預應力混凝土T梁受剪破壞試驗研究

劉立群，李 明，馮浩雄

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

鋼筋混凝土梁的剪切破壞機理在不斷深化，由于問題的復雜性和影響因素眾多，至今尚無相對完備的理論體系，不同的理論模型和試驗數據導致各國規范公式存在差異﹒李昊[1]和李冠軍[2]對預應力混凝土矩形梁進行了受剪承載力試驗，研究了受剪破壞機理和影響剪切破壞的主要因素﹒Qi 等[3]針對9 根體外預應力混凝土T 梁，研究了預應力、剪跨比、剪切鋼筋和體外預應力筋彎起角度對預應力混凝土T 梁的剪切性能和受剪承載力的影響﹒

混凝土構件截面極限破壞形態與結構形式、剪跨比、截面形狀、加載方式、配筋形式及數量等有關[4]﹒大量的試驗表明，構件剪切破壞典型形態有以下幾種﹒

斜拉破壞多發生在剪跨比較大時(λ＞3)的無腹筋梁或腹筋配置較少的有腹筋梁中[2]，如圖1a)所示﹒剪壓破壞是有腹筋梁在腹筋配置適當時常見的斜截面破壞形態﹒當1＜λ＜3 時，在集中荷載作用下的無腹筋梁，也會發生此類破壞﹒試驗結果發現，臨界斜裂縫延伸開展，指向荷載作用點，同時受壓區高度減小[5]，如圖1b)所示﹒

斜壓破壞多發生在剪跨比較小的梁中，集中荷載下的有腹筋梁通常λ≤1.5，而無腹筋梁λ≤1﹒試驗現象表明，隨著荷載的增加，在加載點與支座之間，腹板被一系列大致平行的斜裂縫分割成許多傾斜的受壓桿，最后沿斜向受壓破壞[6]，如圖1c)所示﹒

錨固破壞多發生在矩形梁和T 形梁或厚腹I形梁中，是一種脆性破壞，可以通過縱筋深入支座長度和數量、彎起位置與長度來控制[7]﹒

預應力混凝土梁破壞特征與鋼筋混凝土梁破壞特征相似﹒施加預應力后能改善梁的內力，提 高梁的剛度，明顯改善其抗剪性能，顯著提高抗剪承載力[8]﹒預應力混凝土T 梁在矩形梁的基礎上增加了翼緣板，翼緣板能增大預應力混凝土T梁的受壓區面積，有效提高其抗剪承載力[9]，但其破壞形態和特征在預應力和翼緣雙重作用下，呈現不同的特征﹒因此，本文通過預應力混凝土T 梁在集中荷載作用下的抗剪試驗，以期獲得預應力混凝土T 梁在受剪作用下的破壞形態﹒

1 試驗設計與現象

1.1 試驗設計

試驗設置并制作了9 根預應力混凝土和1 根普通鋼筋混凝土T 形簡支梁﹒梁高700 mm，腹板寬度200 mm，翼緣厚度100 mm，翼緣寬度800 mm/1 080 mm，以預應力筋的彎起角度、預應力筋數量和翼緣寬度為變化參數﹒試件主要參數見表1﹒

在構件混凝土澆筑時還澆筑了12 組150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試塊用以測試混凝土的強度，且該立方體試塊和構件在同條件下養護﹒在預應力張拉和構件進行剪切破壞試驗之前，按照普通混凝土力學性能試驗方法的標準要求在實驗室進行抗壓強度試驗，測得立方體抗壓強度平均值cuf ，并依據相關規范換算出混凝土軸心抗壓強度cf 和抗拉強度tf ﹒混凝土強度測試結果見表2﹒

表1 試件主要設計參數

表2 混凝土立方體試塊抗壓強度測試結果 MPa

表3 鋼筋力學性能測試結果

1.2 試驗現象

所有試件均發生了剪切破壞，裂縫主要集中在T形梁腹板處，多條與臨界斜裂縫大致平行的裂縫為主﹒

T-1梁試驗現象：當跨中荷載P為160 kN時開始出現第1條垂直裂縫；當加載到200 kN時出現了斜裂縫，此時斜裂縫靠近跨中位置，角度大于45°，均指向加載點；隨著荷載的逐步增大，垂直裂縫并沒有繼續發展和增加，而斜裂縫進一步由跨中逐漸向兩支座方向延伸和開展，呈八字形，此時斜裂縫角度逐漸接近45°，裂縫寬度也逐漸增加但增加速度較緩慢；隨著荷載進一步增加，臨界斜裂縫形成，加載點與支座連線方向緩緩出現一些斜裂縫，有些呈水平狀；加載至670 kN時，手動液壓泵沒法繼續增加荷載，稱重顯示器顯示荷載有下降趨勢，但裂縫在繼續開展，因此判斷此時梁已受到破壞﹒

T-2～T-10梁試驗現象：首先，在跨中出現垂直裂縫，但出現裂縫的荷載明顯比T-1梁高，時間也更緩；隨著荷載增加，正截面裂縫幾乎沒有發展，斜裂縫逐漸出現，初始斜裂縫靠近跨中位置，慢慢向支座方向發展，方向均指向加載點；隨著荷載的繼續增大，臨界斜裂縫逐漸形成，裂縫角度逐漸接近45°，裂縫寬度也逐漸增大，裂縫數量也緩步增加，臨界斜裂縫的裂縫慢慢向翼緣方向延伸；隨著荷載進一步增加，臨界斜裂縫寬度增加較快，且其與支座之間的斜裂縫數量增加，有些則由臨界斜裂縫延伸向水平方向發展，臨界斜裂縫在靠近梁底處呈水平狀態延伸，翼緣上的裂縫幾乎貫通這個截面高度；最終，在達到極限荷載時，聽到“砰”的一聲，荷載急劇下降，受壓區混凝土壓碎，導致試件發生剪切破壞﹒

2 試驗現象及結果

2.1 破壞形態與裂縫開展

根據試驗現象與試驗得到的裂縫分布情況，最終通過AutoCAD對裂縫進行描繪，得到了所有試驗梁的裂縫分布，如圖2所示﹒由圖2明顯可以看到臨界斜裂縫的位置和其他斜裂縫的基本分布情況﹒圖中還可以看出，預應力筋彎起角度越大，預應力筋數量越多，則斜裂縫分布的面積越大，數量越多，斜裂縫的傾角也越小﹒

圖2 破壞形態與裂縫分布

2.2 試驗結果

試件的極限荷載與撓度見表4﹒由表4可以看出，增加預應力筋數量、增大翼緣寬度和預應力筋彎起角度都能提高試件的極限抗剪承載能力﹒

表4 極限荷載與撓度

配置有預應力筋的T-2、T-5和T-8試件的極限抗剪承載力較T-1分別提高了25.37%，26.12%和31.49%；彎起角度由水平狀態提高至12°時，T-5較T-2的極限承載力提高幅度不大，但提高到20°時，T-8較T-2、T-5分別提高了4.88%和4.26%﹒

增加預應力筋數量可明顯提高T梁的極限抗剪承載力，配置3根預應力筋的T-3、T-6、T-9比T-2、T-5、T-8分別提高了13.1%，13.02%和16.35%﹒

3 結論

改變預應力筋數量、彎起角度和翼緣寬度，在跨中集中荷載作用下的預應力混凝土T 梁均呈現剪壓破壞現象﹒

隨著有效預應力的增加，受剪承載力顯著增加，裂縫分布面積增大，數量增加，傾斜角度變小；隨著翼緣寬度的增大，受剪承載力提高幅度不大，翼緣板上存在明顯的剪力滯后效應﹒