B0的1.69倍。更為重要的是，增加鋼纖維比例可以有效增強(qiáng)混凝土的延展性、韌性，并能阻止開裂以及提高極限承載能力。這主要得益于鋼纖維在UHPFRC基體中作為橋梁，增強(qiáng)了材料的整體性能。具體來(lái)說(shuō)，B3試樣的延展性和韌性相較于B0分別提高了2.6倍和4.4倍；而B1試樣與B0相比，其延展性和韌性僅增加了1.37倍和1.22倍。針對(duì)B2和B4試樣，結(jié)果與上述觀察一致。鋼纖維含量越高，相關(guān)的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)也呈上升趨勢(shì)。例如，B2和B4試樣的初始剛度分別是B0的1.88倍和2.47倍，而延展性分別提高了1.36倍和3.37倍。另外，為了了解UHPFRC層厚度對(duì)性能的影響，本文比較了B3（25 mm厚度）與B4（35 mm厚度）試樣與控制梁B0的荷載-跨中撓度曲線。如圖3所示，增加UHPFRC層的厚度確實(shí)增強(qiáng)了加固梁的開裂、屈服及極限承載能力。但這種增強(qiáng)效應(yīng)并不隨著層厚度的增加而線性增長(zhǎng)。例如，B3和B4試樣相較于B0，其初始剛度提高了約1.69倍和2.47倍，而延展性則增加了2.6倍和3.37倍。

為此，結(jié)論是增加UHPFRC中鋼纖維的比例和層厚度都能有效提高加固梁的結(jié)構(gòu)性能，但也應(yīng)注意到其增益效應(yīng)存在上限，需要進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 UHPFRC加固層長(zhǎng)度的影響研究

首先，通過(guò)鑄造技術(shù)對(duì)加固的整體長(zhǎng)度和其1/3長(zhǎng)度進(jìn)行了評(píng)估；其次，采用錨固技術(shù)，針對(duì)整體長(zhǎng)度和其1/3長(zhǎng)度分別使用垂直帶和傾斜帶進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)于鑄造技術(shù)，通過(guò)圖3可見，梁B3（整體加固）和梁B7（加固1/3長(zhǎng)度）與未加固的控制梁B0在荷載-撓度曲線上有顯著差異。梁B3的性能明顯優(yōu)于梁B0，其延性、韌性、開裂和極限載荷分別提高了2.6倍、4.4倍、2.51倍和1.4倍。相較之下，梁B7的這些性能參數(shù)分別為3.37倍、3.92倍、2.27倍和1.25倍。這說(shuō)明，對(duì)整體長(zhǎng)度的加固比僅對(duì)其1/3長(zhǎng)度的加固效果更佳，但后者同樣可以顯著提高梁的性能。值得注意的是，梁B7的初始剛度竟然比梁B3的高出1.63倍。對(duì)于錨固技術(shù)，如圖4展示了梁B8、B9、B10、B11和控制梁B0的荷載-撓度關(guān)系。圖4結(jié)果也表明，加固整個(gè)長(zhǎng)度比僅加固1/3的長(zhǎng)度更為有效。具體而言，梁B10和B11（分別使用垂直和傾斜帶加固）的性能均優(yōu)于其他類型的加固。這可能是因?yàn)榧庸虠l帶與梁之間具有更好的結(jié)合效果，特別是在預(yù)期的剪切裂紋方向上使用傾斜帶，如在梁B11中所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究系統(tǒng)評(píng)估了UHPFRC對(duì)各種加固配置的RC梁在剪切強(qiáng)度方面的加固效果。綜合考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

UHPFRC為RC梁提供了一種有效的剪切加固手段。與未加固的梁相比，使用UHPFRC加固后的梁在極限抗剪強(qiáng)度、剛度、延性和韌性上都獲得了顯著提高。全鑄造UHPFRC加固方案相比錨固方案，在提高梁的極限載荷、延展性和韌性方面表現(xiàn)更佳。相較于僅加固1/3的長(zhǎng)度，對(duì)整體長(zhǎng)度進(jìn)行加固更為有益。同時(shí)，使用垂直或傾斜帶進(jìn)行的加固效果尤為突出。提高UHPFRC中鋼纖維的含量可以進(jìn)一步增強(qiáng)加固梁的性能。UHPFRC加固層的厚度與梁的初始剛度和延性正相關(guān)，但與開裂和極限載荷的增長(zhǎng)速率并不完全成正比。增加加固面的數(shù)量會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化梁的性能。尤其是三面加固的梁，其極限抗剪強(qiáng)度達(dá)到了最高值。

以上結(jié)論為工程師和研究者在實(shí)際應(yīng)用中為RC梁選擇合適的UHPFRC加固方法提供了寶貴的參考。

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收稿日期：2023-10-11

作者簡(jiǎn)介：馮東閣（1986—），工程師，主要從事路橋施工管理工作。