有腹筋预应力超高强混凝土梁受剪承载力试验研究

姚大立 贾金青 余芳

摘要：为揭示有腹筋预应力超高强混凝土梁受剪性能，通过11根预应力超高强混凝土梁和4根预应力普通混凝土梁受剪性能试验，对比分析了不同参数对试验梁的破坏形态、荷载挠度曲线、承载能力和钢筋应变的影响.结果表明：预应力超高强混凝土梁的破坏形态与预应力普通混凝土梁相似，且预应力超高强混凝土梁具有更好的刚度、承载能力和剪切延性.增大剪跨比和箍筋间距均可降低极限承载力，另外，当预应力度大于0.34时，提高预应力度对极限承载力才有积极贡献.建立了有腹筋预应力超高强混凝土梁斜截面受剪承载力的计算公式，计算结果与试验结果吻合较好.此外，利用现行规范（GB 50010-2010）计算有腹筋预应力超高强混凝土梁受剪承载力的计算结果离散性较大，计算结果不稳定.

关键词：剪跨比；预应力；受剪承载力；破坏形态

中图分类号：TU378.8 文献标识码：A

随着桥梁工程技术的不断发展，大跨度、高强装配式后张法预应力混凝土桥梁被广泛应用于公路工程建设项目中＼[1-2＼]，高强高性能混凝土作为一种新型混凝土，其在强度、耐久性、工作性能及体积稳定性等方面均优于普通混凝土，但同时也存在脆性大、延性差等弱点.现有规范适用的混凝土强度等级为C15～C80，然而随着混凝土技术的发展，比文献＼[3＼]混凝土强度等级更高的超高强混凝土在实际工程中也得到广泛应用.目前，国内智菲＼[4＼]等已对8根预应力高强混凝土（C70）梁的抗剪强度进行了试验研究，观察了裂缝开裂特点和破坏形态，并给出受剪承载力建议性公式.Graybeal对预应力超高强混凝土梁的弯曲性能进行了试验研究＼[5＼].但是，目前尚无学者对预应力超高强混凝土（C100）梁的剪切性能进行理论或试验方面的研究，使得相关理论和研究成果严重滞后于工程实践.

本文通过有腹筋预应力超高强混凝土简支梁受剪试验，揭示了梁的受剪机理，系统研究了影响试验梁受剪性能的主要因素，并结合我国现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）和《高强混凝土结构技术规程》（CECS 104—99），提出了有腹筋预应力超高强混凝土梁斜截面受剪承载力计算公式.

1试验概况

共设计了11根有腹筋预应力超高强混凝土和4根预应力普通混凝土简支梁，截面尺寸为160 mm×340 mm.试验梁长为1 200 mm， 1 400 mm， 1 600 mm，其中剪跨区段长为840 mm， 1 120 mm， 1 400 mm，分别对应的剪跨比为1.5， 2.0和2.5.试件的混凝土强度设计等级分别为C40， C70和C100，试验梁的受拉钢筋为3根直径20 mm的HRB335级钢筋，屈服强度为370 N/mm2，箍筋为直径6.5 mm的HPB235级钢筋，屈服强度为335 N/mm2，预应力筋采用1860级钢绞线，张拉控制应力为σcon =0.75fptk（fptk为抗拉强度标准值），直径分别为15.2 mm和12.7 mm，屈服强度分别为1 815 N/mm2和1 798 N/mm2，采用有黏结预应力工艺.为降低张拉阶段的预应力损失，本次试验采用低回缩预应力锚具，主要试验变量为剪跨比λ， 箍筋间距s， 混凝土强度fcu和预应力度λp.根据文献＼[6＼]，预应力度λp定义为式（1）.试验梁参数和主要试验结果列于表1，混凝土材料力学性能见表2.

λp=（Apsfps）/（Apsfps+Asfy）. （1）

式中：Aps为预应力钢筋总面积； As为纵向受拉钢筋总面积； fps为预应力筋的屈服强度； fy为纵向受拉钢筋的屈服强度.

2测点布置及加载方案

在加载点和支座范围的箍筋上均粘贴有电阻应变片，梁跨中的受拉钢筋和预应力筋表面粘贴电阻应变片.将LVDT置于梁跨中底部和支座处，以测得梁的整体变形.采用单调静力加载制度，正式加载时，每级荷载约为预估极限荷载的10%，每加一级荷载，持载10 min.接近预估开裂荷载时，适当降低每级荷载增量以期较准确地获取实际开裂荷载.加载至极限荷载85%时则以位移控制加载，加载速率为0.02 mm/min.所有试验数据均通过IMC数据采集仪全自动采集.试验测试内容：试件开裂荷载、极限荷载；钢筋及混凝土应变；荷载挠度曲线及裂缝开展情况等.试验装置及混凝土测点布置见图1，典型试件的应变片布置见图2.

3主要试验结果与分析

3.1破坏形态

预应力超高强混凝土梁破坏形态与预应力普通混凝土梁基本相似.加载初期，试验梁处于弹性阶段，加载至极限荷载的17%～32%时，梁跨中加载点的正下方出现竖向裂缝，随着荷载的增大，在剪跨区内也出现高度略低于受拉钢筋中心的竖向裂缝，且斜向加载点方向发展.当加载到极限荷载的36%～53%时，剪跨区内预应力钢筋位置处出现斜裂缝，且斜裂缝出现很突然，荷载继续增加，竖向裂缝发展缓慢，斜裂缝宽度加大.当荷载接近试验梁斜截面的极限承载力时，试验梁挠度增长加快，斜裂缝向上延伸至集中荷载作用点处，向下延伸至受拉钢筋位置，并沿着受拉钢筋向支座发展.此时荷载已达到试验梁的斜截面承载能力.预应力超高强混凝土梁的斜裂缝面较普通强度混凝土梁光滑平整，破坏面沿裂缝的粗骨料大部分被劈开，这表明与普通强度混凝土相比，超高强混凝土骨料咬合作用有所降低.在试验加载的过程中，所有的试验梁都是箍筋首先屈服，受拉钢筋未屈服而发生剪压破坏.预应力超高强混凝土梁的开裂荷载和极限荷载见表1，破坏形态如图3所示.

3.2荷载挠度曲线分析

从图4中可看出预应力超高强混凝土梁的受力大致可分为3个阶段：1）从开始加载至试验梁斜截面开裂属于弹性阶段.在此阶段，试验梁表现出整体工作性能，荷载挠度曲线呈线性； 2）弹塑性阶段.从斜截面开裂至极限承载力为弹塑性阶段.在此阶段，挠度发展显著加快，试验梁的荷载挠度曲线呈非线性，刚度明显降低.3）破坏阶段.从极限承载力至卸载阶段为试验梁的破坏阶段.图4（a）示出了剪跨比对试验梁荷载挠度曲线的影响.由图可见：预应力超高强混凝土梁的斜裂缝出现后，试验梁的刚度随剪跨比增加而逐渐减小，因为剪跨比λ=M/V反映了试验梁破坏截面的弯矩与剪力的相对比值，在剪力水平相同的情况下，对于剪跨比较大的试验梁，斜裂缝形成后的截面有效惯性矩减小，因此导致试验梁的刚度显著降低.图4（b）示出了不同预应力度对试验梁荷载挠度曲线的比较.由图可见：预应力度增加，荷载挠度曲线的上升段斜率增大.这是由于增大预应力度提高了试验梁的刚度.图4（c） 示出了混凝土强度对荷载挠度曲线的影响，由图可见：试验梁的初始刚度随着混凝土强度的增加而增大，这是因为混凝土弹性模量随着抗压强度的提高而增大.然而，混凝土抗压强度的增加并没有致使试验梁的剪切延性降低，反而增大.根据剪切延性系数的计算理论＼[7＼]，试验梁PRC3的剪切延性系数为1.73，而试验梁PRC13的剪切延性系数为1.36，同理，试验梁PRC07和PRC15的剪切延性系数分别为2.12和1.52.这是由于超高强混凝土与普通强度混凝土相比具有更小的水灰比，因此钢筋与超高强混凝土间具有更大的黏结力，从而导致预应力超高强混凝土梁具有更好的变形能力.图4（d）表明了箍筋间距只影响试验梁的斜截面承载力，对试验梁的刚度无作用.