自密實混凝土無腹筋梁抗剪性能

(1. 湖南大學 a.湖南省工程結構損傷診斷重點實驗室；b.土木工程學院，長沙 410082； 2.人民日報社，北京 100733)

自密實混凝土是一種可以自流平、免振搗的高性能混凝土。自密實混凝土最早于1988年在東京大學崗村甫[1]實驗室研制成功，第一次大規模應用是在1998年的日本明石海峽大橋[2]。關于自密實混凝土配合比和流變性能的研究有很多，但關于自密實混凝土在結構中性能表現的研究卻較少。通常認為，自密實混凝土結構構件抗剪性能與普通混凝土構件的抗剪性能相當。

剪切破壞是一種應當在設計中被避免發生的脆性破壞。普通混凝土構件的抗剪性能研究已經超過100 a了，但至今并沒有形成統一的抗剪設計方法。剪切機理并不很明確，其取決于構件的長細、深淺、截面形狀，還有構件類型是梁、板、柱，荷載是靜載還是往復荷載等。現有的抗剪規范公式并不是建立在受剪破壞機理分析上，而是基于試驗的半經驗半理論公式，不同抗剪規范對于抗剪強度的預測差異可以達到兩倍多。

根據Taylor[3]之前的研究：骨料咬合力在抗剪承載力中起了很重要的作用。雖然自密實混凝土是在普通混凝土的基礎上發展而來，但與普通混凝土還是有較大區別：為了達到自密實性能，自密實混凝土采用了更少的粗骨料和更小的骨料粒徑以及更多的膠凝材料，因此，部分研究人員認為這可能會導致自密實混凝土比普通混凝土的骨料咬合力更小，抗剪承載力更低。

Das等[4]發現,自密實混凝土梁比普通混凝土梁抗剪承載能力更高。然而，Wilson等[5]的研究顯示，美國ACI318-11規范[6]關于構件抗剪的規定對于自密實混凝土梁可能偏于不安全。Schiessl等[7]的試驗發現,自密實混凝土梁斜裂縫斷面更為光滑，表現出更低的抗剪承載力;Bendet等[8-9]的試驗結果則顯示,自密實混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能相近;Hassan等[10-11]的研究顯示，自密實混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能并沒有明顯的不同，自密實混凝土梁極限抗剪承載力稍微低于普通混凝土梁;Khayat等[12]對于自密實混凝土預應力梁的研究也得到了類似的結論;Dymond[13]的實驗則證實現有的規范對自密實混凝土預制梁抗剪承載能力的預測偏于保守。

為了進一步認識自密實混凝土梁的抗剪性能，本文完成了12根鋼筋混凝土無腹筋梁(8根自密實混凝土無腹筋梁和4根普通混凝土無腹筋梁)的受剪試驗，對梁的裂縫形態、開裂荷載、主斜裂縫荷載、斜截面抗剪承載力、破壞形態等進行研究。在此基礎上，收集現有公開的試驗數據，基于普通混凝土梁剪切試驗數據庫，對比了自密實混凝土無腹筋梁和普通混凝土無腹筋梁抗剪承載力的差異。

1 試驗概述

試驗共12根試驗梁，梁寬200 mm，截面有效高度360 mm，配筋率為1.58%。其中，自密實混凝土梁系列標記為S，普通混凝土梁系列標記為N。試驗主要變量為：剪跨比：2.2、2.6、3.0、3.4；強度：C40、C60。試件編號及基本參數見表1，試件尺寸和配筋見圖1。

表1 試驗梁主要參數Table 1 Main parameters of specimen

圖1 試件尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1 Specimen geometry and stell

自密實混凝土構件強度等級為C40和C60,普通混凝土構件強度等級為C60，采用42.5#普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用湖南固力公司產的Ⅰ級粉煤灰，減水劑采用湖南固力公司產聚羧酸減水劑粉劑，粗骨料采用含泥量小于1%的碎石，最大粒徑為20 mm，細骨料采用含泥量小于1%的普通中砂，具體配合比見表2。自密實混凝土性能測試見圖2，性能指標見表3。縱筋采用直徑22 mm的HRB400級鋼筋，屈服強度為468.4 MPa，抗拉強度為594.8 MPa。

表2 混凝土配合比Table 2 Mixture proportions for SCC and NC mixtures

表3 混凝土性能指標Table 3 Fresh and hardened properties of SCC and NC mixtures

圖2 混凝土性能指標測試Fig.2 Fresh and hardened properties of SCC and NC

澆筑構件時，每根試驗梁預留3個標準圓柱體試塊(300 mm×Φ150 mm)和6個標準立方體塊，根據《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T 50081―2002)[14]的規定，分別用于試驗當天測得的同等養護條件下的圓柱體抗壓強度、立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度，見表4。

試驗采用單點集中加載，加載點墊塊寬度15 mm，厚度2 mm，支座寬度13 mm，試驗加載裝置如圖3所示。加載按照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)[15]相關規定執行，試驗前均進行預加載，以保證接觸面的正常接觸和儀器設備的正常工作，正式加載根據預估的極限荷載，采用分級加載制度，每級加載后持荷5 min完成裂縫的觀察。

圖3 試驗加載裝置

試驗測量的主要內容包括：荷載變化、跨中支座撓度、開裂荷載、主斜裂縫荷載，裂縫發展。采集儀器使用MGCpuls動態應變儀，采樣頻率為50 Hz，詳細測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置

2 試驗結果與分析

圖5為所有構件最終破壞形態(NC40系列梁引用文獻[16]，該梁與本文SC40系列構件參數一致)。所有構件均發生剪切破壞，裂縫最先出現在跨中彎矩最大區域。自密實混凝土梁和普通混凝土裂縫形態、發展大致相同，高強混凝土梁破壞時，發出較大的劈裂聲。如圖6所示，自密實混凝土和C60系列普通混凝土梁劈裂面較為光滑，自密實混凝土梁劈裂面粗骨料分布間距較大；對于高強混凝土，無論是自密實混凝土還是普通混凝土，斜裂縫面上的粗骨料幾乎全部劈裂，但對于普通強度混凝土梁，斜裂面繞過了大部分粗骨料。

圖5 裂縫破壞形態Fig.5 Crack patterns of tested beams at

圖6 斜裂縫斷面

各試件的試驗結果如表4所示。鋼筋應變測試結果表明(部分結果見圖8)，除S-2.2-C40梁北跨L/4處鋼筋屈服外，其他梁的縱向應變均未達到屈服應變。測試結果還表明，受壓邊緣的混凝土應變也遠小于極限壓應變。

表4 試驗數據Table 4 Details of experimental beams

圖7 荷載撓度曲線Fig.7 Load deflections of the

ACI-ASCE 326[17]報告中指出：臨界斜裂縫形成后，鋼筋混凝土梁的應力將產生重分布。如果內部能夠形成新的內力平衡體系，鋼筋混凝土梁將可以形成更高的承載力，試驗梁極限抗剪承載力將高于臨界斜裂縫形成荷載。

圖8中的部分試件表現出這種性能。臨界斜裂縫形成較突然，隨后新的內力平衡體系主要由骨料咬合力、縱筋銷栓力和受壓混凝土的拱作用(Arch action)組成，但破壞仍然為脆性破壞。部分試件的斜裂縫(臨界斜裂縫)出現后迅速發展，直到破壞沒有發生階段性的應力重分布和內力平衡體系的轉換，表現出更為突然的脆性破壞。

圖8 1/4跨縱筋應變Fig.8 Strain of longitudinal reinforcement in 1/4

S-2.2-C40產生此現象的主要原因：隨著荷載增加，斜裂縫不斷發展、寬度增大，骨料咬合力逐漸減小；斜裂縫相交處縱筋應力不斷增大，鋼筋銷栓力增大，鋼筋和混凝土粘結應力增大，在支座附近出現更多粘結裂縫。最終，鋼筋屈服，位移迅速增加，直至剪壓區混凝土被壓碎，構件破壞。

3 抗剪承載力計算模型

3.1 中國混凝土結構設計規范

中國現行《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[18]集中荷載作用下無腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計算式為

(1)

式中：λ為截面剪跨比，當λ?1.5時，取λ=1.5,當λ?3.0時,取λ=3.0；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；b和h0分別為計算截面的腹板寬度和截面有效高度。

3.2 Zsutty的統計分析公式

Zsutty[19]提出了一個用于無腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計算統計式

(2)

(3)

3.3 美國ACI 318-11規范

根據ACI 318-11[6]，對于無腹筋鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計算簡化式為

(4)

表5結果表明：Zsutty擬合公式計算結果與本文試驗結果最為接近；中國規范公式計算結果與本文試驗結果也吻合得較好，但偏于不安全；美國規范ACI 318-11計算公式偏差較大。

表5 試驗梁抗剪承載力與規范預測值比較Table 5 Shear resistance of SCC beams from experiments and code-based predictions

4 基于數據庫的統計分析

根據公開的論文數據[10-11,20-35]，收集了130根自密實混凝土無腹筋梁剪切破壞試驗數據。所有試驗滿足：單點或者兩個集中點加載的矩形簡支梁：b?50 mm;100 mm≤h≤500 mm；1.0<λ≤4.5；ρ≤3.5%,混凝土強度不低于20 MPa；無分布縱筋和預應力筋。對于普通混凝土梁試驗數據，采用Collins[36]文中收集的試驗數據，篩選798根普通混凝土無腹筋梁剪切破壞數據。

圖9 試驗值與混凝土規范預測結果比較Fig.9 Comparison between test data and results predicted

圖9給出了所收集的試驗數據和中國規范公式的比較，表6為剪跨比1.0<λ≤4.5區間數據統計分析結果。可見，自密實混凝土梁受剪承載力低于規范公式的非保守點相對率，明顯大于普通混凝土梁。自密實混凝土梁在剪跨比小于1.5的區間內數據較少，去除這個區間的數據(表7)后，普通混凝土梁和自密實混凝土梁的非保守點相對率都有所增加，但普通混凝土梁的非保守點相對率增加較多。無論是對于自密實混凝土還是普通混凝土無腹筋梁，按照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)抗剪公式計算的非保守點都過多，這是因為，實際工程中的梁是有斜裂縫兩側粗骨料咬合作用對受剪承載力的貢獻的，且這種貢獻通過箍筋抑制斜裂縫開展來提供，而無腹筋梁因無箍筋，斜裂縫開展相對較大，兩側粗骨料咬合作用相對較弱。自密實混凝土梁受剪承載力低于普通混凝土梁約10%，非保守點達到2/3以上，但兩者統計樣本數相差較大，而普通混凝土梁的數據更加分散。如果從整體上提高中國規范中受剪承載力計算公式的可靠度，自密實混凝土梁的受剪承載力也可以滿足大致相同的安全度要求。例如，將現行規范計算公式乘以0.6～0.7的調整系數，普通混凝土梁的非保守點相對率下降到5%的水平，自密實混凝土梁的非保守點相對率也可以下降到同樣的水平。

表6 計算模型預測結果統計指標(1.0<λ≤4.5)Table 6 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.0<λ≤4.5)

表7 計算模型預測結果統計指標(1.5<λ≤4.5)Table 7 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.5<λ≤4.5)

注：m、c分別表示計算模型誤差的均值和變異系數；R2表示模型對試驗數據整體擬合程度；nu/n表示非保守估計數據點(γmod小于1.0)所占比例；5%、95%代表5%、95%分位數對應γmod值。

5 結論

通過對12根無腹筋鋼筋混凝土梁在集中荷載作用下抗剪承載力的剪切試驗研究和數據分析，可得出如下結論：

1)自密實混凝土梁和普通混凝土梁的裂縫發展、破壞形態大致相同，但自密實混凝土梁斜裂縫斷面更為光滑，高強混凝土梁斜裂縫面上的粗骨料全部劈裂，普通強度混凝土斜裂縫面繞過了大部分粗骨料。

2)不論是普通混凝土無腹筋梁還是自密實混凝土無腹筋梁，突然出現的臨界斜裂縫導致應力重分布，新的內力平衡體系可能使得梁的極限承載力高于臨界斜裂縫出現對應的荷載。

3)Zsutty擬合公式計算結果與本文試驗結果最為接近；中國規范公式計算結果與本文試驗結果也符合得較好，但偏于不安全；美國規范ACI 318-11計算公式偏差較大。

4)試驗數據統計分析表明，集中荷載下，中國規范受剪承載力計算公式偏于不安全。自密實混凝土梁受剪承載力略低于普通混凝土梁，但相對中國規范公式的分散程度小于普通混凝土梁。提高中國規范受剪承載力計算公式的可靠度，可同時滿足普通混凝土和自密實混凝土無腹筋梁受剪承載力的可靠度要求。

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