间接加载高强钢筋RPC梁受剪性能试验

曹霞， 陈逸聪， 宋亚运， 金奇志

(1. 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004;2. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

间接加载高强钢筋RPC梁受剪性能试验

曹霞1,2， 陈逸聪1,2， 宋亚运1,2， 金奇志1,2

(1. 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004;2. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

为了研究间接加载对高强钢筋活性粉末混凝土(RPC)梁受剪性能的影响，进行一批不同加载位置RPC梁的试验，分析其对裂缝、挠度、抗剪承载力及破坏形态等方面的影响.结果表明：挑耳在上部和挑耳同梁等高的间接加载RPC梁的裂缝发展趋势相近，裂缝的增长速度比直接加载梁慢，而挑耳在下部的试验梁裂缝发展迅速，并在主梁上形成拱形裂缝；加载方式对RPC梁的刚度影响不大；挑耳在上部和挑耳同梁等高的间接加载RPC梁的极限承载力并不比直接加载RPC梁低；挑耳在下部的间接加载RPC梁发生了一定程度的拉脱破坏，从而导致其极限承载力比直接加载RPC梁降低25%左右；间接加载梁的开裂荷载比直接加载梁都提高25%左右；挑耳在梁上部及挑耳同梁等高的RPC主梁可不配置附加横向钢筋，挑耳在梁下部的主梁可以减少附加横向钢筋的配置量.

高强钢筋； 活性粉末混凝土； 间接加载； 加载位置； 受剪性能

1993年,法国BOUYGUES公司成功研制出一种具有超高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料——活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)[1]，并引起了国际工程界的重视.国内外已经开展了较多的RPC材料性能及构件的试验研究[2-4]，但对间接加载下RPC梁的试验研究较少.对于普通混凝土梁，Taylor[5]试验得出,无腹筋间接加载梁的抗剪强度比直接加载梁降低0%～70%；Zsutty[6]指出，有关无腹筋直接加载细长梁抗剪强度的方程，同样适用于无腹筋间接加载梁.冒海智等[7]运用有限元程序分析了直接加载和3种间接加载情况下梁内应力的分布，得出无吊筋间接加载简支深梁的承载力比直接加载时低，降低幅度最大可达76%；邓海等[8]对混凝土梁在间接荷载作用下的受力进行了分析，提出在确定附加横向钢筋的数量和位置时，应当考虑横梁与主梁的位置关系对主梁抗剪承载力的影响.我国现行混凝土设计规范[9]提出对混凝土梁截面高度范围内的集中荷载处配置,宜采用箍筋的形式的附加横向钢筋.本文设计一批间接加载RPC试验梁，分析不同加载方式对RPC梁裂缝、挠度、抗剪承载力及破坏形态等方面的影响.

1 试验概况

1.1 试件设计

在实际工程中，次梁交于主梁的位置可分为次梁交于主梁的上部、下部,次梁和主梁等高这3种梁的相交方式[10].不同相交方式下，次梁对主梁的作用机理各不相同.

设计了4根高强钢筋RPC试验梁，采用L2，L3，L4等三种挑耳方式分别模拟不同的相交方式，挑耳位置及配筋示意图,如图1所示.图1中：L1为直接加载无挑耳对比梁；L2为挑耳分布于梁上部；L3为挑耳分布于梁下部；L4为挑耳分布于梁全截面；无挑耳梁和有挑耳梁的主梁配筋相同，各梁挑耳配筋均一致.

为了避免箍筋以附加横向钢筋的形式对主次梁交界处的混凝土产生套箍作用，准确反映主次梁交界处混凝土的受力状态，4根试验梁均为无腹筋梁.试验参数(挑耳相对于梁顶的位置)：梁跨长为2 200 mm，截面尺寸为150 mm×250 mm，剪跨比为2.25，钢纤维量为2%.

为了防止试验梁的弯曲破坏先于剪切破坏，配置了较多纵筋，由文献[11]可知：RPC适筋梁的最大配筋率可达10%，故纵筋采用5根直径为25 mm的HRB500级钢，纵筋率为8.18%.

(a) L2挑耳方式 (b) L3挑耳方式 (c) L4挑耳方式

(d) L1无挑耳梁及间接加载梁主梁的配筋详图 (e) L2挑耳配筋详图 (f) L2挑耳1-1截面配筋图

(g) L3挑耳配筋详图 (h) L3挑耳2-2截面配筋图 (i) L4挑耳配筋详图 (j) L4挑耳3-3截面配筋图图1 挑耳位置及配筋示意图(单位：mm)Fig.1 Position and reinforcement of cross beam (unit:mm)

1.2 测点布置及加载方案

图2 试件测点布置(单位：mm)Fig.2 Measuring points of specimen (unit:mm)

试验梁采用两点对称集中加载，测点布置及加载装置，如图2所示.

1.3 材性试验

根据国家标准GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定，浇筑试验梁的同时，浇筑6个100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，6个100 mm×100 mm×300 mm和3个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块.与试验梁同条件下养护28 d后，测得立方体试块的力学性能，如表1所示.表1中：fcu为抗压强度；fc为轴心抗压强度；ft为劈裂抗拉强度；ff为抗折强度；E为弹性模量；σy,σu分别表示钢筋的屈服强度和极限强度.

表1 材料的力学性能Tab.1 Mechanical properties of material MPa

2 试验结果及分析

2.1 试验裂缝及破坏形态描述

4根试验梁的试验结果，如表2所示.表2中：Pcr为开裂荷载；Psls为裂缝宽度为 0.3 mm时的荷载；Pu为极限荷载；wmax为最大裂缝宽度；θw为最大裂缝倾角；γu为破坏时挠度.试验梁的裂缝示意图，如图3所示.以L3(挑耳分布于梁下部)为例，描述试验梁的裂缝发展情况和破坏形态.

表2 梁加载试验结果Tab.2 Test results of beam

荷载施加到93.2 kN时，梁底部跨中区域出现首条竖向裂缝，宽0.01 mm；加载到316 kN时，剪跨区出现斜裂缝，宽0.02 mm；当荷载施加到512.6 kN时，能够听到钢纤维被拔出的吱吱声，其中最宽的裂缝宽度为0.32 mm，达到了正常使用的极限值；荷载增加到670.4 kN的时候，伴随的“嘣”的一声巨响，试验梁破坏，最大主斜裂缝的宽度达到2.06 mm，裂缝方向与水平方向大致呈35°的方向.

L3的跨中上部出现了几乎水平的裂缝.这种裂缝从剪跨区开始出现，随着荷载的增加而发展，跨过挑耳，伸展到跨中段，不同于直接加载梁的裂缝止于加载点附近.根据裂缝形态，可以判断该裂缝是由于拉脱破坏所致，表明此处的混凝土受拉.从梁的整体破坏状态看，裂缝在梁上呈现出一个完整的拱形状，试验梁发生剪压破坏，并兼有拉脱破坏(图4(c))，与其他3根试验梁的破坏形态有明显区别.

仔细分析表3的试验结果及图3试验梁裂缝示意图，发现如下3点规律.

1) 从裂缝宽度看，L3的最大裂缝宽度为2.06 mm，远小于其他3根试验梁.这说明L3的裂缝还没有得到充分开展时，试验梁就已经发生了破坏，呈现一定脆性破坏的特征，其对应的极限荷载和最大挠度也比其他3根梁挠度小，此种挑耳设置方式不可取.

2) 从裂缝图走势看，L3不同于其他3根梁的裂缝走势.首先，L3的主斜裂缝倾角为35°，比其余3根梁低10°左右；其次，L3的裂缝从支座处开始延伸，跨过挑耳后，上升趋势逐渐变缓，到达跨中后趋于水平状，裂缝不再向梁顶发展.此时，裂缝的最高处距离梁顶尚有5 cm左右，但是其余3根梁的裂缝从支座处开始一直向上发展，直到梁顶，其间并没有变缓的趋势，也未形成水平裂缝，裂缝最高处几乎达到梁顶.这说明L3顶部混凝土的抗剪承载力并没有完全发挥出来，形成了拱形裂缝，有效截面高度h0降低，最终导致承载力降低，发生拉脱破坏.

3) 由图3可知，挑耳的位置虽然不同，但L2,L4和L1试验梁的主裂缝破坏形式类同，均为剪压破坏.L2,L4在主斜裂缝宽度达到正常使用状态限值后，裂缝向加载点发展并延伸至挑耳上.破坏时，L1,L2和L4的倾斜角相近，分别为50°,45°和45°.其中,L4破坏端的最大裂缝宽度远远大于其余3根梁.

(a) L1加载破坏图 (b) L2 加载破坏图

(c) L3 加载破坏图 (d) L4 加载破坏图图3 试验梁裂缝示意图Fig.3 Schematic diagram of cracks in beam

2.2 荷载-斜裂缝宽度分析

试验梁的荷载-斜裂缝宽度(P-w)曲线，如图4所示.由图4可知：加载初期，混凝土处于弹性阶段，直接加载梁的斜裂缝细微，间接加载的试验梁并未出现斜裂缝;当荷载达到400 kN后，L1和L3的斜裂缝宽度发展迅速；而加载到500～600 kN时，L1进入正常使用阶段，裂缝开裂速度急剧增加；当荷载约为750 kN时，L3已经破坏，L2和L4达到正常使用阶段，裂缝宽度开展速度增加，与L1相近.

从曲线整体走向发现：挑耳在上和挑耳同梁等高的梁，其斜裂缝发展趋势相近，但增长速度比直接加载梁较慢.当裂缝宽度小于等于0.6 mm时，直接加载和挑耳在下部的试验梁的裂缝发展趋势相近，但由于L3所受的集中荷载位于梁底部的挑耳处，受到更大的拉力，其裂缝迅速发展，随后构件破坏.

2.3 荷载-挠度曲线分析

试验梁的荷载-挠度(P-γ)曲线，如图5所示.由图5可知：4根试验梁在钢筋屈服前基本处于线弹性阶段，曲线的斜率变化不大，说明试验梁的刚度变化很小.这是因为RPC按照最大密实度理论进行配制，掺入活性材料硅灰，不含粗骨料，并进行高温高压养护，消除了砂浆与粗骨料之间的薄弱区域；钢纤维掺入RPC中更为匀质，起到更好的“桥架”作用[12]，更有效抑制裂缝的发展.

加载初期，挑耳位置对梁的挠度几乎没有影响，4根试验梁的挠度发展趋势基本相同；随着荷载增加，挑耳位于梁下部的试验梁，最大挠度值明显小于其余3根梁，这是由于L3的极限承载力小于其他3根梁；当荷载达到最大值时，梁的挠度都有一个突然增大的过程，达到最大荷载后，梁突然被剪坏，曲线没有明显的下降段.这主要有两个原因，一方面，因为4根试验梁都属于无腹筋梁，抗剪承载力全部来自混凝土，梁整体呈脆性材料特征；另一方面，钢纤维对梁裂缝的阻碍作用有限，随着荷载的增加，钢纤维不断被拔出混凝土，当达到临界状态后，裂缝急剧发展，钢纤维的作用失效，试验梁随即破坏.4根曲线的斜率相差很小，可见挑耳位置对梁的刚度影响较小.

图4 荷载-斜裂缝宽度曲线 图5 荷载-挠度曲线Fig.4 Load-inclined crack width curve Fig.5 Load-deflection curves

图6 斜截面受剪开裂荷载和极限荷载的柱状图Fig.6 Histogram of inclined cracking load and ultimate load

2.4 承载力分析

2.4.1 挑耳位置对承载力的影响分析 试验梁的斜截面受剪开裂荷载和极限荷载的变化，如图6所示.对比表2和图6，可以得到以下4点结论.

1) 相对于直接加载梁，挑耳在下的RPC梁极限承载力降低了25.6%，挑耳在上和挑耳同梁等高梁的极限承载力提高1.7%和1.4%.可见挑耳在上和挑耳同梁等高的加载方式对梁的极限承载力影响很小，挑耳在下的间接加载方式对梁的极限承载力影响最大，这种加载方式应尽量避免.

2) L3的极限荷载要比其余3根梁降低28%左右，表明间接荷载施加在主梁下部的情况对主梁承载力的降低作用比较显著.这是施加在挑耳上的荷载对主梁产生向下的拉力所致.从破坏时的裂缝图可知:L3挑耳附近产生了水平裂缝，拉脱破坏导致水平裂缝，使梁的承载力降低；而L1，L2，L4的荷载极限值相近，说明挑耳位于梁上部及挑耳同梁等高的情况对梁的承载力几乎没有影响，可忽略不计.

3) 间接加载梁L2，L3，L4的开裂荷载比较接近，且均比直接加载梁的开裂荷载还高25%，说明间接加载使梁的开裂荷载提高.这是由于荷载传力路线没有那么直接，作用效应滞后于直接加载梁.

4) 当裂缝宽度为0.3 mm时(表2)，试验梁L1和L3的荷载值比较接近，L2和L4比较接近，且L2，L4比L1，L3的荷载值高38%左右，即挑耳在梁上部和挑耳同梁等高的情况能明显提高梁正常使用极限状态的荷载值，这也是间接加载导致荷载传力滞后的结果； 而挑耳在梁下部时，由于梁下部拉力的影响，这种滞后效应减弱.

表3 混凝土梁间接加载承载力的比较Tab.3 Comparison of share capacity of concrete beams under indirect loading

2.4.2 RPC梁和普通混凝土梁在间接加载下的对比分析 RPC梁与普通钢筋混凝土梁[13]的间接加载下对比试验，如表3所示.表3中：r为抗剪承载力降低率；两种混凝土梁均为无腹筋；负值代表荷载的提高；普通混凝土无腹筋梁挑耳在上部的情况，由于试验配置了吊筋，因此不具可比性.

由表3可知：间接加载对挑耳在上部和挑耳同梁等高RPC梁的承载力并没有降低，在挑耳处可不设置附加横向钢筋；挑耳在梁下部的RPC梁，间接加载对其承载力的降低远小于普通钢筋混凝土梁，挑耳处可减少附加横向钢筋的配置，这主要得益于RPC致密的内部结构和钢纤维的阻裂效果.

3 结论

1) 挑耳在上部的RPC间接加载梁的裂缝发展走势及速度与挑耳同梁等高的RPC梁相似；挑耳在下部的试验梁裂缝发展迅速，且倾角相比其他试验梁较小.间接加载对RPC梁的刚度影响不大，挑耳在下部的加载方式由于拉力作用，使RPC梁的最大挠度明显降低.

2) 4根试验梁的破坏形式均为剪压破坏，挑耳在梁下部的L3除发生剪压破坏还伴随一定程度的拉脱破坏，其极限承载力、最大挠度和最大裂缝宽度都比其他3根试验梁低，表明挑耳在梁下部的间接加载对梁受剪性能的影响最大.

3) 挑耳在下部的间接加载使RPC梁的极限抗剪承载力下降26%，挑耳在上部及挑耳同梁等高的间接加载对RPC梁的极限抗剪承载力影响很小，间接加载对RPC梁承载力的降低作用远小于普通混凝土梁.

4) 由于RPC梁优异的材料组成结构和钢纤维的阻裂作用，挑耳在梁上部及挑耳同梁等高的RPC梁在挑耳处可不配置附加横向钢筋，而挑耳在梁下部的RPC梁挑耳处可减少附加横向钢筋的配置量.

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(责任编辑： 钱筠 英文审校： 方德平)

Trial Research on Shear Capacity of RPC Beams Under Indirect Loading

CAO Xia1,2， CHEN Yicong1,2， SONG Yayun1,2， JIN Qizhi1,2

(1. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Guilin 541004， China;2. College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China)

In order to study the influence of indirect loading on shear capacity of reactive powder concrete (RPC) beams， a group of different loading positions of RPC beam was tested, and influences of different loading on cracking, mid span deflection, shear capacity, failure patterns were analyzed. The results show that the development trend of the cracks in the RPC beams with upper cross beam is similar to the trend with equal height cross beam， and the crack growth rate is slower than the rate of the direct loading beam. The crack of the main RPC beams with lower cross beams develops rapidly， and arch cracks form on the main beam. The loading pattern has little influence on the stiffness of the RPC beams. The ultimate bearing capacity of the RPC beams with upper or equal height cross beam under indirect loading isn′t less than the capacity under direct loading. The tensile damage occurs in main RPC beams with the lower cross beams， which decreases the ultimate bearing capacity by about 25% in comparison with the capacity under direct loading.The cracking load of three beams under indirect loading is approximately 25% greater than the ones under direct loading. The additional transverse rebar is unnecessary in RPC beams with upper or equal height cross beam, the additional transverse rebar with upper or equal height cross beam can be reduced. Keywords：high strength steel； reactive powder concrete； indirect load； loading position； shear capacity

10.11830/ISSN.1000-5013.201703009

2016-09-26

曹霞(1965-)，女，教授，主要从事新型混凝土结构、预应力技术和建筑物加固技术的研究.E-mail:782343096@qq.com.

国家自然科学基金资助项目(51368013)； 广西岩土力学与工程重点实验室科研资助项目(2015-A-02); 广西研究生教育创新计划项目(YCSZ2015160)

TU 375.1

A

1000-5013(2017)03-0330-06