PE—ECC短梁抗剪性能研究

汪梦甫　徐亚飞　陈红波

摘 要：设计制作了一根高强混凝土短梁和两根PE-ECC短梁，完成了其抗剪性能试验，通过应用拉-压杆方法、有限元方法及规范方法对其进行了抗剪承载力计算.结果表明：三根短梁均发生了剪切破坏，但剪切破坏形态并不相同，高强混凝土短梁发生剪压破坏，PE-ECC短梁发生弯剪破坏；与高强混凝土短梁相比，PE-ECC短梁的初裂荷载和极限荷载均有较大幅度提高，显示了较好的剪切延性；拉压杆方法及有限元方法计算的抗剪承载力数值与实测值吻合良好，而规范方法计算值偏小，过于保守.

关键词：超高韧性水泥基复合材料；短梁； 抗剪性能；有限元； 拉压杆模型

中图分类号：TU375； P315.92 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2015）11-0010-07

根据分析及试验结果，国内外均将l.0/h小于2的简支梁及l.0/h小于2.5的连续梁视为深梁；而l.0/h小于5.0的梁统称为短梁，为深受弯构件[1].深受弯构件一般承受的剪力值较大而弯矩值较小，在地震或大的集中荷载作用下往往容易发生脆性剪切破坏，因而其抗剪能力相对于抗弯能力来说显得尤为重要.为了满足抗剪要求，深受弯构件往往具有较大的截面高度，且需配置大量的钢筋，这样既浪费材料，又增加了施工难度.

工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite ，ECC）是美国密歇根大学的Victor C.Li[2]基于微观力学与断裂力学原理，经优化设计而提出的一种新型工程水泥基复合材料.研究表明[2-6]，ECC在多方面都具有优异的性能：1）具有独特的受拉应变硬化特性，最大极限拉应变通常在3%～7%之间；2）具有较大的受压应变；3）具有多缝稳态开裂的特点，有或无抗剪钢筋的ECC构件均具有较高的抗剪强度和延性；4）ECC与钢筋之间有很好的协调变形能力，因而不会产生粘结滑移或劈裂破坏，出现多条细密微裂缝而不是几条集中宽裂缝，钢筋是在较大范围屈服而不是仅在主裂缝处屈服，有利于钢筋性能的充分发挥和提高构件耗能能力.

湖南大学卜良桃将ECC应用于加固梁中，梁的抗裂、抗剪、抗弯性能均有提高[7-8].为了改善短梁的抗剪性能，本文尝试将掺有聚乙烯（PE）纤维的ECC代替普通混凝土应用于短梁中，对比研究其抗剪性能.

1 试验概况

1.1 试验用原材料及其配比

本文ECC配合比在文献[9]基础上试配后确定，见表1.其中，水泥采用湖南宁乡南方水泥有限公司生产的“南方牌”P.O 42.5普通硅酸盐水泥；硅灰由山西忻州铁合金有限公司生产，平均粒径为88 μm，比表面积为18.5 m2/g；石英粉由长沙环宇石英砂有限公司生产，325目，平均粒径为50 μm，密度为2.626 g/cm3；石英砂由长沙环宇石英砂有限公司生产，10～20目，粒径范围0.9～2 mm；高效减水剂由苏州弗克新型建材有限公司生产，FOX-8HP型聚羧酸减水剂；聚乙烯（PE）纤维由江苏仪征化纤股份有限公司生产，其性能见表2.

1.2 试件设计

本次试验共设计3根短梁，编号分别为R/CB1，R/ECCB1，R/ECCB2.其中，R/CB1梁采用C60级高强混凝土浇筑，R/ECCB1和R/ECCB2均采用ECC浇筑；截面尺寸均为150 mm×250 mm，简支跨度为1 000 mm，两端各外伸100 mm；纵筋和箍筋均采用HRB400级.详细尺寸和配筋见图1.浇筑R/CB1试件时，预留一组150 mm×150 mm×150 mm立方体标准试块测试其立方体抗压强度.浇筑R/ECCB1，R/ECCB2试件时预留两组150 mm×150 mm×300 mm棱柱体试块测试棱柱体抗压强度及弹性模量，一组150 mm×150 mm×150 mm立方体标准试块测试其立方体抗压强度，一组100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块测试ECC抗拉性能.

1.3 试验装置及加载方式

构件试验在湖南大学结构试验室进行，试验装置如图2所示.加载设备采用100 t及150 t千斤顶，加载前，将试件放置于简支支座上，通过分配梁实现两点加载，为使荷载分配均匀，在分配梁与试件之间放置简支支座，在反力梁与力传感器之间放置球铰.为得到试件跨中荷载挠度曲线，在千斤顶上端放置力传感器准确量测荷载，在试件跨中底部放置百分表以量测挠度，在支座处放置千分表以考虑支座变形对跨中挠度的影响.为了考察钢筋的应力应变规律，在纵筋和箍筋上黏贴应变片；为量测混凝土应变规律，垂直于加载点与支座连线布置混凝土应变片.试验时，先对试件预加载两次，以消除连接处间隙及检查量测设备的工作性能，每次分三级加载到开裂荷载的50%左右.正式加载时，按每级荷载20 kN逐级增加，接近开裂荷载时降为每级10 kN，开裂后恢复到每级20 kN；同样，接近极限荷载时，降为每级10 kN，到达极限承载力后采用位移控制.每级荷载加载后，待力显仪读数稳定后记录荷载及各百分表、千分表读数，并用东华3815N静态应变采集仪采集应变数据.

1.4 材料性能试验

与试件同条件常规养护28 d的立方体、棱柱体试块试验在湖南大学土木工程学院材料试验室MTS1000 t电液伺服万能试验机上进行，棱柱体轴拉试验在材料试验室MTS60 t电液伺服试验机上完成，钢筋抗拉试验在MTS60 t试验机上完成.C60混凝土立方体抗压强度实测均值为63.3 MPa，其余指标均参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）确定[1]；ECC材料性能指标列于表3中，钢筋材料性能指标列于表4中.

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏过程及形态

根据试验观测，3根短梁第一条裂缝均出现在跨中纯弯段，随后沿支座和加载点连线开始出现斜裂缝，随着荷载的增加斜裂缝发展迅速，宽度也越来越宽，正截面裂缝发展缓慢.最终裂缝分布如图3所示.