活性粉末混凝土T形梁正截面承載力試驗研究

姚 杰, 高 日, 景向陽

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

活性粉末混凝土T形梁正截面承載力試驗研究

姚 杰1, 高 日2, 景向陽1

(1.蒙冀鐵路有限公司，內蒙古呼和浩特 010000; 2.北京交通大學土木建筑工程學院，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，對活性粉末混凝土梁的彎曲性能及其影響因素進行分析，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算模型，建立了鋼筋活性粉末混凝土受彎構件正截面承載力計算公式。

活性粉末； 混凝土； 抗彎性能； 承載力

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete簡稱RPC) 具有高強度、高韌性和高耐久性的特點，在工程領域具有廣泛的應用前景[1-2]。RPC強度很高，因此構件截面尺寸相對較小，得以減輕自重，增大結構跨度，降低造價。

Graybeal研究了普通鋼筋UHPC梁抗彎性能，同時還研究了足尺寸UHPC預應力梁的變形性能[3]。文獻[4-6] 通過HRB400鋼筋RPC梁受彎試驗，研究了RPC受彎構件受力機理，建立了考慮截面受拉區RPC 拉應力貢獻的正截面承載力、剛度及裂縫寬度計算公式，總結出RPC矩形配筋梁正截面抗裂計算方法及正截面承載力的計算方法。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，在此基礎上根據普通混凝土的理論分析方法建立了承載力計算方法。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

RPC試驗的主要材料：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：特制細圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑為0.22 mm，長度為12～15 mm。RPC試驗配合比見表1。

表1 RPC試驗配合比 kg/m3

1.2 試件設計

試驗設計了2個無筋RPC梁、2個HRB400的RPC梁。試驗梁截面尺寸見圖1，長2 200 mm，基本參數見表2。

表2 試驗梁的設計參數

圖1 RPC試驗梁橫截面

1.3 測點布置

試驗主要研究RPC梁的抗彎性能，在純彎段內沿梁高和梁底縱向布置電阻應變片以測得截面的中性軸位置和梁的開裂；位移測點布置在RPC梁的跨中和加載點位置。

1.4 試驗加載

試驗梁采用兩點集中加載。采用液壓千斤頂進行分級加載，量測儀器包括靜態應變采集儀、應變式位移傳感器。

2 試驗現象與結果

2.1 RPC無筋梁受彎全過程

2.1.1 無筋梁受彎過程的三個階段

無筋梁試驗的荷載-撓度曲線見圖2。受彎過程可以分為三個階段：

圖2 RPC無筋受彎構件彎矩撓度曲線

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

(2)裂縫開展階段。過A點后，基體內部微裂縫擴展為宏觀裂縫，由于裂縫出現，拉應變增大，中性軸高度不斷增加，受拉區應力分布出現非線性，且拉應變增長速率比壓應變大，受拉區曲線逐漸變曲。

(3)破壞階段。過B點后，鋼纖維與基體間界面粘結強度達到極限，纖維不斷拔出，中性軸繼續上移，受拉區應力合力作用力臂的減小速率大于其合力的增加速率，跨中撓度增長很快，梁斷裂破壞。

2.1.2 梁的抗彎性對比

與普通素混凝土梁抗彎性能對比，RPC無筋梁的抗彎性能具有以下特點。

(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初裂彎矩的1.5倍左右。

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

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，構件基本處于彈性狀態，RPC的拉、壓應力均隨高度線性變化，呈三角形分布。

(2)裂縫擴展階段。荷載增加，裂縫增寬并不斷向上擴展，由RPC承擔的拉力逐漸轉移給鋼筋和鋼纖維共同承擔，鋼纖維的阻裂作用使裂縫向上發展變得緩慢，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。荷載繼續增加，裂縫數量增多、寬度增大并向受壓區邊緣延伸；當縱筋屈服，裂縫條數增加很少，裂縫寬度增大，向上延伸加快，荷載-撓度曲線再次出現拐點，荷載增大較慢而梁的撓度增加很快；繼續加載，RPC 裂縫擴展明顯，受壓區RPC被壓壞，梁破壞。

3 RPC受彎構件正截面承載力計算

RPC配筋梁正截面考慮RPC受拉區的抗拉作用。

3.1 一般假設規定

(1)平截面假定成立。RPC材料剔除粗骨料，優化顆粒級配，比普通混凝土提高了勻質性。試驗結果表明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的軸壓及軸拉應力-應變近似關系：

當0<εrc<εrco時σrc=Ercεrc

(1)

當εrco≤εrc≤εrcu時σrc=frc

(2)

其中：σrc和εrc為RPC壓應力和對應的壓應變；frc和εrco為RPC的抗壓強度和對應的壓應變；εrcu為RPC受壓區極限壓應變。根據國內外試驗資料可知，RPC材料的極限壓應變約為普通混凝土的2～3倍[3]，故本文建議取εrcu=0.0075。

RPC受壓應力-應變計算曲線見圖4。

圖4 RPC受壓應力-應變計算曲線

3.2 RPC配筋梁正截面極限承載力的計算

3.2.1 RPC梁正截面受壓區應力等效

抗彎承載力的理論計算較為繁雜，承載力計算通常根據受壓區合力作用位置和合力大小不變的原則，將實際應力分布等效成矩形應力圖，便于設計計算。可采用受壓區平均應力系數k1、壓區應力合力作用位置到受壓邊緣的距離系數k2(簡稱受壓區形心系數)來表征RPC配筋梁達到極限強度時受壓區的應力分布情況(圖5)。

圖5 受壓區RPC的應力簡化分布

構件達到極限強度時，k1、k2的計算公式為：

(3)

(4)

等效矩形應力圖的高度x為：

x=2k2xi

(5)

令β=2k1，則β為矩形應力圖高度x與中性軸高度xi的比值，即有：

(6)

圖5中γ為等效矩形應力系數。由兩應力圖塊合力大小相等的原則，經整理可得：

(7)

(8)

一般認為彎壓與軸壓極限壓應變的比在1.5～1.8[8]之間，此結論也可以近似應用于RPC，故可近似取φ=0.5～0.7，可得β=0.778～0.713，γ=0.964～0.912。《對于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[7]得出的結論，本文近似取：

(9)

從而，RPC配筋梁的彎曲抗壓強度為：

(10)

frcm是采用等效矩形壓應力圖后的折算強度指標，RPC配筋梁承載力極限狀態時的截面等效受壓區高度則為：

x=0.7xi

(11)

3.2.2 受拉區應力圖形的等效

考慮RPC中鋼纖維的抗拉作用，等效矩形拉應力圖形的高度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算

RPC配筋梁正截面承載力簡化計算模型見圖6。

圖6 RPC配筋梁正截面承載力簡化計算模型

由截面內力平衡可得極限承載力基本方程：

∑N=0frcmbx=fyAs+frtmbxt

(13)

對受拉區鋼筋合力作用點取矩得：

(14)

若對受壓區合力作用點取矩得：

(15)

式中，as為縱向受拉鋼筋合力作用點至截面受拉區邊緣的距離。

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

(16)

為了便于進行試驗統計計算，可將截面受拉區高度xt近似取為h0-x可得：

(17)

將試驗梁的實測極限彎矩及有關數據代入上式，即可求出相應的frtm、βtm為鋼纖維對PRC拉區抗拉性能的影響系數，由于本次試驗梁的數據較少，現根據本次試驗和文獻[9]中的數據分析知道βtm在1.6～1.9之間，由于試驗數據有限無法進行統計分析，保守起見建議可近似取βtm=1.5。

根據上述結論并結合RPC梁的試驗數據求出適筋梁L-3和L-4的極限彎矩理論值為21.92 kN·m，梁的極限彎矩實測平均值為22.84 kN·m，由此可見由簡化計算模型建立的RPC配筋梁正截面承載力計算公式與試驗結果吻合很好。

4 結論

本文通過無筋和配筋RPC梁的受力變形全過程，對其彎曲性能及破壞特征進行了系統分析，得出以下主要結論：

(1)RPC無筋梁開裂后承載能力還會進一步提高，極限彎矩可達初裂彎矩的1.5倍左右。RPC無筋梁呈現出良好的延性特征。

(2)RPC配筋梁從加載至破壞整個過程中，鋼纖維對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RPC的抗拉作用；彎曲抗拉強度frtm采用鋼纖維混凝土的計算模式，鋼纖維對鋼纖維混凝土梁拉區抗拉性能的影響系數在試驗分析的基礎之上保守起見取為1.5。

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姚杰(1973～)，男，研究生，高級工程師。

TU317+. 1

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[定稿日期]2017-06-12