輕質超高性能混凝土(LUHPC)梁抗彎性能試驗

劉沐宇 趙 剛 丁慶軍 張 強

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (中鐵大橋勘測設計院集團有限公司2) 武漢 430050)

0 引 言

高強混凝土已經廣泛應用于土木工程結構，但其自重大、抗裂性能差等缺點制約了橋梁結構的跨越能力和耐久性能，高性能混凝土的輕質化研究是當前重要的研究熱點.本課題組制備了一種輕質超高性能混凝土(lightweight ultra-high performance concrete，LUHPC)，它的基本力學性能為：抗壓強度大于110 MPa，劈裂強度大于12 MPa，彈性模量大于3.8×104MPa，表觀密度小于2 100 kg/m3.LUHPC作為一種新材料，對其展開抗彎性能分析十分必要.

目前許多學者已經開展了關于RPC梁、UHPC梁抗彎性能的研究.鄭文忠等[1]進行了6根鋼筋混凝土梁受彎性能試驗，研究表明:RPC試驗梁的開裂彎矩明顯大于普通混凝土梁，計算其極限抗彎承載力應考慮受拉區RPC的拉應力貢獻.孫明德等[2]開展了20根RPC梁抗彎試驗，試驗表明正截面抗彎計算應考慮受拉區鋼纖維的拉結作用.文獻[3-5]研究了超高性能混凝土梁正截面抗彎性能，結果表明超高性能混凝土梁的抗彎承載力計算應適當考慮受拉區拉應力的貢獻；文獻[6-8]研究了UHPC梁的裂縫發展規律及開裂彎矩的計算方法.研究表明:UHPC梁的開裂彎矩明顯大于普通混凝土梁.LUHPC梁的抗彎性能和極限承載力計算公式目前沒有針對性研究[9-11].

文中以配筋率、鋼筋強度為變化參數，設計制作16根LUHPC梁，配筋率為0.3%、2.3%、4.2%、6.8%、8.7%，鋼筋強度為HRB400、HRB500，同時制作了7根高強混凝土梁作為對比梁，開展LUHPC梁抗彎性能試驗.研究了LUHPC梁的破壞形態、荷載-撓度曲線、配筋率和鋼筋強度對于極限承載力、開裂彎矩和延性的影響規律，同時依據承載能力極限狀態下跨中截面混凝土實測應變分布規律，提出了將受壓區應力圖形簡化為三角形，并考慮受拉區混凝土拉應力貢獻的抗彎承載力計算修正公式.

1 LUHPC梁抗彎試驗方案

1.1 LUHPC材料性能

材料性能測試見圖1，輕質超高性能混凝土以及高強混凝土配合比見表1，材料物理力學性能實測值見表2.

圖1 LUHPC材料性能測試以及梁體澆筑

表1 LUHPC和高強混凝土配合比

本課題組研制的輕質超高性能混凝土的基本物理力學性能見表2.LUHPC立方體抗壓強度大于110 MPa，劈裂抗拉強度大于12 MPa，彈性模量大于3.8×104MPa，密度小于2 100 kg/m3，表明LUHPC材料能夠減小結構自重，同時也具有很好的物理力學性能.

表2 LUHPC和高強混凝土的基本力學性能

1.2 試驗梁模型設計

以配筋率、鋼筋強度為設計變量制作了16根LUHPC梁，同時制作了7根高強混凝土梁作為對比，各梁尺寸均為150 mm×250 mm×2 000 mm.為消除試驗誤差，每種配筋率的LUHPC梁制作兩個.試件配筋率為0.3%、2.3%、4.4%、7.1%、8.8%.縱向鋼筋采用HRB400、HRB500，為避免正截面計算時受壓鋼筋的影響，架立鋼筋在跨中截斷，試驗梁編號以及設計參數見表3.

表3 梁體配筋表

1.3 加載方案及測點布置

試驗采用四點對稱加載，壓力機施加的荷載即為本次試驗所需采集的力，試驗加載方式參照GB/T20152—2012《混凝土實驗方法標準》進行，采用分級加載的方式，每級荷載預估為極限荷載的10%.在試驗開始前首先進行預加載，用以消除個部件接觸不均勻.為防止梁端點錨固破壞，兩邊各留100 mm，計算跨徑為1 800 mm.現場加載圖見圖2a)，驗梁模型配筋圖、加載測點布置示意圖見圖2b).

圖2 現場加載圖及試件橫截面配筋詳圖

在梁體跨中截面沿梁高方向等距布置9個應變片用以測量各個加載階段下截面應變分布.分別在縱向鋼筋的三分點、中點布置鋼筋應變片，測量鋼筋的應變.在梁體的跨中和支點處布置位移計，測量各級荷載作用下豎向撓度.用裂縫觀測儀記錄每級荷載作用下裂縫的發展情況.

2 試驗現象描述

16片LUHPC梁均發生彎曲破壞，經過計算，LUHPC梁配置HRB400級鋼筋，當配筋率為小于0.33%時，發生少筋破壞，為 0.33%～8.21%時為適筋破壞，大于8.21%時為超筋破壞.本文給出三種典型的破壞模式實物圖，見圖3.

圖3 LUHPC梁三種典型破壞破壞形態圖

1) 試件LBF4-1發生少筋破壞.破壞始于受拉鋼筋屈服，受壓區LUHPC并沒有壓碎，破壞時在梁體跨中形成一條寬度約為5 mm的主裂縫.由于鋼纖維的橋接作用，少筋梁開裂后并不會馬上破壞，開裂荷載約為破壞荷載的70%.少筋梁的破壞經歷了兩個階段：彈性工作階段、鋼筋屈服破壞階段.彈性階段：加載初期荷載-撓度曲線的斜率接近直線，并沒有裂縫的開展；鋼筋屈服破壞階段：此階段梁體出現第一條裂縫，開裂后的荷載-撓度曲線有明顯的轉折點，這意味著梁體的抗彎剛度有較大的變化，但是由于鋼纖維的橋接作用，荷載可以繼續增大，最后梁體破壞，表現出一定的延性.

2) 試件LBF4-2、LBF4-3、LBF4-4、LBF5-2、LBF5-3、LBF5-4均發生適筋破壞，這種破壞的主要特征是鋼筋首先屈服，受壓區LUHPC被壓碎.適筋梁的破壞分為3個階段：彈性工作階段、裂縫發展階段、鋼筋屈服破壞階段.彈性階段：加載初期，荷載-位移曲線呈線性增長，此階段并沒有裂縫開展；裂縫的發展階段：隨著荷載的繼續增加，梁底出現了第一條裂縫，此時梁體的剛度并沒有明顯減小，出現裂縫后鋼筋承擔的拉應力占比逐漸增大，隨著荷載的繼續增加，逐漸形成3～5條主裂縫，荷載撓度曲線斜率逐漸減小，當荷載超過到極限荷載的50%～65%時不會有新裂縫開展；破壞階段：此階段鋼筋逐漸屈服，裂縫延梁高迅速發展，撓度急劇增大，受壓區LUHPC壓碎，荷載撓度曲線的斜率逐漸接近0，梁體因無法繼續承擔荷載而破壞.

3) 試件LBF4-5發生超筋破壞，梁體破壞始于受壓區LUHPC被壓碎，受拉鋼筋并沒有屈服，跨中截面受拉區最大裂縫寬度約為1 mm，破壞時撓度約為11 mm.超筋梁的破壞經歷了三個階段：彈性階段、裂縫發展階段和破壞階段，前兩個階段與適筋梁相似，經歷破壞階段時縱向受拉鋼筋并沒有屈服，破壞始于受壓區LUHPC被壓碎，無法承擔壓應力.

3 LUHPC梁抗彎性能分析

3.1 LUHPC及鋼筋應變分析

跨中混凝土應變分布規律是承載能力極限狀態下簡化應力分布模式的重要依據，23片試驗梁在各級荷載作用下跨中混凝土應變均滿足平截面假定，其中兩片梁的應變變化規律見圖4a)～b).由圖4a)～b)可知：適筋梁破壞時，受壓區輕質超高性能混凝土的壓應變約為2 800×10-6；梁體在各個受力階段下的截面應變分布接近平截面；由圖4c)可知，跨中鋼筋的荷載-鋼筋應變曲線在梁體達到屈服之前，一直呈線性關系增長，在梁體出現第一條裂縫時，鋼筋的應變-荷載曲線無明顯轉折點，梁體屈服之后，曲線有明顯轉折點，此時鋼筋的應變約為(2 500～2 800)×10-6，鋼筋同時達到了屈服強度.

圖4 LUHPC及鋼筋應變變化規律圖

3.2 荷載-撓度曲線

荷載-撓度曲線可以直觀的反應梁體破壞形態上的差別，本文給出典型配筋率梁的荷載-撓度曲線，并將相同配筋率下的LUHPC梁和高強混凝土梁為一組做出荷載-撓度曲線，見圖5.

圖5 少筋、適筋、超筋梁荷載-撓度曲線

由圖5a)可知:LUHPC少筋梁的承載力比高強混凝土的大，同時破壞時表現出一定的延性，LUHPC梁的荷載撓度曲線斜率較大，這是因為鋼纖維的摻入，使得梁體的抗彎剛度比高強混凝土大.

由圖5b)可知:在相同配筋率下，承載力排序為：LBF5-2>LBF4-2>HSC4-2；LUHPC梁的荷載-撓度曲線的斜率比高強混凝土的大，這表明鋼纖維的摻加能夠提高梁體的抗彎剛度；配置不同強度鋼筋的LUHPC梁的荷載-撓度曲線斜率無明顯差別，這表明鋼筋的強度不會顯著影響梁體的抗彎剛度.

由圖5c)可知:LUHPC梁的極限承載力比高強混凝土梁大；當梁體達到屈服荷載時，荷載撓度曲線斜率立刻變為負數，即兩者的破壞形態都呈現脆性破壞.

3.2 配筋率、鋼筋強度與LUHPC梁開裂彎矩和極限承載力的關系

圖6為2種鋼筋強度和5種配筋率對開裂彎矩、極限荷載的影響關系圖.

圖6 配筋率、鋼筋強度與開裂荷載和極限承載力關系圖

由圖6a)可知:LUHPC梁的開裂彎矩隨著配筋率的增大而增大；配置HRB500和配置HRB400鋼筋開裂彎矩基本相同，即當配筋率相同時，鋼筋強度對開裂彎矩沒有顯著影響，這是因為達到開裂荷載時，縱向鋼筋沒有屈服的原因所致.由圖6b)可知:在適筋范圍內，LUHPC梁的極限承載力隨著配筋率的提高而提高，當配筋率為2.3%、4.2%、6.8%，鋼筋為HRB400級時，LUHPC梁的極限承載力提高了26.9%～35.7%；LUHPC梁的極限承載力隨著縱向鋼筋強度提高而提高，相同配筋率下，HRB500級鋼筋與HRB400級相比，LUHPC梁的極限承載力提高了10.5%～28.5%；相同配筋率下LUHPC梁的極限承載力比高強混凝土梁大.

3.4 配筋率與延性系數之間的關系

為了明確配筋率對于延性系數的影響規律，本文計算了其延性系數，并將延性系數與配筋率影響關系做成圖，見圖7.由圖7可知，LUHPC梁的延性明顯優于高強混凝土梁，這表明在混凝土中摻加鋼纖維可以提高混凝土梁的延性；在適筋和超筋范圍，延性系數隨著配筋率的提高而減小.

圖7 配筋率與延性系數關系圖

4 LUHPC梁抗彎承載力計算修正公式

圖8 極限狀態下五種截面應力簡化圖式

表4 LUHPC梁抗彎承載力試驗值與各規范規程計算值 單位/kN·m

由圖4a)～b)可知:適筋梁在承載能力極限狀態下受壓區頂端實測壓應變為2 800×10-6，小于LUHPC峰值應變，對應的應力應變關系仍處于線性上升階段，因此將受壓區應力圖形簡化為三角形是合理的；極限狀態下鋼筋合力點下部混凝土由于裂縫開展較大，不能承受拉應力，因此受拉區的高度為(h0-c)，本文簡化圖式見圖8e).根據力大小和合力點不變的原則，等效后將受拉區應力圖形簡化為矩形，拉應力的貢獻為kftu，折減系數為k.適筋情況下，對受壓區合力點取矩，極限狀態的力平衡方程和彎矩平衡平衡方程為

(1)

(2)

式中：ftu為LUHPC的抗拉強度，取75%的劈裂抗拉強度；k為抗拉強度折減系數；h0為截面高度；fy為鋼筋極限強度；fc為LUHPC軸心抗壓強度；c為受壓區高度；ρs為配筋率.

5 結 論

1) 當配筋率為2.3%、4.2%、6.8%，鋼筋為HRB400級時，LUHPC梁的極限承載力提高了26.9%～35.7%，在相同配筋率下LUHPC梁的開裂彎矩和極限承載力均高于高強混凝土梁，其延性明顯優于高強混凝土梁，配筋率為0.3%時，為少筋破壞，8.7%時為超筋破壞，適筋梁破壞時，裂縫分布呈現細而密的特點.

2) 相同配筋率下，HRB500級鋼筋與HRB400級相比，LUHPC梁的極限承載力提高了10.5%～28.5%，開裂彎矩比較接近.

3) 將受壓區應力圖形簡化為三角形，受拉區應力圖形簡化為矩形，其中抗拉強度的折減系數k為0.65，提出了LUHPC梁的極限承載力計算修正公式，試驗值與理論計算值吻合較好，平均誤差為4%，本文提出的計算公式具有較好的計算精度.