超高性能混凝土梁抗剪性能的研究進展

徐錚

(新疆大學建筑工程學院)

1979 年，丹麥Bache 采用細料致密法(Densified with Small Particles, DSP)配制出強度為150～200MPa的混凝土[1]。1993年，法國Bouygues公司在DSP理論、鋼纖維混凝土等研究基礎上，研發出活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)[2-3]。1994年，Larrard 等[4]首次提出將基于DSP 理論配制而成的混凝土材料統稱為UHPC。

UHPC 不但具備超高的力學性能，而且還具有自重輕、韌性高、徐變低等特點。UHPC 自重約為傳統混凝土結構的1/3～1/2，摻入的鋼纖維顯著提高了材料強度（抗拉、抗彎和抗剪強度）和韌性，也增加了UHPC 構件、結構的延性和耗能，使其在地震或超載條件下具備優異的可靠性。從微觀角度來看，UHPC 水膠比低、堆積密度高、孔隙率低，較普通混凝土(Normal Concrete, NC)具有更好的耐腐蝕性、耐磨性和更低的滲透性。

本文對UHPC 梁斜截面抗剪性能及影響因素進行綜述，介紹UHPC 材料力學性能國內外的最新研究進展，探討UHPC 梁抗剪性能研究成果，總結UHPC 疊合梁最新研究成果，以期為UHPC結構的研究與應用提供參考。

1 UHPC材料力學性能

超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、高效減水劑、石英砂（粉）及鋼纖維等材料組成，依照最大密實度原理構建，從而可使材料內部的缺陷（孔隙與微裂縫）減至最少。超高性能混凝土具有高強度，高韌性，低徐變等特點，能較好地克服目前普通混凝土抗拉強度低、脆性大、徐變大等缺點。

UHPC 材料力學性能研究側重UHPC 自身材料層面，包括：組成和配合比、摻入纖維性能與影響、拌合物性能、力學性能、變形性能、長期性能、養護方法等方面。

Norhasri 等[5]發現在UHPC 中摻入納米超粘土可提高UHPC 的流動性，但不利于UHPC 最終強度的提升。Ahmad 等[6]得出隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 抗壓強度和彈性模量均顯著增大；隨著高溫時間的增加，UHPC 抗彎強度和彈性模量卻顯著減小。Hou等[7]通過研究發現赤泥的加入促進了UHPC 的水化過程，提高了UHPC 的早期耐久性，降低了UHPC 的工作性能和抗壓強度；但仍可用于一般建筑，如含40%赤泥的UHPC經高溫養護后抗壓強度仍大于150MPa。

Mo 等[8]得出較高的養護溫度會抑制水泥的水化程度，不利于UHPC強度及長期耐久性的提升。

關于UHPC 材料力學性能的研究，國內外學者開展了廣泛研究，為UHPC 基本構件性能、既有結構加固及組合構件性能的研究奠定了基礎。

2 UHPC梁抗剪性能

UHPC 梁作為UHPC 基本構件中最要的一員，是近期UHPC 研究中的熱點之一。UHPC 梁的抗剪性能研究，包括UHPC 的材料特性和構件特性（剪跨比、配箍率、鋼纖維摻量和縱筋配筋率）對抗剪性能的分析研究。

2.1 破壞形態

梁興文等[9]發現UHPC 有腹筋梁的破壞形態有彎曲屈服后的剪切破壞和剪壓破壞，破壞時梁表面呈現多條斜裂縫。鄧宗才等[10]提出鋼纖維與粗聚烯烴纖維混雜，可改善RPC 梁抗剪變形能力，使梁由脆性破壞變為延性破壞。Wang 等[11]發現對于無腹筋梁，當剪跨比為1.5 時，破壞形式為斜壓破壞，當剪跨比為1.75～3 時，破壞形式為剪壓破壞。戚家南等[12]開展了UHPC薄腹梁受剪試驗，受力過程分為彎曲開裂前彈性階段、“橋聯作用”失效前和“橋聯作用”失效后3個階段。UHPC梁剪切破壞具備一定延性且有明顯征兆，為半延性-半脆性破壞。由于纖維“橋聯作用”，UHPC 梁剪切開裂后呈多條剪切裂縫同時開展現象。

UHPC 梁剪切破壞時呈多斜裂縫現象，并且破壞時從脆性破壞變成具有一定延性且有明顯征兆。

2.2 剪跨比

UHPC 矩形截面梁在一定范圍內增大梁的剪跨比可以明顯降低梁的抗剪承載力[11]。Ahmad 等[13]發現當剪跨較大時，UHPC 梁抗剪承載力和跨中撓度較低；當縱筋率較低時，抗剪承載力和跨中撓度隨剪跨比的增加而降低。

2.3 配箍率

梁興文等[9]發現箍筋約束了斜裂縫的開展。HRB500 高強箍筋的配箍率由0.42%提高到0.64%時，剪跨比為1.5、2.5 的RPC 梁分別提高22.1%、7.1%，當配箍率超過0.64%時，對抗剪承載力的提高作用不大[10]。Meszoly 等[14]完成了UHPC 工字型截面梁的抗剪性能試驗，發現隨著箍筋間距的不同，在極限承載力的60%～80%時箍筋開始屈服。Wu 等[15]研究發現隨著配箍率的增加，UHPC 的延性、抗剪強度和剪切滑移增大，剪切裂縫寬度減小。

2.4 鋼纖維

梁興文等[9]發現裂縫截面鋼纖維的橋接作用對梁有一定貢獻；并在考慮剪壓區混凝土、斜裂縫截面鋼纖維、箍筋及縱筋銷栓作用的基礎上，提出計算UHPC 有腹筋梁計算模型。鄧宗才等[10]研究表明：鋼纖維體積摻量由1%提高到2%時，RPC 梁抗剪承載力提高17%，開裂荷載提高31.5%。鋼纖維體積比小于1%時，UHPC梁的較低，破壞模式表現出明顯的脆性[11]。Lim 等[16]發現鋼纖維有助于提高UHPC 梁的抗剪承載力，且能夠和箍筋一起抑制剪切斜裂縫。Wu 等[15]發現在合理的微鋼纖維體積比范圍內（最佳體積比為0%～2.5%），隨著微鋼纖維體積比的增加，UHPC 的剪切強度和剪切滑移增大，剪切裂縫寬度減小。

由此可見，鋼纖維的加入抑制了剪切斜裂縫的發展，提高了UHPC 梁抗剪承載力，但并不是隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC 梁抗剪承載力會一直提高。綜合經濟與性能的考慮，鋼纖維比較合理的體積摻量在1%～2%。

2.5 縱筋配筋率

Ahmad[13]、Pourbaba[17]等發現增大縱筋配筋率對于提高抗剪承載力的效果有限。

在以上研究基礎上整理了部分UHPC 梁斜截面抗剪承載力計算公式，其中Ahmad 及法國規范單獨考慮了鋼纖維對抗剪承載力的貢獻，見表1。

表1 UHPC梁抗剪承載力計算公式

注：λ為剪跨比；α0為受壓翼緣影響系數；b為腹板寬度；fyv為箍筋屈服強度；Asv為箍筋截面積；s為箍筋間距；Np0為計算截面混凝土法向應力等于零時預應力鋼筋和非預應力鋼筋合力；A= -0.1688，B= 0.0723；fs為極限狀態下縱筋應力，一般取屈服強度；fcu為UHPC 棱柱體抗壓強度；ρ為縱筋率；ρsv為配箍率；σp為殘余抗拉強度；bef為腹板有效寬度；f?c為UHPC 圓柱體抗壓強度；a為剪跨；F1=(lf/df)?vf?α；lf為鋼纖維長度；df為鋼纖維直徑；vf為鋼纖維體積分數；α為粘結系數。fck為UHPC 圓柱體抗壓強度；NEd為由于加載或預應力在截面產生的軸向力；γcfγE為安全系數，取1.5；Ac為UHPFRC 的截面積；bw受拉區域內截面最小寬度；z是構件所受彎矩相應的力臂。θ為主壓應力與縱軸的夾角；Afv=bw z；σRd,f是沿剪切裂縫傾角θ并與之垂直裂縫的開裂后強度平均值。

目前，學者們圍繞UHPC 梁斜截面抗剪性能開展了較為全面的試驗研究，但目前使用的鋼纖維集中于平直型，針對端鉤型和波紋型的應用及研究較少，后續需加強這一方面的研究。

3 UHPC疊合梁

疊合梁是一種特殊的結構形式，其下部的形式為預制混凝土，而上部則采用現澆混凝土，使得構件具有較好的整體性。它不僅有現澆混凝土結構整體性強、抗震性能好等優點，也有預制裝配式結構無須支模拆模、縮短施工周期、勞動力需求量小等優點。

UHPC 由于其出色性能，可滿足疊合梁的性能要求。Li 等[20]發現提高預應力水平和UHPC 高度均能延緩UHPC-NC 組合預應力T 梁裂縫的形成和擴展，該梁中UHPC 的合理高度為總截面高度的22%～52%。劉超等[21]試驗表明，UHPC-NC簡支梁下部的UHPC層能夠有效地提高梁的抗剪承載力和延性，且UHPC 層配筋梁比不配筋梁抗剪承載力提高約30%。Li[22]指出與NC 梁相比，UHPC-NC梁主裂縫寬度和跨中撓度分別減少了25.1%和27.5%，開裂荷載和極限荷載分別增加了80.0%和9.0%，UHPC充分發揮了其高強度和高延性的特點。

隨著國家對預制裝配式建筑的大力支持推廣，疊合梁具有廣闊的應用前景，而UHPC 能很好地適應疊合梁這一結構形式，推動著UHPC在工程中的應用。

4 結論

由于鋼纖維的加入，使得UHPC 梁的受力性能、破壞形態和承載力計算區別于普通混凝土梁，較為復雜。本文系統地闡述了近年來UHPC 材料力學性能、UHPC 梁抗剪性能，列舉了近年來學者們針對UHPC 梁抗剪承載力的計算方法，以期助力UHPC 相關設計規范的編制與出版，并推廣UHPC在疊合梁中的應用。