UHPC板沖切性能研究

顧 愷 成 晨

（1.中海建筑有限公司，江蘇 南京 211100；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

0 引言

1906年，Turner首次提出無梁樓蓋（板柱結構）概念，相比傳統梁板柱體系具有有效控制層高、降低材料用量、簡化施工工序等優勢[1]，在二戰后得到廣泛應用。然而無梁樓蓋體系存在嚴重的板柱節點沖切問題，國內外部分無梁樓蓋結構在正常使用或地震作用下出現倒塌慘案，為此很多學者對沖切問題進行大量試驗及理論研究。1907年，Talbot基于200組沖切試驗結果首次提出了節點抗剪承載力經驗公式[2-3]。沖切破壞屬于正應力及剪應力復合作用下的空間剪切脆性破壞[4]，對于普通鋼筋混凝土平板，沖切破壞一般發生在鋼筋全部屈服之前，單一節點發生沖切破壞后，其余節點分配受力過大，從而導致連續倒塌[5-6]。大量研究表明，柱面形狀及尺寸、混凝土強度、板厚、沖跨比、鋼筋強度與配筋率、板件邊界約束條件對混凝土薄板沖切承載力影響較大[7-10]。柱面面積越大，沖切承載力越大，且圓形柱面相對于方形柱面緩解了四角應力集中而具有更高的承載力，當混凝土達到極限狀態時發生沖切破壞。對于沖跨比而言，沖跨比控制著混凝土沖切破壞錐體傾角，從而影響極限承載力大小，沖切面越大則承載力越大。鋼筋強度及配筋率對沖切性能的影響尚未完全研究清晰，而薄板四周約束條件對沖切性能的影響很大，四邊固支較簡支而言具有更高的承載力。

近年來，部分學者通過提升混凝土材料性能的方式提升混凝土薄板沖切性能。UHPC（Ultra-high Performance Fiber Reinforced Concrete）具有超高抗壓性能、耐久性能、較高的抗拉性能，十分適合用于薄板構件提升沖切性能。2020年，美國、瑞士、韓國等多國學者對UHPC給出簡要定義[11]：（1）抗壓強度超過120MPa；（2）耐久性高、滲透率低；（3）纖維橋接作用保證裂后抗拉強度大于5MPa。UHPC結構具有較強的抗剪性能，但在無梁樓蓋節點中的應用和研究十分有限，目前學者們主要研究了澆筑位置、纖維摻量以及板厚等因素對沖切性能的影響，本文對UHPC在抗沖切方面的研究進行詳細地歸納分析，并以南京科創園南區活力智島二期為工程背景提出設計建議。

1 UHPC板截面形式

整體式UHPC板沖切性能相關研究與普通混凝土相關研究相比較少，板件主要截面形式為正方形等厚度板件、預設縫的等截面板、帶縱橫肋的華夫板、八邊形等厚度板。陳浩[12]設計了平面尺寸為1200mm×1200mm試驗板，高度為50～100mm不等。馬胤超[13]對6塊帶縱橫肋的華夫板進行沖切實驗，平面尺寸為800mm×800mm，板肋數量分為三條正交和兩條正交，板件總高度為50mm，板肋高度均為25mm，肋寬設置為50mm及80mm兩種。Hassan等[14]設計了帶預設裂縫的沖切試件，通過預設裂縫的位置來控制沖切角度，可以弱化彎曲效應的影響，截面尺寸為300mm×300mm×90mm，其中預設裂縫高度為60mm。Al-Quraishi[15]設計了邊長為0.55m的八邊形試件，截面高度為100mm。通過上述試件設計可以發現，正方形平面采用最多，高度方向均較薄，最大高度為100mm，可通過加肋增強。局部UHPC增強NC也是常用的結構形式，Rick[16]采用局部后澆UHPC增強NC八邊形的結構形式，研究了后澆帶面積對破壞模式的影響，發現后澆UHPC區域大小會對破壞面產生位置有所影響，后澆接縫距離加載邊小于1.3倍的有效界面高度時，裂縫首先在UHPC后澆帶外產生；而當大于1.9倍的有效高度時，裂縫首先出現在UHPC區域內。

2 影響參數分析

纖維橋聯、UHPC板件尺寸、配筋率、受荷面積與受荷位置是影響整體式UHPC板沖切性能的主要因素。鋼纖維可以有效提高UHPC的韌性以及裂后力學性能，UHPC板件的跨度、高度以及加載的方式會影響沖切破壞與彎曲破壞的模式轉變。UHPC試驗板截面形式見圖1。

圖1 UHPC試驗板截面形式

2.1 纖維摻量對UHPC板沖切性能的作用

部分學者研究纖維摻量對UHPC板沖切性能的作用機理[15-18]，通過試驗發現UHPC沖切傾角與普通混凝土相比明顯變小，隨著UHPC板破裂面增大，抗沖切承載力明顯提高。纖維的取向、纖維含量均對裂縫分布具有較大影響。Al-Quraishi[15]通過數值模擬發現沖切承載力與纖維抗拉效率成0.35次方的相關關系；通過試驗發現，沒有鋼纖維的UHPC板發生脆性破壞；UHPC板中鋼纖維含量的增加會延緩彎曲裂縫的出現，提高彎曲初裂荷載。Nguyen[17]對不同纖維摻量（0%、0.8%、1.6%）以及不同澆筑方式對UHPC薄板沖切性能進行了試驗研究，發現0.8%纖維摻量的板件（S02-S04）裂縫比1.6%摻量的板件（S05-S07）數量更多（圖2），但是承載力降低了約50%，1.6%纖維摻量的板件極限承載力較無纖維板件提高93%。陳浩[12]發現3%體積摻量的UHPC薄板較無纖維UHPC板極限承載力提升42%，且結構延性明顯提升。

圖2 不同澆筑方向及相應裂縫分布[17]

2.2 結構參數（尺寸及配筋率）對UHPC板沖切性能的影響

Park等[19]對不同厚度的UHPC板件進行沖切試驗發現，厚度較大的板件較薄板具有更高的沖切承載力強度和較低的變形。與此同時，鋼纖維使UHPC板件發生延性破壞，但是厚度較大的板件仍然有脆性破壞的傾向，這可能是界面的剪切荷載大于纖維橋接力而發生脆性破壞。如圖3所示，樊健生等[20]通過試驗發現，板件厚度的增加會有效提高其剛度和沖切承載力，但是過厚的板件呈現延性降低的現象，這與Park的試驗結果相吻合。厚度較大時，UHPC板件抗彎承載力提升，破壞模式由高延性的受彎破壞轉為偏脆性的沖切破壞，即使有纖維橋聯作用提升板件延性，但是仍具有較大的脆性破壞風險。此外，板件配筋率的提升可增加極限承載力，但是前期試件剛度變化不大，呈現延性降低，結構破壞呈脆性。周凱[10]通過試驗發現UHPC板后澆帶范圍及厚度的增加會促使沖切破壞模式轉變為彎沖破壞模式，對于配筋率的研究表明，提升配筋率可增加沖切承載力，但當配筋率超過2%時，沖切承載力不再提升。

圖3 不同結構參數UHPC板荷載撓度關系[20]

2.3 加載方式（受荷面積及位置）對試件剪跨比的影響

加載區域和位置的變化會影響試件的剪跨比，改變結構的受力模式，導致破壞模式的轉變（圖4）。

圖4 不同受荷位置破壞模式[21]

方志等[21]對加載面積及加載位置對UHPC板沖切性能的影響進行了試驗研究，試驗結果表明，90mm加載邊長較70mm加載邊長提高承載力9.8%、峰值撓度降低10.4%。偏載加載會提升沖切承載力，邊部及角部偏載較中心加載可分別提升承載力15.3%和13.1%。兩者對承載力的提升均是由于沖跨比的減小導致的。樊健生等[20]研究了加載區域面積對UHPC板件沖切性能的影響，試驗結果發現加載面積的增加直接導致剪跨段的減小，導致破壞模式由沖切破壞向彎沖破壞發展，承載力與剛度均有提升，由此可見增加受荷面積可以有效緩解節點沖切問題。

3 設計建議

科創園活力智島二期項目位于南京市江寧區科教創新園，北側為芝蘭路，西側為活力智島項目一期，南側為秦淮河支流，東側為龍眠大道。項目總建筑面積約10.73萬m2。T1科研中心共25層（圖5），建筑高度99.9m，標準層層高為3.90m；T2研發中心共9層，建筑呈L形，建筑高度37.6m，標準層層高為3.90m。

圖5 科創園活力智島二期項目效果圖及區位圖

該工程為EPC工程總承包項目，由中海建筑有限公司及中建工程設計有限公司聯合體負責具體實施，預制裝配率為40%，項目存在工期要求短、場地空間狹小、結構性能要求高等難點，具體表現為：（1）項目環保要求較高，施工天數會受到較大影響；（2）作為EPC工程，涉及專業多，技術、管理組織協調難度大；（3）地上建筑采用裝配式結構，施工管理難度較大；（4）場地空間狹小，地下室外墻距離紅線邊不足5m，可利用空間狹小。

上述難點可通過采用UHPC板無梁樓蓋解決，UHPC板無梁樓蓋可有效增加層高、減少柱子數量，增加施工空間，降低施工時間。具體建議如下：大跨可采用純UHPC樓板，中小跨采用UHPC局部增強NC樓板結構形式；板柱節點局部增強，通過擴大面積提高局部高度來提高節點抗力。

4 結束語

目前國內外對UHPC板沖切性能的研究仍然較少，根據試驗可以得到以下結論：

（1）相比于普通混凝土板，同等截面的UHPC板具有更高的沖切承載力。

（2）纖維摻量、板件尺寸及受荷方式極大地影響著UHPC板的沖切性能，建議提高纖維摻量，采用華夫板截面，增大受荷面積來提升承載力及延性。

（3）對于大層高、大跨度結構，采用UHPC樓板可有效實現增加層高、控制施工工期。