配箍率對高強鋼筋RPC梁抗剪性能影響研究

金凌志, 梅臣

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

?

配箍率對高強鋼筋RPC梁抗剪性能影響研究

金凌志1,2, 梅臣1,2

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

摘要:為了研究HRB500級高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁的抗剪性能，通過改變箍筋配筋率，對4根在集中荷載下的RPC簡支梁進行受剪破壞試驗，比對分析不同配箍率對試驗梁的斜裂縫發展、受剪承載力及最大斜裂縫寬度的影響。試驗結果表明：高強箍筋和活性粉末混凝土具有良好的協同工作性能，抗剪延性得到改善；高強鋼筋活性粉末混凝土梁的臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發展而成；配箍率大小對試驗梁的斜向開裂荷載并無明顯影響，但是配箍率越高，斜裂縫寬度越小，抗剪承載力越高；桁架-拱理論模型公式比較適用于高強鋼筋RPC有腹筋梁抗剪承載力的計算。

關鍵詞：高強鋼筋；活性粉末混凝土；配箍率；斜裂縫寬度；受剪承載力

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡稱RPC)是一種新型水泥基復合材料,具有高強度、高耐久性及高韌性等優良性能[1]，應用前景廣闊[2]。由于提高了組分細度、反應活性及摻加了鋼纖維，相比普通混凝土梁，活性粉末混凝土梁在抗剪性能上有突出的優勢，對其抗剪性能的研究不容忽視。近年來，國內外對活性粉末混凝土的制備、基本力學特性等進行了深入研究[3-5]。陸小呂[6]用ANSYS建立有限元模型，驗證所提出的RPC梁極限彎矩計算式。Xia等[7-8]根據RPC梁的抗剪試驗結果，提出相適應的塑性剪切理論和黏結滑移理論。武玉贊[9]基于修正壓力場理論，充分考慮受拉區鋼纖維對混凝土抗拉性能的提高，分析得到鋼纖維混凝土梁在彎剪作用下極限抗剪承載力的簡化截面分析方法。張浦[10]基于軟化桁架模型，系統分析混凝土強度、剪跨比、配箍率等因素對RPC梁抗剪承載力的影響，并初步提出RPC梁抗剪承載力計算的建議公式。金凌志等[11-12]對6根RPC簡支梁進行抗剪試驗研究，分析配箍率等參數對剪切延性、抗剪承載力以及斜裂縫寬度的影響，表明剪切延性系數和抗剪承載力均隨配箍率的提高而提高，并提出RPC梁最大斜裂縫寬度與平均斜裂縫寬度的關系公式。但是國內對高強鋼筋活性粉末混凝土梁抗剪性能的研究尚少，參考文獻[6-10]主要研究普通鋼筋RPC梁的抗剪性能。本文在活性粉末混凝土梁中配置HRB500級縱筋和HRB400級箍筋，在文獻[10-11]研究成果的基礎上，運用摩爾圓原理，分析試驗梁斜裂縫開裂模式均為腹剪型斜裂縫的原因，揭示不同配箍率對試驗梁的破壞形態、受剪承載力及斜裂縫寬度等的影響機理。

1試驗概況

1.1試件設計

試驗將配箍率作為重要參數，分析研究高強鋼筋RPC梁的抗剪承載力。4根配有HRB500級鋼筋的RPC簡支梁，剪跨比λ=2.25，受拉縱筋直徑25 mm，HRB400級箍筋，截面尺寸b×h=150 mm×250 mm , 梁長2 200 mm，跨度1 800 mm，試驗梁參數及RPC力學性能見表1～2。

1.2原材料

RPC原材料配合比見表3，包括廣西興安海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥；石英砂：粒徑范圍0.4～0.6 mm，顆粒呈球形；微硅粉：比表面積20 000 m2/kg，平均粒度范圍為0.1～0.2 um，硅灰中SiO2的含量94.7%以上；石英粉：粒徑為40 μm，SiO2含量為99.24%；硅微粉：粒徑2 μm以下，平均粒徑0.31 μm左右；鋼纖維：選用鍍銅光面平直鋼纖維，直徑0.22 mm，長度為12～15 mm，抗拉強度>1 200 MPa；小組分；FND濃縮型高效減水劑和水。

表1　試驗梁參數

表2　RPC力學性能

表3　RPC配合比

注：除鋼纖維為體積比外，其他均為質量比。

1.3測點布置和加載方案

通過分配梁采用四分點集中單調靜力加載方式對試驗進行加載，且嚴格按照參考文獻[13]執行。應變片數據通過DH3816靜態應變測試系統采集，荷載等級由傳感器控制。試驗方案見圖1。

圖1　試驗方案圖Fig.1 Testing scheme figure

2試驗現象及破壞形態描述

分析試驗現象，JZL-1,2和3的破壞形態都為剪壓破壞,只有JZL-4為彎曲破壞。由于活性粉末混凝土的諸多優越性，無腹筋梁在破壞時的延性得到很好改善，有腹筋梁的斜裂縫數量較多，分布更為均勻，說明高強箍筋和活性粉末混凝土具有良好的協同工作性能，抗剪性能優異，箍筋能夠很好地約束混凝土的側向變形和斜裂縫的開展。試驗梁的破壞照片見圖2～3。

圖2　JZL-1，2和3剪壓破壞照片Fig.2 Shear compression failure pictures of JZL-1，2 and 3

圖3　JZL-4受彎破壞照片Fig.3 Bending failure picture of JZL-4

1)剪壓破壞：JZL-1，JZL-2和JZL-3均發生剪壓破壞。在荷載作用下，試驗梁首先在跨中出現垂直水平方向的彎曲裂縫，接著在剪跨區腹部中和軸附近出現斜裂縫。隨著荷載增大，剪跨區出現數條近似平行的斜裂縫，裂縫細而密,寬度增長緩慢。荷載進一步增加，剪跨區出現一條主斜裂縫，不斷向加載點和支座處延伸，以寬度變化為主，新裂縫出現緩慢。伴隨“噼里啪啦”的聲音，大量鋼纖維被拔出。伴隨“蹦”的一聲，穿過斜裂縫的箍筋被拉斷，斜裂縫迅速開展形成臨界斜裂縫，同時剪壓區混凝土被微壓碎，加載值開始下落，試驗梁宣告破壞。

2)彎曲破壞：JZL-4的箍筋間距比較小，但并未超筋，試驗梁沒有發生斜壓破壞?？赡苁怯捎诹旱目辜裟芰Υ笥谄淇箯澞芰Χl生彎曲破壞，其破壞荷載值與JZL-3接近。加載初期，梁跨中底部首先出現微小垂直裂縫，裂縫長度不斷沿截面高度緩慢向上延伸，裂縫數量隨著荷載的增加增長較快。在加載過程中，第1條斜裂縫出現在剪跨區梁的縱筋合力點處，而跨中彎曲裂縫則以長度發展為主。加載到一定程度，梁跨中處的裂縫寬度發展很快，并伴有“吱吱”的鋼纖維拔出聲音，撓度增長較大，剪跨區的斜裂縫集中在梁腹部，較為細短且發展緩慢。最后由于縱筋屈服，部分箍筋屈服，且加載點附近的混凝土被微壓碎，試驗梁喪失承載力，導致最終破壞。

3試驗結果及分析

3.1斜裂縫類型

從試驗梁的裂縫形態來看，受剪斜裂縫存在2種開裂模式：腹剪斜裂縫和彎剪斜裂縫。彎剪斜裂縫是由剪跨區底部的垂直裂縫發展形成的：加載到一定程度，受彎裂縫沿截面高度向上發展的方向開始發生傾斜，往加載點發展。腹剪斜裂縫通常發生在剪跨區腹部中和軸附近，隨著荷載等級的增加，向上下兩端發展，而且呈中間大兩端小的態勢，上下傾角均減小，傾斜角度約在30°～60°之間。

從試驗梁的裂縫發展情況來看，4根試驗梁均在剪跨區腹部靠近中和軸的位置出現首條斜裂縫，即產生腹剪型斜裂縫，說明高強鋼筋RPC梁一般先出現腹剪型斜裂縫。如圖4(a)所示，試驗梁受力后，最大剪應力產生于中和軸附近，這個區域是受壓應力影響最小的區域。在支座和加載點處的集中力使一定范圍內的混凝土受到豎向不均勻壓應力σy，加載點區域的混凝土單元體處于雙向受壓狀態。分別在剪跨區中部和加載點附近沿高度取3個微元體，根據Mohr應力圓原理，從圖4(b)中可以明顯看出σA>σB>σC=σD>σE>σF，故在受壓區及加載點處，由于壓應力或雙向受壓狀態的存在，均有利于降低一定區域內，混凝土單元所受到的主拉應力，從而起到延緩混凝土開裂的效果。相關試驗研究表明[14]：在一定區域內，受拉縱筋對其周圍的混凝土有較好的約束作用，并能夠調節混凝土的內力重分布和抑制混凝土內部原本微裂縫的擴展。剪跨區彎曲裂縫出現后，RPC梁較高配筋率的縱向鋼筋對受拉區裂縫的延伸和開展具有一定的約束作用，從而延緩了彎剪斜裂縫的形成，而隨著截面高度增加，縱向鋼筋的銷栓作用減弱，剪跨區腹部的混凝土主拉應力增長較快，導致腹剪斜裂縫的形成和發展。綜上所述，高強鋼筋RPC梁的剪跨區梁中和軸附近更容易成為首先開裂的區域，臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發展而成。

(a)試件主應力軌跡線及應力分布；(b)單元體應力及摩爾應力圓圖4　剪跨區的應力分布及摩爾應力圓Fig.4 Stress distribution of shear span and Mohr stress circle

3.2開裂荷載與極限荷載

3.2.1開裂荷載

試驗梁的剪跨區同時存在腹剪型和彎剪型2種斜裂縫形式。腹剪斜裂縫以剪跨區中和軸附近出現斜裂縫時的荷載作為斜向開裂荷載，而對于彎剪斜裂縫，則以垂直裂縫產生明顯傾角作為出現彎剪斜裂縫的起點，4根試驗梁均首先出現腹剪斜裂縫，且主斜裂縫均由腹剪斜裂縫上下延伸發展而來，故斜向開裂荷載即為腹剪裂縫出現時對應的荷載值。

從圖5可以看出：1)由于箍筋直徑較小，抑制混凝土內部微裂縫擴展的作用很小，且斜裂縫出現前，剪應力大部分由混凝土承擔，配箍率的大小對高強鋼筋RPC梁斜向開裂荷載的影響甚微；2)試驗梁JZL-1，JZL-2和JZL-3配箍率分別為0%，0.168%和0.252%，抗剪承載力分別提高了17.7%和2.77%，配箍率提高，單位面積上的箍筋密度增大，箍筋對混凝土側向變形的約束增強，從而提高了梁的受剪承載力；3)配箍率增大到一定程度后，試驗梁的斜截面受剪承載力可能逐漸接近其正截面受彎承載力，構件破壞模式則可能由剪壓破壞向受彎破壞轉變，雖然梁的延性提高，但抗剪承載力由于縱筋屈服而略有下降。

圖5　開裂荷載和極限荷載與配箍率的關系曲線Fig.5 Curves of relationship between stirrup ratio and cracking load and ultimate load

3.2.2極限荷載

桁架-拱理論認為，桁架作用和拱作用同時存在于有腹筋梁的受剪過程中，受壓混凝土既可視為受壓上弦桿又可作為拱腹，底部縱筋則被視為受拉下弦桿，將箍筋和箍筋間混凝土比擬成桁架的豎桿和斜腹桿。文獻[15]以桁架-拱模型為基礎，對受剪機理開展了進一步的研究，將剪跨區劃分成5類區域，并綜合考慮箍筋和混凝土抗壓強度的影響，以支座與加載點連線區域上的混凝土達到抗壓強度作為試驗梁的受剪破壞準則，簡化分析得出斜截面抗剪承載力計算式(1)～(2)，其中m=1+(ρsvfyvλ2)/fc。

(1)

(2)

目前，對于鋼筋混凝土梁抗剪承載力的計算理論和方法較多，且各國規范計算公式所考慮的抗剪因素略有不同。本文選取桁架-拱理論模型和美國規范ACI318-08的計算結果與試驗實測值進行對比分析，計算結果見表4。

表4　RPC梁抗剪強度的計算值與試驗值對比

表5　試件斜裂縫寬度

圖6　箍筋率對斜裂縫的影響曲線Fig.6 Influence curves of stirrup ratio to inclined cracks

3.3配箍率對斜裂縫寬度的影響

從表5和圖6可以看出：1)斜裂縫出現以后，曲線斜率變化以500 kN左右為分界點，在分界點前，有腹筋梁與無腹筋梁的曲線斜率大致相同，表明在斜裂縫出現后的一段范圍內，混凝土逐步退出工作，而開裂釋放的應力主要由RPC中的鋼纖維承擔，鋼纖維跨越斜裂縫，通過“橋架”作用限制斜裂縫的發展[16]；在分界點之后，曲線斜率差異明顯，無腹筋梁的曲線斜率逐漸減小，說明HRB400級高強箍筋對斜裂縫的抑制作用顯著增強；2)從斜裂縫出現到破壞，無腹筋梁的主斜裂縫發展速度明顯高于有腹筋梁。在相同荷載等級下，試驗梁的最大斜裂縫寬度隨配箍率的增加而降低，有腹筋梁JZL-2和JZL-3的最大斜裂縫寬度分別比無腹筋梁JZL-1降低48.6%和42.8%；3)試驗梁JZL-2與JZL-3的配箍率分別為0.17%和0.25%，箍筋率對斜裂縫的影響曲線發展趨勢大致相同，配箍率只在發展過程中的某一階段對裂縫寬度的發展速度有影響，而對其初始與最大斜裂縫寬影響不大；4)有腹筋梁JZL-4的最大斜裂縫寬度增長速度明顯低于發生剪壓破壞的梁，破壞時純彎段受彎裂縫寬度超過限值，說明箍筋配置過多時，以純彎段彎曲裂縫發展為主，有明顯的受彎破壞趨勢。5)高強箍筋對初始斜裂縫寬度有明顯的約束作用，有腹筋梁初始斜裂縫寬度比無腹筋梁降低50%，而有腹筋梁的初始斜裂縫寬度基本相同，并不隨配箍率的提高而降低。

4結論

1)由于活性粉末混凝土的諸多優越性，試驗梁的延性得到很好改善，有腹筋梁比無腹筋梁的斜裂縫數量更多，間距更密，分布更均勻，且高強鋼筋RPC梁的臨界斜裂縫一般由腹剪型斜裂縫發展而成；

2)高強鋼筋RPC梁的混凝土強度等級和縱筋率都比較高，梁截面尺寸比較小，劉立新于桁架-拱理論模型推導的公式，比較適用于高強鋼筋RPC有腹筋梁抗剪承載力的計算；

3)增大配箍率可以提高試驗梁的極限抗剪承載力，但對試驗梁斜裂縫的初始寬度無顯著影響，斜裂縫寬度大約0.3 mm時，箍筋的作用才顯著增強。在相同荷載作用下，斜裂縫寬度隨配箍率的提高而降低。箍筋能夠有效限制初始斜裂縫的寬度，延緩腹剪斜裂縫向梁的支座和加載點連線兩端發展。

參考文獻:

[1] Dugat J，Roux N， Bernier G.. Mechanical properties of reactive powder concretes[J].Materials and Structures，1996，29(5):233-240.

[2] 楊劍，汪金勝，彭鑫. RPC在無砟軌道中的應用研究與展望[J].鐵道科學與工程學報，2015，12(1)：53-58.

YANG Jian，WANG Jinsheng，PENG Xin. Application and outlook of RPC in ballastless track[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2015，12(1)：53-58.

[3] 閆光杰，閻貴平，安明喆.200 MPa級活性粉末混凝土試驗研究[J].鐵道學報,2004,26(2)：116-119.

YAN Guangjie，YAN Guiping，AN Mingzhe. Experimental study on 200 MPa reactive powder concrete[J]. Journal of the China Railway Society，2004，26(2)：116-119.

[4] 單波，楊吳生，黃政宇.鋼纖維對RPC抗壓強度增強作用的研究[J].湘潭大學自然科學學報,2002,24(1)：109-112.

SHAN Bo，YANG Wusheng，HUANG Zhengyu. Effect of steel fiber on improving compressive strength of RPC[J]. Natural Science Journal of Xiangtan University， 2002，24(1)：109-112.

[5] 原海燕.配筋活性粉末混凝土受拉性能試驗研究及理論分析[D].北京：北京交通大學,2009.

YUAN Haiyan. Theoretical analysis and experimental research on tensile performance of reinforced reactive powder concrete[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2009.

[6] 陸小呂.活性粉末混凝土矩形截面配筋梁正截面受彎的計算方法研究[D].北京：北京交通大學,2011.

LU Xiaolv. Study of the calculating method of crack resistance and flexural capacity for rectangular reinforced RPC beam[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2011.[7] Xia Jun, Kevin M.Shear failure analysis on ultra-high performance concrete beams reinforced with high strength steel [J].Engineering Structures,2011,33:3597-3609.

[8] Reineck K H.Ultimate shear force of structural concrete member without transverse reinforcement derived from a mechanical model [J]. ACI Struct J,1991,88(5):592-602.

[9] 武玉贊.基于修正壓力場理論的鋼纖維混凝土梁抗剪研究[D].大連：大連理工大學，2008.

WU Yuzan. Study on shear capacity of steel fiber reinforced concrete beams based on the modified compression field theory[D].Dalian：Dalian University of Technology，2008.

[10] 張浦.基于軟化桁架理論的RPC梁斜截面抗剪承載力研究[D].北京：北京交通大學，2011.

ZHANG Pu. Study on oblique section shear-bearing capacity of RPC beam based on softened truss theory[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2011.

[11] 金凌志，祁凱能，曹霞.高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁受剪性能試驗研究[J].武漢理工大學學報,2013，35(8)：108-113.

JIN Lingzhi，QI Kaineng，CAO Xia. Experimental study on shear behavior of high strength reinforced reactive powder concrete beam[J].Journal of Wuhan University of Technology，2013，35(8)：108-113.

[12] 金凌志，何培，祁凱能，孫凌云.高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁斜裂縫寬度試驗研究[J].武漢大學學報(工學版), 2014,47(5)：665-670.

JIN Lingzhi，HE Pei，QI Kaineng，SUN Lingyun. Experimental study of diagonal crack width of high strength reinforced reactive powder concrete simply-supported beam[J]. Engineering Journal of Wuhan University，2014，47(5)：665-670.

[13] GB/T50152—2012, 混凝土結構試驗方法標準[S].

GB/T50152—2012，Standard for test method of concrete structure[S].

[14] 姜鵬.鋼筋鋼纖維高強混凝土梁斜截面受力性能試驗研究[D].鄭州：鄭州大學，2005.

JIANG Peng. Experimental study on oblique section mechanical behavior of steel fiber reinforced high-stength concrete beam[D].Zhengzhou：Zhengzhou University，2005.

[15] 劉立新.鋼筋混凝土深梁、短梁和淺梁受剪承載力的統一計算方法[J].建筑結構學報, 1992,16(4)：13-21.

LIU Lixin. An unified calculation method for shear capacity of R.C.deep beams, short beams and shallow beams[J]. Journal of Building Structures，1992，16(4)：13-21.

[16] 張宏戰.鋼纖維高強混凝土構件受剪性能試驗研究[D].大連：大連理工大學，2005.

ZHANG Hongzhan. Experimental study on shear resistance properties of steel fiber reinforced high-strength concrete members[D].Dalian：Dalian University of Technology，2005.

Study on the influence of stirrup ratio to shear performance of RPC beams with high strength reinforcementJIN Lingzhi1,2, MEI Chen1,2

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004,China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China )

Abstract：In order to study the shear performance of reactive powder concrete simply supported beams with HRB500 level high strength reinforcement, four RPC beams’ shear failure experiment was carried out under concentrated load by changing the stirrup ratio. The influence of different stirrup ratio on diagonal cracks development, bearing capacity of the testesd beams, and the maximum diagonal crack width shear are compared and analyzed. Test results show that high-strength stirrups and reactive powder concrete can work coordinately, and the shear ductility is improved. Generally, critical diagonal cracks of reactive powder concrete beams with high strength reinforcement are formed by the development of abdominal shear diagonal cracks. Stirrup ratio of the tested beams had no obvious effect on the diagonal cracking load. With the increase of stirrup ratio, the diagonal crack width becomes smaller, and the shear bearing capacity becomes higher. Truss-arch theory model formula is suitable for the shear bearing capacity calculation of high strength reinforced RPC beams with stirrups.

Key words：high strength reinforcement; reactive powder concrete; stirrup ratio; diagonal crack width; shear bearing capacity

中圖分類號：TU375.1；TU371.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0711-06

通訊作者：金凌志(1959-)，女，湖南雙峰人，教授，從事新型混凝土材料結構研究；E-mail:jlz-5904@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51368013)；廣西重點實驗項目資助(2015-A-02)

收稿日期：2015-07-10