超高性能纖維混凝土增強RC梁抗剪性能研究

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

關鍵詞：超高性能纖維混凝土；抗剪強度；強化策略；RC梁；延性性能

中圖分類號：U445.57

0 引言

鋼筋混凝土梁的剪切破壞會導致建筑結構嚴重受損，需要對其采取加固措施。超高性能纖維混凝土（以下簡稱UHPFRC）作為一種外部粘結材料，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的致密結構，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構加固與修復方面展現出獨特優勢。而其他加固方法如FRP、ECC、FRCM等在某些應用中存在局限性。近年來，UHPFRC在RC梁抗剪加固方面的研究得到了越來越多的重視。國內外相關研究較少，因此需進一步探討。

UHPFRC因其卓越的工程性能在建筑工程領域得到廣泛關注。為了進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，擴充有關UHPFRC應用于抗剪加固方面的試驗數據資料庫，本文重點研究了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，以提供更為科學的地域性加固建議。

1 試驗設計及方法

1.1 材料特性及選擇

玄武巖作為粗骨料、細骨料砂、普通硅酸鹽水泥（CEM I 52.5）以及普通自來水被用于制備NC混凝土。本試驗所用玄武巖均勻、最大粒徑為19 mm。另外，選用的粗、細骨料的物理和化學特性均滿足國家標準的要求。縱向和橫向鋼筋分別采用高級抗拉鋼和軟鋼，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、細砂、石英粉等。這些組成材料都是為了確保UHPFRC達到極高的強度、低滲透性和良好的耐化學性。為了加固UHPFRC，本研究還選用了高強度的鉤狀鋼纖維。

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。在制備過程中，進行了多種混合物的試驗。所采用的混合物配比如表2所示。

1.2 試樣及特性

本試驗主要研究了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，其標稱直徑為12 mm，均勻鋪設于一個層面中；而在梁的頂部，有兩根縱向鋼筋，其標稱直徑為10 mm，也均勻鋪設在一個層面中。兩種縱向鋼筋的凈保護層都是20 mm。為了進行試驗加固，使用了標稱直徑6 mm的雙肢變形鋼筋，這些鋼筋沿著梁的長度，每隔200 mm設置一次。

如表3所示，這些梁樣品采用了不同的加固配置。本次試驗主要考慮了幾個關鍵參數：UHPFRC層的厚度（有25 mm和35 mm兩種）、UHPFRC的加固長度（包括L、L/3、垂直帶、傾斜帶）、加固的遍數（一側、兩側、三側）、加固技術（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，可以對比試樣B3和B4，而試樣B3、B7、B8、B9則展示了UHPFRC層加固長度的影響。試樣B10和B11則展示了采用垂直或傾斜帶進行剪切加固的效果。此外，試樣B5、B3及B6展現了從不同方向進行加固的效果，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，其兩側的加固較為困難。試樣B3、B8、B7和B9反映了不同加固技術的不同效果。錨固的UHPFRC板的一大優勢在于其可以根據生產需要進行特性調整，例如尺寸、強度等。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 試驗裝置與流程

本試驗中，梁試樣的加載測試是在一個具有600 kN偏移控制功能的液壓測試機下進行的。加載過程以0.25 mm/min的速率進行，直至梁試樣失效，具體如圖1所示。為了精確地監測梁試樣在加載過程中的撓度變化，在梁試樣的中跨位置安裝了一個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進行測試的。

2 試驗結果與討論

2.1 裂紋與失效模式分析

如圖2所示，詳細呈現了各梁試樣的失效模式。控制梁B0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的連接極限荷載點與支撐點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，層壓板上出現了裂紋，伴隨著梁表面的對角剪切裂紋，如圖2（b）與圖2（c）所示。

梁樣本B3、B4以及B6表現為在恒定力矩區域內的彎曲破壞，其中，較少的垂直裂紋開始并逐漸發展，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層之間并沒有脫膠現象，其極限荷載分別達到了187.37 kN、186.89 kN以及206.10 kN。梁B5展現出了脆性的失效模式，當其達到150.31 kN的極限荷載時，荷載作用點與支撐點之間形成了對角裂紋，如圖2（f）所示。而梁B7展現了在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。相對地，梁B9展示了脆性破壞，如圖2（j）所示，首先出現了彎曲裂紋，隨后混凝土表面的層壓板的錨固螺栓被完全拔出，導致層壓板與梁表面之間發生脫膠，其極限荷載為148.66 kN。另一方面，梁B10與B11在最大彎矩區域內形成了垂直裂紋，并展現出了良好的延性失效模式，如圖2（k）與圖2（l）所示，其極限荷載分別達到了147.55 kN與150.13 kN。對于UHPFRC層已經出現裂紋的所有梁樣本，其纖維在剪切臨界載荷下的失效模式表現為纖維與基體界面的粘結失效。

2.2 UHPFRC混合料中鋼纖維比例與UHPFRC層厚度對性能的影響

為深入探究UHPFRC混合物中鋼纖維比例對性能的影響，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化了加固梁的結構性能。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，增強了材料的整體性能。具體來說，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B2和B4試樣，結果與上述觀察一致。鋼纖維含量越高，相關的結構性能參數也呈上升趨勢。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層的厚度確實增強了加固梁的開裂、屈服及極限承載能力。但這種增強效應并不隨著層厚度的增加而線性增長。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構性能，但也應注意到其增益效應存在上限，需要進行合理的優化設計。

2.3 UHPFRC加固層長度的影響研究

首先，通過鑄造技術對加固的整體長度和其1/3長度進行了評估；其次，采用錨固技術，針對整體長度和其1/3長度分別使用垂直帶和傾斜帶進行了試驗。對于鑄造技術，通過圖3可見，梁B3（整體加固）和梁B7（加固1/3長度）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的這些性能參數分別為3.37倍、3.92倍、2.27倍和1.25倍。這說明，對整體長度的加固比僅對其1/3長度的加固效果更佳，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。對于錨固技術，如圖4展示了梁B8、B9、B10、B11和控制梁B0的荷載-撓度關系。圖4結果也表明，加固整個長度比僅加固1/3的長度更為有效。具體而言，梁B10和B11（分別使用垂直和傾斜帶加固）的性能均優于其他類型的加固。這可能是因為加固條帶與梁之間具有更好的結合效果，特別是在預期的剪切裂紋方向上使用傾斜帶，如在梁B11中所示。

3 結語

本研究系統評估了UHPFRC對各種加固配置的RC梁在剪切強度方面的加固效果。綜合考慮試驗數據和觀察結果，得出以下關鍵結論：

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更佳。相較于僅加固1/3的長度，對整體長度進行加固更為有益。同時，使用垂直或傾斜帶進行的加固效果尤為突出。提高UHPFRC中鋼纖維的含量可以進一步增強加固梁的性能。UHPFRC加固層的厚度與梁的初始剛度和延性正相關，但與開裂和極限載荷的增長速率并不完全成正比。增加加固面的數量會進一步優化梁的性能。尤其是三面加固的梁，其極限抗剪強度達到了最高值。

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

參考文獻

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收稿日期：2023-10-11

作者簡介：馮東閣（1986—），工程師，主要從事路橋施工管理工作。