活性粉末混凝土簡支梁撓度變形影響因素研究

王根偉 羅麗娜 劉存鵬

摘 要： 為了研究高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁的承載能力和變形特點(diǎn)，本文考慮縱向配筋率、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)和高溫養(yǎng)護(hù)等因素對(duì)試驗(yàn)梁的影響，制作了八根不同的活性粉末混凝土簡支梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著配筋率、鋼筋等級(jí)的提高和高溫養(yǎng)護(hù)，簡支梁的承載能力和剛度也隨之提高，縱向鋼筋進(jìn)入塑性階段的時(shí)間得以延長，減小了梁在加載階段的撓度，有效地約束了裂縫的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 高強(qiáng)鋼筋；撓度；試驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目： 廣西壯族自治區(qū)中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“竹筋珊瑚混凝土粘結(jié)性能及抗彎性能試驗(yàn)研究”（KY2016YB908）

活性粉末混凝土（簡稱RPC）具有強(qiáng)度高、韌性好和高耐久性等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能能夠長期保持保持穩(wěn)定的一種新型材料，將會(huì)是水泥基復(fù)合材料未來的一個(gè)發(fā)展趨勢[1-2]。將高強(qiáng)鋼筋與RPC相結(jié)合，可以發(fā)揮這兩種材料各自的優(yōu)勢，顯著提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。鄭文忠等人通過6根簡支梁試驗(yàn)建立了RPC梁的正截面受彎承載力、剛度和裂縫的計(jì)算方法[3]，Vool等通過改變鋼纖維的摻量和預(yù)應(yīng)力的大小，對(duì)7根預(yù)應(yīng)力RPC無腹筋梁進(jìn)行了抗剪承載力試驗(yàn)研究[4]。李莉?qū)α鵕PC試驗(yàn)梁抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并結(jié)合國內(nèi)外眾多試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)地分析鋼筋RPC試驗(yàn)梁的彎曲性能[5]。管巧艷對(duì)12根鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受彎構(gòu)件荷載—撓度試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析計(jì)算，得出適合鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的剛度計(jì)算公式[6]。本文參照國內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)研究成果，考慮縱向配筋率和鋼筋等級(jí)等因素對(duì)RPC梁的影響，進(jìn)而分析活性粉末混凝土簡支梁撓度變形的影響因素。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件材料

試驗(yàn)梁制作主要采用河北鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的HRB500高強(qiáng)鋼筋，直徑為25mm，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為835.7Mpa和1082.9Mpa，，天津市思騰纖維科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的HRH鋼纖維，直徑0.22mm，長13mm，抗拉強(qiáng)度大于2000Mpa，水泥采用普通硅酸鹽水泥PO52.5。活性粉末混凝土（RPC）配合比為水泥：石英砂：硅粉：石英粉：13mm鋼纖維：減水劑：水=1：0.9：0.35：0.2：0.1：0.015：0.28

為探究高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)和配筋率對(duì)RPC梁受彎撓度及變形的影響規(guī)律，根據(jù)鋼筋強(qiáng)度等級(jí)和配筋率的不同，制作了八根RPC簡支梁。編號(hào)分別用HF-1， HF-2，HF-3，HF-4，HF-5，HF-6，HF-7和HF-8表示。試驗(yàn)梁參數(shù)見表2，

1.2試驗(yàn)加載

（1）加載制度。按照不大于預(yù)估荷載的5%進(jìn)行分級(jí)加載，直至構(gòu)件破壞。

（2）量測點(diǎn)布置。分別在試驗(yàn)梁的兩端支座和跨中設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)觀測變形情況，利用位移計(jì)測量撓度，在分級(jí)加載過程中記錄下位移計(jì)相對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，試驗(yàn)梁加載示意圖見圖1。

1—支墩；2—固定鉸支座；3—滾動(dòng)鉸支座；4—試驗(yàn)梁；

5—分配梁固定鉸支座；6—分配梁滾動(dòng)鉸支座；7—墊板；

8—分配梁；9—千斤頂；10—傳感器；11—反力架；12—位移計(jì)

圖1.試驗(yàn)梁加載示意圖

2 荷載一撓度曲線試驗(yàn)結(jié)果

荷載—撓度曲線圖2可以看出，當(dāng)施加荷載比較小時(shí)，高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁基本上處于彈性狀態(tài)，此時(shí)荷載—撓度曲線為一條條傾斜的直線，這與勻質(zhì)的彈性材料試驗(yàn)梁具有相同的特點(diǎn)，從圖中可知抗彎剛度無明顯變化。當(dāng)施加荷載至受拉區(qū)邊緣的RPC達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，試驗(yàn)梁的表面開始出現(xiàn)了裂縫，試驗(yàn)梁的撓度逐漸增加，增加幅度都不是很大。隨著荷載的繼續(xù)增大，荷載—撓度曲線出現(xiàn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，繼續(xù)施加荷載，曲線的斜率呈減小趨勢，且繼續(xù)逐漸上升，但曲線變化比較緩。主要是因?yàn)镽PC梁與普通混凝土梁不同，RPC梁中摻有鋼纖維，由于鋼纖維的阻裂作用以及鋼筋承擔(dān)拉力的作用，使得裂縫截面處鋼筋應(yīng)力降低，極大減緩裂縫高度的增長速度和減小了裂縫寬度，從而增加了高強(qiáng)鋼筋活性粉末混凝土梁的整體剛度。當(dāng)加載到鋼筋屈服，試驗(yàn)梁的破壞為頂部受壓區(qū)混凝碎，由于混凝土被壓碎，引起荷載-撓度曲線在破壞點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)折，荷載—撓度曲線又出現(xiàn)一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置先后不一，說明參數(shù)的變化，對(duì)于試驗(yàn)梁進(jìn)入塑性階段的延緩程度都不一樣。繼續(xù)增加荷載，接近鋼筋屈服，曲線的斜率明顯下降，曲線末端發(fā)展較平緩，近似于水平，從縱向鋼筋屈服到試驗(yàn)梁破壞的過程中荷載的增加幅度很小，而試驗(yàn)梁的變形卻很大，說明RPC梁有良好的延性。

3影響因素分析

3.1 配筋率對(duì)RPC梁剛度的影響

觀察圖2曲線可以看出，曲線一共分為三個(gè)階段，分別反映梁加載過程所經(jīng)歷的開裂前彈性階段、開裂后彈塑性階段以及鋼筋屈服后的塑性發(fā)展階段。在第一階段各梁均處在彈性階段，曲線的斜率基本保持一致，這說明配筋率對(duì)梁彈性階段的影響作用不大；在曲線的第二階段，隨著配筋率的增加曲線斜率呈上升趨勢，這表明配筋率提高有助于梁剛度的提高；在進(jìn)入曲線的第三階段可以看出，各梁之間的曲線斜率又保持了一致，只是進(jìn)入第三階段的拐點(diǎn)有所不同。這說明配筋較高時(shí)，延緩了鋼筋進(jìn)入塑性階段的時(shí)間。

3.2 鋼筋強(qiáng)度對(duì)RPC梁剛度的影響

從圖3中可以看出，隨著縱筋屈服強(qiáng)度的提高，極限荷載和跨中極限撓度也隨著緩慢的增大。由于這組對(duì)比梁只是縱筋屈服強(qiáng)度的不同，其他參數(shù)完全一樣，所以在第一階段的曲線變化幾乎完全一致，開裂荷載也相同，混凝土開裂后曲線開始分開，鋼筋進(jìn)入屈服階段，縱筋屈服強(qiáng)度較高的梁相對(duì)來說撓度都變化稍顯得緩慢一點(diǎn)。縱筋屈服強(qiáng)度較低的梁在混凝土開裂之后不久，迅速進(jìn)入了屈服狀態(tài)，達(dá)到了極限荷載。

3.3 高溫養(yǎng)護(hù)對(duì)RPC梁剛度的影響

高溫養(yǎng)護(hù)處理作用體現(xiàn)為可以使得摻合料的火山灰反應(yīng)加速顯著，也改變水化物內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，形成了致密的膠凝體結(jié)構(gòu)，降低了界面薄弱層的孔隙率，增強(qiáng)了密實(shí)度。所以在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)試件進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)，特別有利于試件強(qiáng)度的提高。所以高溫養(yǎng)護(hù)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)而言很大程度上提高RPC的強(qiáng)度。從而充分發(fā)揮兩者的作用。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其他條件相同的情況下?lián)隙认鄬?duì)較小，充分說明高強(qiáng)度混凝土對(duì)撓度發(fā)展具有抑制作用。

4結(jié)語

通過改變縱筋配筋率、鋼筋等級(jí)和養(yǎng)護(hù)條件等因素對(duì)RPC簡支梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）在活性粉末混凝土梁中采用高強(qiáng)鋼筋可使兩者的性能得到充分發(fā)揮，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)不變的情況下，隨著配筋率的提高RPC梁的承載力逐漸提高。

2）在縱筋配筋率保持不變的情況下，RPC梁隨著受壓區(qū)鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，隨著受拉區(qū)鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的降低而減小，此外高溫養(yǎng)護(hù)也可以提高RPC的強(qiáng)度。

3）縱筋配筋率和鋼筋等級(jí)是影響高強(qiáng)鋼筋RPC梁荷載-撓度曲線的重要因素，隨著縱筋配筋率的增加，試驗(yàn)梁的承載能力和剛度也隨之提高，縱向鋼筋進(jìn)入塑性階段的時(shí)間得以延長，減小了梁在加載階段的撓度，有效地約束了裂縫的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]ROUX，N. Experimental Study of Durability of Reactive Powder Concretes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 1996 ； 8 （ 1 ） ： 1 —6.

[2]屈文俊，秦宇航.活性粉末混凝土（RPC）研究與應(yīng)用評(píng)述[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007； 23（5）：86—92.

[3]鄭文忠，李莉，盧姍姍.鋼筋活性粉末混凝土簡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.

[4]Voo，Yen Lei. Shear Strength of Fiber Reinforced Reactive Powder Concrete Prestressed Girders without Stirrups[J]. Journal of Advanced Concrete Technology， 2006 ； 4 （ 1 ） ： 123 —132.

[5]李莉.活性粉末混凝土梁受力性能及設(shè)計(jì)方法研究[J].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010；85—88.

[6]管巧艷，賈燕，張明恩.鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受彎性能研究[J].新型建筑材料，2007；（12）：15—18.