H型鋼-再生混凝土板組合梁抗剪性能試驗

劉亦斌曹萬林，*葉濤萍劉 策郭瑞潔王如偉

（1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；2.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

0 引言

再生混凝土是將建筑拆除后的廢棄混凝土破碎、篩分制成粗骨料及細骨料，按一定比例取代普通混凝土中天然粗、細骨料拌制而成的混凝土。近年來，學者對再生混凝土構件展開了一系列研究。曹萬林等［1］研究了高強再生混凝土梁的抗彎性能，研究表明：高強再生混凝土梁與普通高強混凝土梁破壞過程基本一致，相同設計參數的高強再生混凝土梁與普通高強混凝土梁相比，承載力接近，但延性更好。Gonzalez等［2］研究了再生混凝土梁的抗剪性能，研究表明：再生混凝土梁的抗剪破壞過程與普通混凝土梁相似，但再生骨料的摻入會使其抗剪性能有一定程度下降。葉濤萍等［3］研究了銹蝕鋼筋高強再生混凝土梁的抗彎性能，分析了銹蝕鋼筋高強再生混凝土梁的破壞過程，研究了不同設計參數對銹蝕鋼筋高強再生混凝土梁抗彎性能的影響，并根據試驗結論給出了相應的設計建議。肖建莊等［4］研究了壓型鋼板-再生混凝土組合板的抗剪性能，分析了壓型鋼板-再生混凝土組合板的破壞模式，并研究了不同設計參數對其抗剪承載力的影響。曹萬林等［5］研究了再生混凝土足尺柱的軸心受壓性能，比較分析了不同設計參數試件的承載力、延性、剛度及破壞特征，并基于試驗結果提出了相應的承載力計算公式。

鋼-混凝土組合構件因其兼具鋼構件和普通鋼筋混凝土構件的優點，承載力高、剛度大、抗震性能好，且易于施工，在房屋建筑及橋梁等實際工程中得到廣泛應用。梁是結構的重要橫向構件，承受豎向荷載，以受彎為主，在多數建筑結構中承擔第一道抗震防線作用，開展鋼-混凝土組合梁的研究對其工程應用十分必要。圍繞鋼-混凝土組合梁，學者開展了較多的研究工作。聶建國等［6-8］分別對采用栓釘抗剪連接件的鋼-混凝土組合梁的受力性能進行了抗彎、抗剪試驗以及相應的理論研究，分析了不同設計參數對承載力、剛度等的影響，并基于試驗結果提出了相應的承載力及撓度計算方法。楊勇等［9］通過對比試驗，研究了不同組合梁剛度計算方法的適用性，結果表明：修正折減剛度法偏于保守，需加以修正。薛建陽等［10］研究了組合梁在負彎矩作用下的抗剪性能，認為負彎矩作用下鋼-混凝土組合梁抗剪承載力的提高主要由混凝土翼板貢獻，并提出了考慮混凝土翼板影響的組合梁在負彎矩作用下抗剪承載力計算公式。Xue等［11］以4個鋼-混凝土組合梁模型為基礎進行了長期受力性能試驗，并基于規范，提出了彈性模量折減系數按混凝土齡期分時段取值的長期變形計算建議。Wang等［12］研究了不同設計參數對負彎矩下組合梁抗彎能力、界面滑移和裂縫發展的影響，并根據試驗結果和現有的計算方法，提出了確定負彎矩區裂縫間距和寬度的修正方法。

鋼-再生混凝土組合構件可以充分發揮鋼和再生混凝土的優點，有利于再生混凝土在結構構件中的推廣應用。目前，鋼-再生混凝土組合構件受力性能的研究以鋼管或型鋼再生混凝土柱受壓及抗震性能［13-14］研究為主。鋼-再生混凝土組合梁的受力性能研究主要集中于型鋼再生混凝土梁，吳平川等［15］進行了12根型鋼再生混凝土梁的抗彎試驗，研究了再生粗骨料取代率及配箍率對其抗彎性能的影響。陳宗平等［16-17］先后研究了不同設計參數的型鋼再生混凝土梁的抗彎、抗剪性能，并基于試驗結果提出了相應的承載力計算公式。薛建陽等［18］進行了12根不同強度、再生粗骨料取代率和剪跨比的型鋼再生混凝土梁抗剪試驗，并分析了以上設計參數對其抗剪性能的影響。Fathifazl等［19］通過試驗研究了型鋼再生混凝土梁的受彎性能，并提出了適用于型鋼再生混凝土梁的承載力計算公式。相關研究表明：型鋼再生混凝土梁的承載力和延性均優于鋼筋再生混凝土梁；型鋼再生混凝土梁的破壞過程與型鋼普通混凝土梁基本一致，再生粗骨料的摻量對型鋼再生混凝土梁的承載力影響不大；現行組合規范中的承載力計算方法可用于型鋼再生混凝土梁的承載力計算。

綜上，現有研究主要是針對型鋼再生混凝土梁的受力性能試驗研究，對于H型鋼-再生混凝土板組合梁的受力性能試驗研究尚少。本文進行了6個不同設計參數的H型鋼-再生混凝土板組合梁的抗剪性能試驗，研究了再生粗骨料取代率和混凝土強度等級對其抗剪性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

共設計了6個H型鋼-再生混凝土板組合梁足尺試件，試件長度3300 mm，凈跨3000 mm，梁高300 mm，上部為鋼筋混凝土翼板，板寬300 mm，板厚100 mm，下部為H型鋼，高度200 mm，翼緣寬度為200 mm。各試件配筋相同，再生粗骨料取代率和混凝土強度等級不同。再生粗骨料取代率有0%、50%、100%三種，混凝土設計強度等級有C30和C60兩種。按照混凝土強度將試件分為兩組，第一組試件編號為MB-0、MB-50、MB-100，分別為再生粗骨料取代率為0%、50%、100%的混凝土設計強度為C30的試件，即中強混凝土試件；第二組試件編號為HB-0、HB-50、HB-100，分別為再生粗骨料取代率為0%、50%、100%的混凝土設計強度為C60的試件，即高強混凝土試件。

試件尺寸及配筋如圖1所示。組合梁上部混凝土翼板內的縱筋直徑為6 mm，配筋率為0.38%；箍筋直徑為4 mm，加密區箍筋間距為80 mm，非加密區箍筋間距為100 mm，體積配箍率為1.12%；H型鋼型號為HN200×200×6×6；混凝土翼板和型鋼之間采用栓釘進行抗剪連接，栓釘雙排布置，每排15個，栓釘直徑根據混凝土強度等級不同分別采用12 mm（C30混凝土）和16 mm（C60混凝土）兩種，栓釘長度分別為48 mm和64 mm；混凝土保護層厚度為25 mm。

圖1 試件幾何尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Dimension and reinforcement of specimens（Unit：mm）

上述6個H型鋼-再生混凝土板組合梁足尺試件，首先利用分配梁實現三分點加載，分配梁兩端的支座距試件支座的距離均為1000 mm，進行了梁跨中1000 mm區段的正截面受彎性能試驗，6個試件受彎破壞形態見圖2；受彎試驗結束后，6個試件的兩端受剪區段基本處于彈性，將分配梁的兩個加載支座分別向梁兩端移動至距試件支座距離均為500 mm的位置，進行梁端彎剪區段的受剪性能試驗。由于試件MB-100在試驗前受到意外碰撞損傷嚴重，故本文介紹其中MB-0、MB-50、HB-0、HB-50、HB-100共5個H型鋼-再生混凝土板組合梁足尺試件的受剪性能試驗。

圖2 試件受彎破壞形態Fig.2 Flexural failure mode of specimens

1.2 材料性能

再生混凝土制備用的材料：水泥采用強度等級為42.5的金隅牌普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用北京興達廣源商貿有限公司生產的F類I級粉煤灰，礦粉采用三河市興達開元建材有限責任公司生產的強度等級為S95的?；郀t礦渣粉，密度為2810 kg/m3；天然粗骨料為粒徑5～25 mm的天然碎石，天然細骨料為粒徑0.16～4.75 mm的河砂；再生骨料由北京某拆除建筑的廢棄混凝土破碎、篩分得到，篩分后粒徑為5～25 mm的骨料用作粗骨料。實測骨料性能指標見表1。

表1 骨料性能指標Table 1 Basic properties of aggregates

各試件混凝土配合比、實測立方體抗壓強度fcu及彈性模量Ec見表2。

表2 混凝土配合比、實測立方體抗壓強度及彈性模量Table 2 Concrete mix proportion，measured cube compressive strength and elastic modulus

試件所用縱筋和箍筋均選用HPB300鋼筋；型鋼選用Q345級熱軋H型鋼；選用的栓釘等級為4.6級，fy=215 MPa，fu=400 MPa。實測鋼材力學性能見表3。

表3 鋼材力學性能Table 3 Mechanical properties of steel

1.3 試驗加載與測試

試驗在北方工業大學結構試驗大廳進行，采用電液伺服加載系統進行加載，并利用IMP采集系統進行實時數據采集。試件的支座一端為固定鉸支座，另一端為滑動鉸支座?？辜粼囼炈迷嚰橹斑M行了抗彎試驗，但試件的兩端并沒有發生斜截面剪切破壞的試件?？辜粼囼灷梅峙淞簛韺崿F兩點集中加載，加載點分別距兩端支座500 mm，剪跨比為1.66。加載采用分級加載的方式，在梁的支座、加載點和跨中位置分別布置位移計，位移計編號為D1、D2、D3、D4、D5；并在型鋼彎剪區腹板中部布置應變片，分為水平方向和豎直方向，應變測點編號為E1、E2、E3、E4，E2和E4為水平應變片，E1和E3為豎向應變片；測點布置及加載現場照片見圖3。

圖3 測點布置及加載現場Fig.3 Layout of measuring points and loading site

加載采用單調逐級加載的方式，分別采用力和位移控制彈性階段和彈塑性階段加載。主要測試：①加載裝置施加的每級荷載及荷載作用下所對應的跨中撓度；②在加載過程中產生裂縫所對應的加載級以及位置、長度、寬度；③H型鋼彎剪段腹板應變。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞特征

各試件破壞過程和特征類似。以試件MB-0為例：在加載初期荷載相對較小，混凝土板側沒有產生裂縫，試件的荷載與跨中撓度呈線性關系。當荷載增至522 kN時，試件達到屈服。之后在加載點附近混凝土板側產生了豎向裂縫和指向加載點的斜向裂縫，跨中受壓區的混凝土破壞并逐漸向混凝土與型鋼的結合處發展。當荷載增至577 kN時，跨中受壓區混凝土破壞，H型鋼上翼緣變形明顯；隨著變形的不斷增大，跨中混凝土板與型鋼結合處的型鋼上翼緣發生明顯鼓曲，試件承載力迅速下降，這是試件破壞的關鍵因素。整個加載過程中，H型鋼與再生混凝土板共同工作性能良好，在彎矩與剪力共同作用下呈剪壓破壞形態。試件的破壞過程大致分為以下幾個階段：

（1）彈性階段：梁在較小的荷載作用下，荷載-跨中撓度曲線基本呈線性關系，且由于受拉區為型鋼，加載過程中不會像混凝土開裂產生裂縫。

（2）彈塑性階段：隨著荷載持續增大，混凝土板開始產生斜向裂縫，荷載-跨中撓度曲線出現明顯拐點。

（3）破壞階段：繼續增加荷載，梁的承載力增長較為緩慢，梁的跨中區域混凝土受壓破壞加快并向下延展至混凝土和型鋼結合面，型鋼上翼緣變形加快，之后混凝土板破壞，梁承載力迅速下降。

各試件的破壞形態如圖4所示（梁跨中區段的破壞，是前期三分點加載受彎破壞基礎上繼續發展的）。

圖4 試件破壞形態Fig.4 Failure mode of specimens

2.2 抗剪特征荷載

實測所得各試件的屈服荷載Fy、極限荷載Fu，以及承載力比較見表4。

表4 實測抗剪特征荷載Table 4 Measured load under test

分析表4可知：①同一組試件中，再生粗骨料取代率為0%的試件與再生粗骨料取代率為50%、100%的試件相比，抗剪承載力接近；②兩組試件相比，HB-0比MB-0的屈服荷載、極限荷載分別提高了16.44%、13.12%；HB-50比MB-50的屈服荷載、極限荷載分別提高了18.14%、15.80%。

2.3 荷載—跨中撓度

實測所得各試件的荷載—跨中撓度曲線如圖5所示。圖5（a）是第一組混凝土強度等級為C30的兩個試件的荷載-撓度曲線比較，圖5（b）是第二組混凝土強度等級為C60的三個試件的荷載-撓度曲線比較，圖5（c）是5個試件的荷載-撓度曲線比較。

由圖5可見：①第一組試件MB-50、MB-0的全過程抗剪性能接近；②第二組試件HB-0、HB-50、HB-100的全過程抗剪性能也非常接近，表明再生粗骨料取代率對試件全過程抗剪性能的影響并不大；③兩組試件比較，混凝土強度較高的試件比混凝土強度較低的試件全過程抗剪性能明顯提高。

圖5 各試件荷載-跨中撓度曲線對比Fig.5 Load-midspan deflection curves of specimens

2.4 荷載-型鋼應變

實測所得兩組試件的荷載—型鋼腹板測點水平應變曲線各自的比較分別見圖6（a）、圖6（b）；兩組試件的荷載—型鋼腹板測點豎向應變曲線各自的比較分別見圖7（a）、圖7（b）。

圖6 兩組試件的荷載—型鋼腹板測點水平應變曲線各自的比較Fig.6 Comparison of load-horizontal strain curves of two groups of specimens

圖7 兩組試件的荷載—型鋼腹板測點豎向應變曲線各自的比較Fig.7 Comparison of load-vertical strain curves of two groups of specimens

分析圖6和圖7可知：①兩組試件的荷載—型鋼腹板測點水平應變曲線發展過程接近，其水平應變均達到屈服；②兩組試件的荷載—型鋼腹板測點豎向應變曲線發展過程接近，其豎向應變均未屈服，約為相應測點水平應變的1/3。

實測所得相同再生粗骨料取代率下兩組試件的荷載—型鋼腹板測點水平應變曲線比較見圖8（a）、圖8（b）。

由圖8可見：①再生粗骨料取代率為0%的兩個試件，當型鋼腹板測點水平應變達到1000 με左右時二者荷載接近，之后混凝土強度較低的試件損傷加快；②再生粗骨料取代率為50%的兩個試件，當型鋼腹板測點水平應變達到1250 με左右時二者荷載接近，之后混凝土強度較低的試件損傷加快；③提高混凝土強度可以明顯提高H型鋼-再生混凝土板組合梁的抗剪性能。

圖8 相同再生粗骨料取代率下兩組試件的荷載—型鋼腹板測點水平應變曲線比較Fig.8 Comparison of load-horizontal strain curves of specimens with same RCA replacement ratio

3 結論

（1）不同再生粗骨料取代率和混凝土強度等級的H型鋼-再生混凝土板組合梁斜截面受剪破壞過程基本一致，均經歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

（2）同一組試件對比，相同強度等級下再生粗骨料取代率為0%的試件與再生粗骨料取代率為50%、100%的試件抗剪承載力接近；兩組試件相比，試件HB-0比MB-0的屈服荷載、極限荷載分別提高了16.44%、13.12%，HB-50比MB-50的屈服荷載、極限荷載分別提高了18.14%、15.80%。

（3）第一組試件MB-50、MB-0的全過程抗剪性能接近；第二組試件HB-0、HB-50、HB-100的全過程抗剪性能也非常接近，表明再生粗骨料取代率對試件全過程抗剪性能的影響并不大；兩組試件比較，混凝土強度較高的試件比混凝土強度較低的試件全過程抗剪性能明顯提高。

（4）兩組試件的荷載-型鋼腹板測點水平應變曲線發展過程接近，其水平應變均達到屈服；兩組試件的荷載-型鋼腹板測點豎向應變曲線發展過程接近，其豎向應變均未屈服，約為相應測點水平應變的1/3。

（5）再生粗骨料取代率為0%的兩個試件，當型鋼腹板測點水平應變達到1000 με左右時二者荷載接近，之后混凝土強度較低的試件損傷加快；再生粗骨料取代率為50%的兩個試件，當型鋼腹板測點水平應變達到1250 με左右時二者荷載接近，之后混凝土強度較低的試件損傷加快。

（6）H型鋼-再生混凝土板組合梁，采用栓釘連接構造受力可靠，型鋼與混凝土板的共同工作性能良好；提高混凝土的強度等級可以顯著提升H型鋼-再生混凝土板組合梁的抗剪承載力及變形能力；H型鋼-再生混凝土板組合梁可用于工程設計。