鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能

摘 要：結(jié)合國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)試驗(yàn)成果，本文對(duì)鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究分析，主要包括鋼筋再生混凝土梁的抗剪受力及破壞特征，影響鋼筋再生混凝梁抗剪承載力的主要因素以及鋼筋再生混凝梁抗剪承載力的計(jì)算方法等。研究結(jié)果表明，鋼筋再生混凝土梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁差別不大，主要取決于剪跨比；再生混凝土強(qiáng)度、剪跨比和配箍率以及再生骨料取代率是影響鋼筋再生混凝土梁抗剪性能的主要因素；鋼筋再生混凝土梁的抗剪機(jī)理與普通混凝土基本相同；普通混凝土梁抗剪承載力計(jì)算公式應(yīng)用于再生混凝土偏于不安全。本文的研究成果對(duì)再生混凝土在結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鋼筋再生混凝土梁；抗剪性能；破壞形態(tài)；極限承載力

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)城市更新速度不斷加快，每年有大量的廢舊混凝土建筑物和構(gòu)筑物被拆除，導(dǎo)致大量廢棄混凝土的產(chǎn)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年由于廢舊建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土已達(dá)1360萬(wàn)噸[1]。這些廢棄混凝土既占用了大量土地，又污染了環(huán)境。從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，對(duì)這些廢棄混凝土進(jìn)行循環(huán)利用已經(jīng)刻不容緩。將廢棄混凝土破碎、加工、分級(jí)而形成再生骨料，代替天然骨料（主要是粗骨料）配制新混凝土，一般稱作再生混凝土技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的有效回收，具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。

再生骨料與天然骨料性能之間存在一定的差異，這導(dǎo)致了再生混凝土的基本性能與普通混凝土也有所不同，材料性能的差異必將進(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋再生混凝土與普通混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性能上的差異。為了實(shí)現(xiàn)再生混凝土高效利用，有必要深入開(kāi)展再生混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)受力性能的研究。

鋼筋混凝土梁是最常見(jiàn)而最重要的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，對(duì)于再生混凝土而言，深入研究鋼筋再生混凝土梁的受力性能評(píng)價(jià)對(duì)于再生混凝土應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可行性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。[3]曾系統(tǒng)分析了鋼筋再生混凝土梁的受彎性能，得出了一些有益的結(jié)論。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)鋼筋混凝土梁都無(wú)法避免受剪的問(wèn)題，而且受剪破壞往往表現(xiàn)為脆性破壞，不利于構(gòu)件的延性發(fā)揮。另一方面，與受彎構(gòu)件不同，在鋼筋再生混凝土抗剪構(gòu)件中，再生混凝土扮演著更加重要的角色，分析方法更為復(fù)雜。因此，深入研究鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能，認(rèn)清其受力特征，對(duì)于再生混凝土的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)關(guān)于再生混凝土的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用。

2 鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能

2.1 破壞形態(tài)

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，普通混凝土梁斜截面破壞主要分為3種破壞形態(tài)，即斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞，主要取決于剪跨比。

2.2 荷載-跨中撓度曲線

由圖中可以看出，各梁均經(jīng)歷了彈性階段和非彈性階段，且在非彈性階段，荷載-跨中撓度曲線有上升的趨勢(shì)。試驗(yàn)梁未開(kāi)裂前，BS100抗彎剛度最低，BS50次之，BS0抗彎剛度最高。試驗(yàn)梁開(kāi)裂后，隨著荷載的增加，各梁的撓度均隨之增大。在同一荷載下，再生混凝土梁的撓度隨著再生骨料取代率的增加而增加。

2.3 荷載-斜裂縫平均寬度曲線

圖4中給出了[6]試驗(yàn)得到的荷載-斜裂縫平均寬度關(guān)系曲線。可以看出，在荷載較小時(shí)，斜裂縫平均寬度與荷載基本上呈線性關(guān)系，隨著荷載增大，斜裂縫平均寬度變寬，但3根試驗(yàn)梁破壞時(shí)，斜裂縫平均寬度均未超過(guò)1.5mm。對(duì)比三條荷載-斜裂縫平均寬度曲線可以看出，荷載不大時(shí)，BS100斜裂縫平均寬度最大，BS50次之，BS0最小；隨著荷載的增加，3根試驗(yàn)梁斜裂縫平均寬度也隨之增大，但BS100斜裂縫平均寬度增長(zhǎng)速度較慢，BS50的斜裂縫平均寬度增長(zhǎng)較快。試驗(yàn)梁臨近各自的破壞狀態(tài)時(shí)，斜裂縫平均寬度BS100最小，BS50次之，BS0最大。[6-8]認(rèn)為主要原因是，一方面可能是由于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度具有較大的離散性，另一方面也可能是因?yàn)樵谠偕炷林校偕橇吓c天然骨料達(dá)到較優(yōu)級(jí)配，使開(kāi)裂后的再生混凝土產(chǎn)生明顯的應(yīng)力重分布。

但是，張雷順等[4]的試驗(yàn)結(jié)果則與上述結(jié)論不完全相同，他們的試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)受力過(guò)程中，鋼筋再生混凝土梁的斜裂縫寬度均大于普通混凝土梁，而且隨著再生骨料取代率的增加，斜裂縫平均寬度也有所增大。

2.4 荷載-箍筋應(yīng)變曲線

圖5是[6]試驗(yàn)得到的荷載-箍筋應(yīng)變曲線。可以看出，混凝土開(kāi)裂前，箍筋應(yīng)變均不大，混凝土開(kāi)裂后，隨著荷載的增加，與斜裂縫相交處箍筋應(yīng)變有較大增長(zhǎng)，而未開(kāi)裂處的箍筋應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變數(shù)值變化較小，這說(shuō)明箍筋在再生混凝土梁開(kāi)裂前對(duì)抗剪貢獻(xiàn)較小。試驗(yàn)梁開(kāi)裂后箍筋承擔(dān)一部分剪力，剪力增加箍筋應(yīng)變?cè)黾虞^快，BS0與BS100的箍筋應(yīng)變變化情況基本相似。在梁開(kāi)裂后、相同荷載作用下，1號(hào)箍筋應(yīng)變BS0最小，BS100次之，BS50最大。試驗(yàn)梁破壞時(shí)，各梁箍筋均基本達(dá)到屈服應(yīng)變。

3 影響鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能的主要因素

3.1 再生混凝土抗壓強(qiáng)度

對(duì)于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土梁的抗剪問(wèn)題，混凝土的抗壓強(qiáng)度是影響其抗剪承載力的主要因素之一，對(duì)于再生混凝土梁，試驗(yàn)結(jié)果也表明，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也是影響其抗剪性能的重要因素。例如，[9]系統(tǒng)研究了再生混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)梁抗剪承載力的影響，在其試驗(yàn)中，通過(guò)采用不同水灰比來(lái)獲得不同的再生混凝土強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖中可以看出，隨著再生混凝土抗壓強(qiáng)度的增加，再生混凝土梁抗剪承載力隨之增加，且趨勢(shì)非常明顯，基本上呈線性關(guān)系。此外，試驗(yàn)中也得到了類似的結(jié)論，所以，和普通混凝土梁相一致，鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力與混凝土強(qiáng)度基本上呈線性關(guān)系。

3.2 剪跨比

Han[5]系統(tǒng)研究了鋼筋再生混凝土無(wú)腹筋梁在不同剪跨比下的抗剪承性能，考察了剪跨比對(duì)梁抗剪性能的影響。試驗(yàn)梁的剪跨比分別為：1.5，2.0，3.0和4.0，其抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力隨著剪跨比的增加而降低。此外，張雷順等[4]也給出了類似的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 配箍率

Belen的試驗(yàn)中，重點(diǎn)考察了在再生混凝土抗壓強(qiáng)度相同的情況下，配箍率對(duì)鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力的影響情況。其試驗(yàn)中，為了改善再生混凝土的材料性能，部分再生混凝土中摻加了硅粉。圖8中給出了配箍率 與再生混凝土梁的抗剪承載力關(guān)系。由圖中可見(jiàn)，隨著配箍率的增加，再生混凝土梁的抗剪承載力隨之增加，而且趨勢(shì)非常明顯，基本上呈線性關(guān)系。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，配箍率也是影響再生混凝土抗剪承載力的重要因素之一。研究者的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。

3.4 再生骨料取代率

[4-8]的試驗(yàn)結(jié)果均表明再生骨料取代率對(duì)梁的承載力存在一定的影響。圖9是[4]中得到的再生骨料取代率對(duì)梁抗剪承載力影響的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力隨著再生骨料取代率的增加而有規(guī)律地降低。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，再生骨料取代率這一影響因素不能忽視，在建立再生混凝土抗剪承載力計(jì)算公式時(shí)，需要考慮再生骨料取代率該因素。

通過(guò)對(duì)上述相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的回顧與分析，可以發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、剪跨比以及配箍率和再生骨料取代率是影響再生混凝土梁抗剪能力的主要因素。事實(shí)上，如果考慮縱筋的銷(xiāo)栓作用，那么縱筋的配筋率也應(yīng)該是影響再生混凝土梁抗剪承載能力的一個(gè)重要因素。但是，從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，尚無(wú)專門(mén)針對(duì)縱筋對(duì)鋼筋再生混凝土梁抗剪性能的研究，關(guān)于這方面的研究，有待于進(jìn)一步展開(kāi)。

4 鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算方法

4.1 再生混凝土梁的抗剪機(jī)理

根據(jù)上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼筋再生混凝土梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁相似，這表明鋼筋再生混凝土梁的抗剪機(jī)理與普通混凝土梁并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此可參照取普通混凝土梁破壞時(shí)受力狀態(tài)來(lái)分析再生混凝土梁的抗剪機(jī)理。再生混凝土梁抗剪破壞時(shí)的受力情況見(jiàn)圖10所示。假定鋼筋再生混凝土梁在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，剪壓區(qū)垂直面上剪應(yīng)力 和正應(yīng)力 為均勻分布，剪壓區(qū)高度為 ，則有下列平衡方程：

上式表明，鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力由剪壓區(qū)再生混凝土所承擔(dān)的剪力、裂縫間骨料咬合力 和縱筋的銷(xiāo)栓力 以及箍筋抗剪力等4部分組成。根據(jù)[6-8]的試驗(yàn)結(jié)果，再生混凝土梁和普通混凝土梁在達(dá)到抗剪極限承載能力時(shí)的縱筋和箍筋應(yīng)變均大致相等。因此，再生混凝土梁抗剪承載力降低的主要原因?yàn)樵偕炷恋目辜裟芰^比普通混凝土差。

此外，鋼筋再生混凝土梁的臨界斜裂縫間骨料的咬合力機(jī)理可能與普通混凝土不完全相同[7]。對(duì)于普通混凝土，天然粗骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水泥石的強(qiáng)度，在斜裂縫表面處骨料可能突出表面，突出的天然粗骨料將阻止斜裂縫兩側(cè)相對(duì)滑移，此即所謂咬合力；對(duì)于再生骨料，由于其孔隙率比較大，且存在許多微裂縫，其在臨界主斜裂縫處容易被拉斷，斜裂縫表面只有少量的再生粗骨料突出表面，骨料咬合力主要取決于裂縫面間摩擦力的大小。

4.2 極限平衡法

上述大量試驗(yàn)結(jié)果都表明，再生混凝土梁的抗剪承載能力較普通混凝土梁降低，因此不宜直接采用普通混凝土梁的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算再生混凝土梁的抗剪承載力，否則將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

在對(duì)鋼筋再生混凝土梁抗剪機(jī)理進(jìn)行把握的基礎(chǔ)上，可以對(duì)其抗剪承載力計(jì)算方法加以討論。根據(jù)上述分析，可以考慮在對(duì)普通混凝土計(jì)算方法加以修正的基礎(chǔ)上獲得再生混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算公式，這是最為直觀和實(shí)用的方法。

在我國(guó)現(xiàn)行的《普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）中，采用下式計(jì)算普通混凝土梁的抗剪承載力：

利用本文收集到的抗剪再生混凝土梁抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，可以發(fā)現(xiàn)（5）式與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4.3 非線性有限元法

對(duì)于鋼筋再生混凝土梁的抗剪問(wèn)題，影響因素眾多，采用極限平衡法必須采用許多假定。為了全面了解鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能，分析其承載能力，可以通過(guò)非線性有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算。

蘭陽(yáng)[6]利用ANSYS軟件對(duì)鋼筋再生混凝土受剪梁進(jìn)行了有限元分析，再生混凝土選用SOLID65單元，鋼筋采用LINK8桿單元模擬，再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用李佳彬建議結(jié)果。圖11中給出了部分鋼筋再生混凝土梁抗剪性能有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，表明采用非線性有限元法計(jì)算鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力是可行的。

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)研究了鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能，得出了如下一些有意義的結(jié)論：（1）鋼筋再生混凝土梁的斜截面梁受剪破壞形態(tài)與普通混凝土梁差別不大，主要取決于剪跨比λ。當(dāng)λ≤1時(shí)，發(fā)生斜壓破壞；1<λ<3時(shí)發(fā)生剪壓破壞；λ≥3時(shí)發(fā)生斜拉破壞。（2）再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、剪跨比、配箍率和再生骨料取代率是影響鋼筋再生混凝土梁抗剪性能的主要因素。（3）鋼筋再生混凝土梁的抗剪機(jī)理與普通混凝土基本相同。（4）普通混凝土抗剪承載力計(jì)算公式用于再生混凝土偏于不安全，不適用于鋼筋再生混凝土梁。（5）鋼筋再生混凝土抗剪承載力計(jì)算公式可以參考（5）式進(jìn)行；在合理選擇再生混凝土本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，也可采用非限元有限元法計(jì)算其承載力。（6）關(guān)于鋼筋再生混凝土梁的抗剪設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院.綠色建材與建材綠色化[M].北京：中國(guó)建材出版社，2003.

[2]肖建莊，李佳彬，蘭陽(yáng).再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評(píng)述[J].混凝土，2003，26（10）：17-20.

[3]李旭平.鋼筋再生混凝土梁的受彎性能[J].混凝土，2007，（3）：19-21.

[4]張雷順，張曉磊，閆國(guó)新.再生混凝土無(wú)腹筋梁斜截面受力性能試驗(yàn)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：18-23.

[5]Han B.C.et al. Shear capacity of reinforced concrete beams made with recycled aggregate. ACI Special Publication， Vol.200， June，2001

[6]蘭陽(yáng).再生混凝土受彎與受剪性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005年.

[7]肖建莊，蘭陽(yáng).再生混凝土梁抗剪性能試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師， 2004，20（6）：54-58.

[8]蘭陽(yáng)，肖建莊，李佳彬.再生粗骨料混凝土材料與梁抗剪性能研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2006，23（2）：8-10.

[9]李佳彬.再生混凝土基本力學(xué)性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004年.