剪跨比對RC/ECC組合無腹筋梁抗剪性能的影響

王敬慈 程鳳泉 韋 立

前言

由于混凝土具有韌性差、抗剪性能差等先天的脆性特征。而且，混凝土常常處于帶裂縫工作階段，若不能較好地控制裂縫寬度，則會引起結構的耐久性問題，成為安全隱患。使用超高延性纖維增強水泥基復合材料替代混凝土用于受剪構件中，能夠有效提高構件的抗剪承載力、極限變形以及延性。目前，對于ECC構件剪切性能的研究還較為欠缺。國外方面，Kanda[1]等進行了ECC短梁在周期往復荷載作用下的剪切性能研究。試驗結果表明，ECC短梁在往復荷載下的剪切承載力、大塑形變形后的抗剝落能力和耗能性能方面都遠優于普通混凝土梁。由于ECC材料價格較高，整體替代混凝土并不經濟，本文采用ECC與混凝土形成組合梁來研究其抗剪性能。

1 試驗概況

參考了《PVA纖維增強水泥基復合材料制備及其力學性能研究》[2]的理論成果，采用了最優配合比設計為水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：水：減水劑：纖維體積（%）=0.2：0.6：0.2：0.36：0.35：0.004：2。

試驗設計了7根無腹筋梁，均為簡支梁。梁長1.5m，截面尺寸150mm×200mm；混凝土強度C50；ECC層高度70mm；受力主筋采用HRB500級鋼筋，直徑16mm，架立筋采用HRB400鋼筋，直徑12mm。

本文試驗選用國產PVA纖維，是由中國福建市永安市寶華寧寶業有限公司提供。主要性能指標：長度為12mm；直徑為12～18mm；彈性模量35GPa；伸長率為 6～8%；抗拉強度為 1200MPa；密度為 1.3g/cm3。

試驗采用油壓千斤頂配合反力架進行三分點加載，在兩端支座梁頂和跨中梁底布設百分表測讀變形。試驗前要進行預加載，確保各儀器正常工作，然后按理論極限荷載的5%分級加載，并觀察裂縫情況。待跨中首次出現裂縫后，按理論極限荷載的20%分級加載直到試驗梁破壞。試驗中需記錄的內容：初裂荷載、斜截面初裂荷載、極限荷載、各級荷載下的撓度及應變等。

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態

從試驗梁斜裂縫開展至剪切破壞的過程中可以觀察到梁最后的破壞形態包括了斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞，與普通鋼筋混凝土梁構件破壞形態類似。基本所有試驗梁都在支座附近的梁底部位置產生彎曲豎向裂縫，該彎曲裂縫向加載點處發展延伸，并于中部或靠近加載點位置逐漸斜向發展成彎剪裂縫，隨著荷載增大并接近梁的極限抗剪承載力，斜裂縫迅速貫通，最終而破壞。部分ECC/RC無腹筋梁的破壞形態見圖1。

圖1 部分梁破壞形態圖

2.2 剪跨比對斜截面開裂荷載的影響

由圖2可知，試件梁的斜向開裂荷載隨著剪跨比的增大而減小。在混凝土強度及界面，ECC厚度相同的條件下，當λ＜2.5時，斜向開裂荷載隨剪跨比的增大而減小，當λ＞2.5時，斜向開裂荷載隨剪跨比的增大而增大。這與文獻[5]相一致。

2.3 剪跨比對試驗梁變形性能的影響

根據試驗數據，繪制ECC/RC組合混凝土梁試件的荷載-撓度關系曲線如圖3。圖中可知：當剪跨比增大，試驗梁的撓度產生更快的增長速度；當0.8＜λ＜2.5時，試驗梁的最大撓度有變大的趨勢，λ＞2.5時，試驗梁的最大撓度有下降的趨勢。而剪跨比較小時，圖中曲線在開裂點處有轉折點，其余段有比較明顯的線性特征，這是為了保證本次試驗的構件發生受剪破壞，提高受拉縱筋的配筋率，當構件破壞時，縱向鋼筋尚未屈服，構件破壞前跨中撓度較小。圖3中：構件在開裂點處的轉折點并不明顯，這表明構件在屈服前都表現出了良好的受力性能。此外，圖中還可以看出：隨著剪跨比的增大，曲線的斜率減小，同一荷載下，剪跨比大的構件其撓度也大；試驗梁在加載后期，撓度曲線趨于平緩，破壞形式呈塑型。

3 結論

圖2 剪跨比與斜向開裂荷載關系

圖3 試驗梁荷載-撓度曲線圖

（1）ECC/RC組合無腹筋梁均發生塑性破壞。

（2）ECC/RC組合無腹筋梁的破壞形態與普通混凝土梁破壞形態類似，但是界限值少有差異。本試驗中，當剪跨比小于1.5，為斜壓破壞；當剪跨比處于1.5和2.5之間時，為剪壓破壞；當剪跨比超過2.5時屬于斜拉破壞。

（3）隨著剪跨比的增大，抗剪承載力下降，當剪跨比小于2.5時，下降幅度較大，當剪跨比大于2.5時，承載力變化平緩。

[1]KandaT，WatanabeS，LiVC.Applicationofpseudostrainhardeningcementitiouscompositestoshearresistantstructuralelements[J].AEDIFICATIOPublishers，FractureMechanicsofConcreteStructures，1998，3：1477 ～1490.

[2]陳偉康.國產PVA纖維增強水泥基復合材料制備及其力學性能研究[D].揚州大學，2016.

[3]崔啟飛.ECC-混凝土層間界面性能試驗研究[D].揚州大學，2016.

[4]何倍軒.FRP增強ECC梁及ECC/混凝土組合梁抗剪性能研究[D].東南大學，2016.

[5]KaniGNJ.TheRiddleOfShearanditsSolution[J].ACIStructuralJournal，1964（61）：25～30.