活性粉末混凝土T形梁正截面承載力試驗(yàn)研究

姚 杰, 高 日, 景向陽

(1.蒙冀鐵路有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

活性粉末混凝土T形梁正截面承載力試驗(yàn)研究

姚 杰1, 高 日2, 景向陽1

(1.蒙冀鐵路有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

文章通過無筋和配筋活性粉末混凝土T形梁的抗彎試驗(yàn)，對(duì)活性粉末混凝土梁的彎曲性能及其影響因素進(jìn)行分析，與普通鋼筋混凝土相比，活性粉末混凝土的抗裂性能和極限承載力有了顯著的提高，參照普通鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算模型，建立了鋼筋活性粉末混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式。

活性粉末； 混凝土； 抗彎性能； 承載力

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete簡(jiǎn)稱RPC) 具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。RPC強(qiáng)度很高，因此構(gòu)件截面尺寸相對(duì)較小，得以減輕自重，增大結(jié)構(gòu)跨度，降低造價(jià)。

Graybeal研究了普通鋼筋UHPC梁抗彎性能，同時(shí)還研究了足尺寸UHPC預(yù)應(yīng)力梁的變形性能[3]。文獻(xiàn)[4-6] 通過HRB400鋼筋RPC梁受彎試驗(yàn)，研究了RPC受彎構(gòu)件受力機(jī)理，建立了考慮截面受拉區(qū)RPC 拉應(yīng)力貢獻(xiàn)的正截面承載力、剛度及裂縫寬度計(jì)算公式，總結(jié)出RPC矩形配筋梁正截面抗裂計(jì)算方法及正截面承載力的計(jì)算方法。本文研究了無筋和配筋活性粉末混凝土T形梁的受彎全過程，在此基礎(chǔ)上根據(jù)普通混凝土的理論分析方法建立了承載力計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

RPC試驗(yàn)的主要材料：拉法基42.5#普通硅酸鹽水泥；硅灰比表面積為14.31 mm2/g；石英砂：粒徑范圍為0～1.25 mm；高性能減水劑：新型非萘系高性能減水劑，減水率29 %，含固量為31 %；新型DJ-1型高性能礦物外加劑；鋼纖維：特制細(xì)圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑為0.22 mm，長(zhǎng)度為12～15 mm。RPC試驗(yàn)配合比見表1。

表1 RPC試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)無筋RPC梁、2個(gè)HRB400的RPC梁。試驗(yàn)梁截面尺寸見圖1，長(zhǎng)2 200 mm，基本參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 RPC試驗(yàn)梁橫截面

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)主要研究RPC梁的抗彎性能，在純彎段內(nèi)沿梁高和梁底縱向布置電阻應(yīng)變片以測(cè)得截面的中性軸位置和梁的開裂；位移測(cè)點(diǎn)布置在RPC梁的跨中和加載點(diǎn)位置。

1.4 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)梁采用兩點(diǎn)集中加載。采用液壓千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載，量測(cè)儀器包括靜態(tài)應(yīng)變采集儀、應(yīng)變式位移傳感器。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 RPC無筋梁受彎全過程

2.1.1 無筋梁受彎過程的三個(gè)階段

無筋梁試驗(yàn)的荷載-撓度曲線見圖2。受彎過程可以分為三個(gè)階段：

圖2 RPC無筋受彎構(gòu)件彎矩?fù)隙惹€

(1)彈性階段。加載初期，受拉區(qū)與受壓區(qū)的應(yīng)力分布沿截面高度分布基本是線性關(guān)系，荷載-撓度曲線是直線。

(2)裂縫開展階段。過A點(diǎn)后，基體內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展為宏觀裂縫，由于裂縫出現(xiàn)，拉應(yīng)變?cè)龃螅行暂S高度不斷增加，受拉區(qū)應(yīng)力分布出現(xiàn)非線性，且拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率比壓應(yīng)變大，受拉區(qū)曲線逐漸變曲。

(3)破壞階段。過B點(diǎn)后，鋼纖維與基體間界面粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到極限，纖維不斷拔出，中性軸繼續(xù)上移，受拉區(qū)應(yīng)力合力作用力臂的減小速率大于其合力的增加速率，跨中撓度增長(zhǎng)很快，梁斷裂破壞。

2.1.2 梁的抗彎性對(duì)比

與普通素混凝土梁抗彎性能對(duì)比，RPC無筋梁的抗彎性能具有以下特點(diǎn)。

(1)RPC的抗彎能力比普通混凝土高很多，同樣條件下RPC的初裂荷載比后者的極限荷載還要高。

(2)受彎構(gòu)件初裂后，而RPC的抗彎承載力在裂后仍有較大提高，一般其極限彎矩可達(dá)初裂彎矩的1.5倍左右。

(3)彎曲破壞時(shí)受拉區(qū)鋼纖維是從基體中被拔出而不是被拉斷，破壞呈現(xiàn)出一定的延性特征。

2.2 RPC配筋梁受彎全過程

RPC梁抗彎試驗(yàn)得到RPC適筋梁荷載-撓度曲線如圖3所示。RPC配筋梁的受力變形全過程可分為三個(gè)階段：

圖3 鋼筋 RPC梁荷載-撓度曲線

(1)彈性階段。梁在承受較小荷載時(shí)，構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，RPC的拉、壓應(yīng)力均隨高度線性變化，呈三角形分布。

(2)裂縫擴(kuò)展階段。荷載增加，裂縫增寬并不斷向上擴(kuò)展，由RPC承擔(dān)的拉力逐漸轉(zhuǎn)移給鋼筋和鋼纖維共同承擔(dān)，鋼纖維的阻裂作用使裂縫向上發(fā)展變得緩慢，使梁的整體剛度明顯提高，荷載-撓度曲線彎曲不明顯。

(3)破壞階段。荷載繼續(xù)增加，裂縫數(shù)量增多、寬度增大并向受壓區(qū)邊緣延伸；當(dāng)縱筋屈服，裂縫條數(shù)增加很少，裂縫寬度增大，向上延伸加快，荷載-撓度曲線再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，荷載增大較慢而梁的撓度增加很快；繼續(xù)加載，RPC 裂縫擴(kuò)展明顯，受壓區(qū)RPC被壓壞，梁破壞。

3 RPC受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算

RPC配筋梁正截面考慮RPC受拉區(qū)的抗拉作用。

3.1 一般假設(shè)規(guī)定

(1)平截面假定成立。RPC材料剔除粗骨料，優(yōu)化顆粒級(jí)配，比普通混凝土提高了勻質(zhì)性。試驗(yàn)結(jié)果表明RPC配筋梁符合平截面假定。

(2) 縱筋與RPC材料之間無滑移。

(3)RPC的軸壓及軸拉應(yīng)力-應(yīng)變近似關(guān)系：

當(dāng)0<εrc<εrco時(shí)σrc=Ercεrc

(1)

當(dāng)εrco≤εrc≤εrcu時(shí)σrc=frc

(2)

其中：σrc和εrc為RPC壓應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變；frc和εrco為RPC的抗壓強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變；εrcu為RPC受壓區(qū)極限壓應(yīng)變。根據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)資料可知，RPC材料的極限壓應(yīng)變約為普通混凝土的2～3倍[3]，故本文建議取εrcu=0.0075。

RPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算曲線見圖4。

圖4 RPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算曲線

3.2 RPC配筋梁正截面極限承載力的計(jì)算

3.2.1 RPC梁正截面受壓區(qū)應(yīng)力等效

抗彎承載力的理論計(jì)算較為繁雜，承載力計(jì)算通常根據(jù)受壓區(qū)合力作用位置和合力大小不變的原則，將實(shí)際應(yīng)力分布等效成矩形應(yīng)力圖，便于設(shè)計(jì)計(jì)算。可采用受壓區(qū)平均應(yīng)力系數(shù)k1、壓區(qū)應(yīng)力合力作用位置到受壓邊緣的距離系數(shù)k2(簡(jiǎn)稱受壓區(qū)形心系數(shù))來表征RPC配筋梁達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)受壓區(qū)的應(yīng)力分布情況(圖5)。

圖5 受壓區(qū)RPC的應(yīng)力簡(jiǎn)化分布

構(gòu)件達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，k1、k2的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

等效矩形應(yīng)力圖的高度x為：

x=2k2xi

(5)

令β=2k1，則β為矩形應(yīng)力圖高度x與中性軸高度xi的比值，即有：

(6)

圖5中γ為等效矩形應(yīng)力系數(shù)。由兩應(yīng)力圖塊合力大小相等的原則，經(jīng)整理可得：

(7)

(8)

一般認(rèn)為彎壓與軸壓極限壓應(yīng)變的比在1.5～1.8[8]之間，此結(jié)論也可以近似應(yīng)用于RPC，故可近似取φ=0.5～0.7，可得β=0.778～0.713，γ=0.964～0.912?！秾?duì)于RPC的β和γ取值，考慮混凝土及鋼纖維混凝土的取值和文獻(xiàn)[7]得出的結(jié)論，本文近似取：

(9)

從而，RPC配筋梁的彎曲抗壓強(qiáng)度為：

(10)

frcm是采用等效矩形壓應(yīng)力圖后的折算強(qiáng)度指標(biāo)，RPC配筋梁承載力極限狀態(tài)時(shí)的截面等效受壓區(qū)高度則為：

x=0.7xi

(11)

3.2.2 受拉區(qū)應(yīng)力圖形的等效

考慮RPC中鋼纖維的抗拉作用，等效矩形拉應(yīng)力圖形的高度xt可參考鋼纖維混凝土的取法[8]，取為中性軸以下截面的高度，如圖6(d)所示，即有：

(12)

3.2.3 鋼筋RPC梁正截面承載力的計(jì)算

RPC配筋梁正截面承載力簡(jiǎn)化計(jì)算模型見圖6。

圖6 RPC配筋梁正截面承載力簡(jiǎn)化計(jì)算模型

由截面內(nèi)力平衡可得極限承載力基本方程：

∑N=0frcmbx=fyAs+frtmbxt

(13)

對(duì)受拉區(qū)鋼筋合力作用點(diǎn)取矩得：

(14)

若對(duì)受壓區(qū)合力作用點(diǎn)取矩得：

(15)

式中，as為縱向受拉鋼筋合力作用點(diǎn)至截面受拉區(qū)邊緣的距離。

frtm可通過RPC配筋梁的彎曲破壞試驗(yàn)，利用式(14)、(15)計(jì)算得到：

(16)

為了便于進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可將截面受拉區(qū)高度xt近似取為h0-x可得：

(17)

將試驗(yàn)梁的實(shí)測(cè)極限彎矩及有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，即可求出相應(yīng)的frtm、βtm為鋼纖維對(duì)PRC拉區(qū)抗拉性能的影響系數(shù)，由于本次試驗(yàn)梁的數(shù)據(jù)較少，現(xiàn)根據(jù)本次試驗(yàn)和文獻(xiàn)[9]中的數(shù)據(jù)分析知道βtm在1.6～1.9之間，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，保守起見建議可近似取βtm=1.5。

根據(jù)上述結(jié)論并結(jié)合RPC梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出適筋梁L-3和L-4的極限彎矩理論值為21.92 kN·m，梁的極限彎矩實(shí)測(cè)平均值為22.84 kN·m，由此可見由簡(jiǎn)化計(jì)算模型建立的RPC配筋梁正截面承載力計(jì)算公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好。

4 結(jié)論

本文通過無筋和配筋RPC梁的受力變形全過程，對(duì)其彎曲性能及破壞特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)RPC無筋梁開裂后承載能力還會(huì)進(jìn)一步提高，極限彎矩可達(dá)初裂彎矩的1.5倍左右。RPC無筋梁呈現(xiàn)出良好的延性特征。

(2)RPC配筋梁從加載至破壞整個(gè)過程中，鋼纖維對(duì)RPC配筋梁的裂縫控制作用明顯，與同條件鋼筋混凝土梁相比裂縫出現(xiàn)較晚，梁的整體剛度得到提高。

(3)鋼纖維的存在，RPC正截面的受力分析考慮受拉區(qū)RPC的抗拉作用；彎曲抗拉強(qiáng)度frtm采用鋼纖維混凝土的計(jì)算模式，鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土梁拉區(qū)抗拉性能的影響系數(shù)在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)之上保守起見取為1.5。

[1] 徐海賓，鄧宗才. UHPC梁開裂彎矩和裂縫試驗(yàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46(4)：87-92.

[2] 鄧宗才，王義超，肖銳. 高強(qiáng)鋼筋 UHPC 梁抗彎性能試驗(yàn)研究與理論分析[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，23(1)：68-78.

[3] GRAYBEAL B. Characterization of the behavior of ultra-high performance concrete[D]. Maryland: University of Maryland，2005.

[4] 王兆寧.活性粉末混凝土矩形截面配筋梁抗彎性能研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2005.

[5] 鄭文忠，李莉.鋼筋活性粉末混凝土簡(jiǎn)支梁正截面受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(6) : 125-134.

[6] 于濤濤.鋼筋活性粉末混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力的研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2011.

[7] 高丹盈．鋼纖維混凝土及其配筋構(gòu)件力學(xué)性能的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，1989.

[8] 高丹盈，劉建秀．鋼纖維混凝土基本理論[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

[9] 陳廣智，孟世強(qiáng)，閻培渝. 養(yǎng)護(hù)條件和配合比對(duì)活性粉末混土變形率的影響[J].工業(yè)建筑，2003，33(9):63-65.

[10] 曹霞，常婧，王艷俊. 高強(qiáng)鋼筋RPC 梁受彎構(gòu)件正截面承載力試驗(yàn)研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，34(1)：109-115.

姚杰(1973～)，男，研究生，高級(jí)工程師。

TU317+. 1

A

[定稿日期]2017-06-12