鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能

摘 要：結合國內外大量相關試驗成果，本文對鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能進行了較為系統的研究分析，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算方法等。研究結果表明，鋼筋再生混凝土梁的破壞形態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理與普通混凝土基本相同；普通混凝土梁抗剪承載力計算公式應用于再生混凝土偏于不安全。本文的研究成果對再生混凝土在結構中的推廣應用具有一定的實際意義和價值。

關鍵詞：鋼筋再生混凝土梁；抗剪性能；破壞形態；極限承載力

1 前言

近年來，我國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筑物被拆除，導致大量廢棄混凝土的產生。據不完全統計，目前我國每年由于廢舊建筑物拆除產生的廢棄混凝土已達1360萬噸[1]。這些廢棄混凝土既占用了大量土地，又污染了環境。從環境保護和可持續發展的角度出發，對這些廢棄混凝土進行循環利用已經刻不容緩。將廢棄混凝土破碎、加工、分級而形成再生骨料，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，則可以實現廢棄混凝土的有效回收，具有顯著的環境、經濟和社會效益[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一步導致鋼筋再生混凝土與普通混凝土構件和結構性能上的差異。為了實現再生混凝土高效利用，有必要深入開展再生混凝土構件和結構受力性能的研究。

鋼筋混凝土梁是最常見而最重要的混凝土結構構件之一，對于再生混凝土而言，深入研究鋼筋再生混凝土梁的受力性能評價對于再生混凝土應用于結構構件的可行性具有重要的現實意義。[3]曾系統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論。在實際結構中，絕大多數鋼筋混凝土梁都無法避免受剪的問題，而且受剪破壞往往表現為脆性破壞，不利于構件的延性發揮。另一方面，與受彎構件不同，在鋼筋再生混凝土抗剪構件中，再生混凝土扮演著更加重要的角色，分析方法更為復雜。因此，深入研究鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能，認清其受力特征，對于再生混凝土的推廣應用具有重要意義。本文基于國內外相關的試驗結果，對鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能進行了系統的研究，以促進國內關于再生混凝土的進一步研究和推廣應用。

2 鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能

2.1 破壞形態

大量試驗結果表明，普通混凝土梁斜截面破壞主要分為3種破壞形態，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。試驗梁未開裂前，BS100抗彎剛度最低，BS50次之，BS0抗彎剛度最高。試驗梁開裂后，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]試驗得到的荷載-斜裂縫平均寬度關系曲線。可以看出，在荷載較小時，斜裂縫平均寬度與荷載基本上呈線性關系，隨著荷載增大，斜裂縫平均寬度變寬，但3根試驗梁破壞時，斜裂縫平均寬度均未超過1.5mm。對比三條荷載-斜裂縫平均寬度曲線可以看出，荷載不大時，BS100斜裂縫平均寬度最大，BS50次之，BS0最小；隨著荷載的增加，3根試驗梁斜裂縫平均寬度也隨之增大，但BS100斜裂縫平均寬度增長速度較慢，BS50的斜裂縫平均寬度增長較快。試驗梁臨近各自的破壞狀態時，斜裂縫平均寬度BS100最小，BS50次之，BS0最大。[6-8]認為主要原因是，一方面可能是由于混凝土的極限抗拉強度具有較大的離散性，另一方面也可能是因為在再生混凝土中，再生骨料與天然骨料達到較優級配，使開裂后的再生混凝土產生明顯的應力重分布。

但是，張雷順等[4]的試驗結果則與上述結論不完全相同，他們的試驗結果表明，在整個受力過程中，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-箍筋應變曲線

圖5是[6]試驗得到的荷載-箍筋應變曲線。可以看出，混凝土開裂前，箍筋應變均不大，混凝土開裂后，隨著荷載的增加，與斜裂縫相交處箍筋應變有較大增長，而未開裂處的箍筋應變片測得的應變數值變化較小，這說明箍筋在再生混凝土梁開裂前對抗剪貢獻較小。試驗梁開裂后箍筋承擔一部分剪力，剪力增加箍筋應變增加較快，BS0與BS100的箍筋應變變化情況基本相似。在梁開裂后、相同荷載作用下，1號箍筋應變BS0最小，BS100次之，BS50最大。試驗梁破壞時，各梁箍筋均基本達到屈服應變。

3 影響鋼筋再生混凝土梁的抗剪性能的主要因素

3.1 再生混凝土抗壓強度

對于普通混凝土和高強混凝土梁的抗剪問題，混凝土的抗壓強度是影響其抗剪承載力的主要因素之一，對于再生混凝土梁，試驗結果也表明，再生混凝土的抗壓強度也是影響其抗剪性能的重要因素。例如，[9]系統研究了再生混凝土抗壓強度對梁抗剪承載力的影響，在其試驗中，通過采用不同水灰比來獲得不同的再生混凝土強度，試驗結果如圖6所示。由圖中可以看出，隨著再生混凝土抗壓強度的增加，再生混凝土梁抗剪承載力隨之增加，且趨勢非常明顯，基本上呈線性關系。此外，試驗中也得到了類似的結論，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度基本上呈線性關系。

3.2 剪跨比

Han[5]系統研究了鋼筋再生混凝土無腹筋梁在不同剪跨比下的抗剪承性能，考察了剪跨比對梁抗剪性能的影響。試驗梁的剪跨比分別為：1.5，2.0，3.0和4.0，其抗剪承載力試驗結果如圖7所示。從試驗結果可以看出，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結果。

3.3 配箍率

Belen的試驗中，重點考察了在再生混凝土抗壓強度相同的情況下，配箍率對鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力的影響情況。其試驗中，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系。由圖中可見，隨著配箍率的增加，再生混凝土梁的抗剪承載力隨之增加，而且趨勢非常明顯，基本上呈線性關系。這個試驗結果表明，配箍率也是影響再生混凝土抗剪承載力的重要因素之一。研究者的試驗結果也證實了這一結論。

3.4 再生骨料取代率

[4-8]的試驗結果均表明再生骨料取代率對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梁抗剪承載力影響的關系曲線。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律地降低。這個試驗結果表明，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算公式時，需要考慮再生骨料取代率該因素。

通過對上述相關試驗結果的回顧與分析，可以發現再生混凝土的抗壓強度、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。事實上，如果考慮縱筋的銷栓作用，那么縱筋的配筋率也應該是影響再生混凝土梁抗剪承載能力的一個重要因素。但是，從目前的研究現狀來看，尚無專門針對縱筋對鋼筋再生混凝土梁抗剪性能的研究，關于這方面的研究，有待于進一步展開。

4 鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力計算方法

4.1 再生混凝土梁的抗剪機理

根據上述對試驗結果的分析，可以發現鋼筋再生混凝土梁的破壞形態與普通混凝土梁相似，這表明鋼筋再生混凝土梁的抗剪機理與普通混凝土梁并無本質區別。因此可參照取普通混凝土梁破壞時受力狀態來分析再生混凝土梁的抗剪機理。再生混凝土梁抗剪破壞時的受力情況見圖10所示。假定鋼筋再生混凝土梁在達到極限狀態時，剪壓區垂直面上剪應力 和正應力 為均勻分布，剪壓區高度為 ，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再生混凝土所承擔的剪力、裂縫間骨料咬合力 和縱筋的銷栓力 以及箍筋抗剪力等4部分組成。根據[6-8]的試驗結果，再生混凝土梁和普通混凝土梁在達到抗剪極限承載能力時的縱筋和箍筋應變均大致相等。因此，再生混凝土梁抗剪承載力降低的主要原因為再生混凝土的抗剪能力較比普通混凝土差。

此外，鋼筋再生混凝土梁的臨界斜裂縫間骨料的咬合力機理可能與普通混凝土不完全相同[7]。對于普通混凝土，天然粗骨料的強度遠大于水泥石的強度，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相對滑移，此即所謂咬合力；對于再生骨料，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

上述大量試驗結果都表明，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算公式來計算再生混凝土梁的抗剪承載力，否則將導致計算結果偏于不安全。

在對鋼筋再生混凝土梁抗剪機理進行把握的基礎上，可以對其抗剪承載力計算方法加以討論。根據上述分析，可以考慮在對普通混凝土計算方法加以修正的基礎上獲得再生混凝土梁的抗剪承載力計算公式，這是最為直觀和實用的方法。

在我國現行的《普通混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）中，采用下式計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結果進行驗算，可以發現（5）式與試驗結果基本吻合。

4.3 非線性有限元法

對于鋼筋再生混凝土梁的抗剪問題，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，可以通過非線性有限元法進行模擬計算。

蘭陽[6]利用ANSYS軟件對鋼筋再生混凝土受剪梁進行了有限元分析，再生混凝土選用SOLID65單元，鋼筋采用LINK8桿單元模擬，再生混凝土應力-應變關系曲線采用李佳彬建議結果。圖11中給出了部分鋼筋再生混凝土梁抗剪性能有限元計算結果與試驗結果的對比，可以看出，計算結果與試驗值吻合較好，表明采用非線性有限元法計算鋼筋再生混凝土梁的抗剪承載力是可行的。

5 結論與建議

本文結合國內外大量相關試驗結果，系統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論：（1）鋼筋再生混凝土梁的斜截面梁受剪破壞形態與普通混凝土梁差別不大，主要取決于剪跨比λ。當λ≤1時，發生斜壓破壞；1<λ<3時發生剪壓破壞；λ≥3時發生斜拉破壞。（2）再生混凝土的抗壓強度、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理與普通混凝土基本相同。（4）普通混凝土抗剪承載力計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算公式可以參考（5）式進行；在合理選擇再生混凝土本構關系的基礎上，也可采用非限元有限元法計算其承載力。（6）關于鋼筋再生混凝土梁的抗剪設計有待于進一步研究。

參考文獻

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

[2]肖建莊，李佳彬，蘭陽.再生混凝土技術研究最新進展與評述[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，閆國新.再生混凝土無腹筋梁斜截面受力性能試驗研究[J].鄭州大學學報，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.再生混凝土受彎與受剪性能研究[D].上海：同濟大學，2005年.

[7]肖建莊，蘭陽.再生混凝土梁抗剪性能試驗研究[J].結構工程師， 2004，20（6）：54-58.

[8]蘭陽，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].特種結構，2006，23（2）：8-10.

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