活性粉末混凝土型鋼梁抗剪性能探析

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［摘要］國內(nèi)國外對(duì)于型鋼梁有大量的研究，并取得了一定的研究成果，但主要集中在采用普通混凝土梁及高強(qiáng)混凝土梁，使用活性粉末將上兩者施工材料取代后，型鋼梁的抗剪性有了一定的提高，并在實(shí)際的應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。但目前型鋼梁的受力模式、抗剪性能等未有相關(guān)的詳細(xì)描述，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文闡述了國內(nèi)外對(duì)活性粉末混凝土受力性能，以及我國部分學(xué)者對(duì)于混凝土型鋼梁抗剪性能研究，并開展試驗(yàn)探析活性粉末混凝土型鋼梁的抗剪性能。

［關(guān)鍵詞］抗剪性能；活性粉末混凝土；活性粉末混凝土型鋼梁

型鋼混凝土因優(yōu)秀的抗震能力及靈活的應(yīng)用方式，在大型建筑中多有使用。但大型建筑對(duì)梁提出了更為苛刻的標(biāo)準(zhǔn)，普通混凝土梁需要的橫截面尺寸比較大，占用較多的空間，結(jié)構(gòu)自身的重量不再符合目前建筑標(biāo)準(zhǔn)，并且開始呈現(xiàn)出影響較大的脆性。一般型鋼混凝土梁為防止剪切破裂，會(huì)設(shè)置剪力連接鍵，以保障型鋼與混凝土兩者都可以產(chǎn)生作用，這使得工程建設(shè)難度提高。為解決此難題，有研究學(xué)者通過分析活性粉末混凝土構(gòu)件的受剪力性能，挖掘型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的價(jià)值。

1型鋼梁概述

社會(huì)發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代化建設(shè)，建筑工程的規(guī)模迅速增大，而質(zhì)量要求也隨之攀升。面對(duì)城市人口大量集中的現(xiàn)象，高層建筑、超高層建筑接連拔地而起，一般的鋼筋混凝土很難滿足目前的建筑工程需求，建筑工程對(duì)強(qiáng)度很高、適用性更強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出迫切的需求?；钚苑勰┗炷列弯摿海ㄏ挛暮喎Q型鋼梁）是一種可適用于凍融、侵蝕環(huán)境中的組合構(gòu)件，它耐久性、強(qiáng)度等方面大大超越一般的組合構(gòu)件，并且有優(yōu)良的延性。此組件將型鋼與活性粉末混凝土兩者的特點(diǎn)進(jìn)行了融合，展現(xiàn)出這幾種優(yōu)點(diǎn)：與素混凝土梁比較，型鋼梁的抗震性能強(qiáng)；與鋼筋混凝土梁比較，型鋼梁可根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)對(duì)內(nèi)置的斷面尺寸進(jìn)行調(diào)整，提高側(cè)向位移強(qiáng)度，避免側(cè)面變形問題，對(duì)于大型橋梁、高層建筑中應(yīng)用有極大優(yōu)勢(shì)；與鋼結(jié)構(gòu)梁比較，型鋼梁節(jié)省大量鋼材，同時(shí)使用由于使用混凝土作為外表防護(hù)層，故而具備一定的防火、防腐能力。

2活性粉末混凝土型鋼梁的發(fā)展

2.1活性粉末混凝土配制

活性粉末混凝土由水泥、礦粉、鋼纖維等材料經(jīng)過攪拌、混合而成，材料強(qiáng)度高、延伸性優(yōu)良。活性粉末混凝土誕生于上世紀(jì)末90年代，由法國的Bouygues實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，研發(fā)初衷是為創(chuàng)造一種強(qiáng)度高、耐久長、韌性強(qiáng)的建筑材料。配置過程可分為三個(gè)時(shí)間段：第一個(gè)時(shí)間段，上世紀(jì)30~60年代，配制高強(qiáng)混凝土所使用主材料是低流動(dòng)性、低水膠比配制成的干硬性混凝土。第二個(gè)時(shí)間段，上世紀(jì)60年代，高效減水劑出現(xiàn)在市場上，并且應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土的配制中，至此低流動(dòng)性問題得到有效解決，但新的弊端是只能維持一段時(shí)間，就像是一些藥物一樣過了藥效會(huì)失效。第三個(gè)階段，上世紀(jì)70年代至今，有學(xué)者提出嘗試將礦物質(zhì)參合料加入高強(qiáng)混凝土中，包括特細(xì)砂及礦粉等，持續(xù)性短的弊端也得到解決[1]。大多國家都已掌握活性粉末混凝土的調(diào)配技術(shù)，并且在應(yīng)用中逐漸趨于成熟。

2.2混凝土型鋼梁抗剪性能相關(guān)研究

2008年有學(xué)者利用10榀型鋼高強(qiáng)高性能混凝土簡支梁的抗剪試驗(yàn)，揭秘影響抗剪性能的主要因素，得到結(jié)果：抗剪承載作用力來自混凝土、型鋼、箍筋三者，并且通過進(jìn)一步的研究提出了抗剪承載力的算法公式。2013年劉明明、蔡靜等學(xué)者，利用7榀預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)混凝土梁，開展了單調(diào)靜力加載的試驗(yàn)研究與非線性有限元數(shù)值分析，展開抗剪性能及延性影響研究，記錄裂縫與撓度的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析，了解各抗剪因素在不相同的條件、環(huán)境下，預(yù)應(yīng)力型鋼超強(qiáng)混凝土梁的荷載-位移曲線[2]。除此之外還有許多大大小小的實(shí)驗(yàn)，人們對(duì)型鋼梁抗剪性能的了解正在漸漸加深。

3活性粉末混凝土型鋼梁抗剪性能試驗(yàn)探究

3.1試件

制作六根界面長度350cm，20cm×30cm的型鋼梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行剪跨比實(shí)驗(yàn)、型鋼活性粉末混凝土強(qiáng)度及含鋼率對(duì)型鋼梁抗剪性能的影響。試件所采用的型鋼規(guī)格為120a與120b，強(qiáng)度為Q235B，兩材料型鋼腹板厚度有2mm的偏差。箍筋設(shè)置參照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的最小配箍率，規(guī)格HRB400。箍筋間距與直徑，分別為20cm、0.8cm，架立筋規(guī)格HRB335，1.2cm直徑。6根試驗(yàn)梁的參數(shù)分別為：（1）試驗(yàn)梁型鋼規(guī)格：120a、120b、120b、120b、120b、120b；（2）剪跨比λ：1.0、1.0、1.0、1.2、1.4、1.8；（3）活性粉末混凝土強(qiáng)度：R150、R150、R120、R120、R120、R120；（4）含鋼率：6.6%、7.4%、7.4%、7.4%、7.4%、7.4%。試驗(yàn)梁制作與RPC力學(xué)性能：澆筑試驗(yàn)梁選擇型鋼粉末混凝土干混料，材料中鋼纖維2%，通過技術(shù)管控調(diào)制不同強(qiáng)度的活性粉末混凝土干混料。選擇臥式澆筑方法制作試驗(yàn)梁，將提前制作的型鋼骨質(zhì)置于模板后澆筑，同時(shí)預(yù)留對(duì)應(yīng)批次的活性粉末混凝土試塊[3]。試驗(yàn)梁澆筑24小時(shí)后拆除模型，模型拆除后對(duì)強(qiáng)度為R120實(shí)驗(yàn)梁進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度R150的試驗(yàn)梁使用80℃水靜養(yǎng)一天后轉(zhuǎn)為常溫養(yǎng)護(hù)。測(cè)量內(nèi)容與加載方案：試驗(yàn)開展借助電液伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)，利用單調(diào)連續(xù)荷載控制分級(jí)加載法控制加載。試驗(yàn)梁上的荷載值由電液伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)控制與測(cè)量，各材料的應(yīng)變由靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)量內(nèi)容有支座處RPC及型鋼的應(yīng)變、箍筋與型鋼的應(yīng)變、剪跨段型鋼活性粉末混凝土等。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

6根試驗(yàn)梁出現(xiàn)不同程度的彎剪破壞，其中試件梁6號(hào)的狀態(tài)最明顯。根據(jù)試驗(yàn)梁處于加載狀態(tài)下所表現(xiàn)出的反應(yīng)，分為彈性、開裂、裂縫擴(kuò)展、破壞四個(gè)階段。彈性階段：型鋼與活性粉末混凝土共同發(fā)揮作用，兩種材料應(yīng)變以線性增長且增幅小。試驗(yàn)梁1號(hào)上翼緣的測(cè)點(diǎn)在加載至開裂前其應(yīng)變值為510×10-6，2~6號(hào)試驗(yàn)梁則相對(duì)較低，撓度在加載前期呈增長趨勢(shì)。開裂階段：當(dāng)加載至極限荷載的30%左右時(shí)，支座處混凝土表面開始呈現(xiàn)出微小裂縫，屬于跨剪裂縫?？鐧z段的腹剪裂縫出現(xiàn)比跨剪裂縫稍晚，主要出現(xiàn)在中心軸附近，由此可見當(dāng)試驗(yàn)梁在承受剪作用力時(shí)，梁頂部單元體水平拉應(yīng)力較中心軸附近單元體主拉應(yīng)力先達(dá)到型鋼活性粉狀混凝土的抗拉強(qiáng)度[4]。發(fā)展階段：彎剪裂縫隨著荷載的增大而增加數(shù)量，但裂縫大小及延伸處于停滯狀態(tài)。而當(dāng)腹剪裂縫時(shí)，跨剪裂縫跟隨荷載的增大，向加載點(diǎn)等處進(jìn)行拓展，并且還會(huì)隨著裂縫的擴(kuò)大蔓延出新的裂縫并向蔓延方向行走。當(dāng)加載超過極限荷載60%時(shí)，型鋼混凝土表面不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生裂縫，已出現(xiàn)的裂縫卻會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大延伸范圍。另從裂縫延伸狀態(tài)分析，型鋼和混凝土未出現(xiàn)滑移，這表明箍筋在發(fā)揮作用，保證活性粉末混凝土能夠與型鋼共同發(fā)揮作用[5]。當(dāng)荷載超過極限荷載70%時(shí)，裂縫發(fā)展成臨界裂縫，試驗(yàn)梁中發(fā)出結(jié)構(gòu)崩壞的聲音，推算是鋼纖維在斷裂，并且隨荷載增大聲音增多。破壞階段：加載超過極限荷載的85%時(shí)，活性粉末混凝土肉眼可見的鼓起，露出崩壞的發(fā)展趨勢(shì)，臨界裂縫演變?yōu)橹餍绷芽p，裂縫寬度進(jìn)一步擴(kuò)大。荷載超過極限荷載90%時(shí)，試驗(yàn)梁中結(jié)構(gòu)崩壞的聲音更加密集，主斜裂縫兩側(cè)活性粉末混凝土被裂縫瓦解失去作用[6]。加載到極限荷載時(shí)，可發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁呈明顯的剪切破壞形態(tài)。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

含鋼率：1號(hào)試驗(yàn)梁的型鋼腹板厚7mm、含鋼率6.6%，2號(hào)試驗(yàn)梁的型鋼腹板厚度9mm、含鋼率7.4%，從試驗(yàn)結(jié)果來看，2號(hào)試驗(yàn)梁的承載力比1號(hào)試驗(yàn)梁高出約10%。從兩根試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展來分析，2號(hào)試驗(yàn)梁裂縫比較密集，裂縫規(guī)模小，而1號(hào)試驗(yàn)梁裂縫發(fā)展比較分散，這表明利用加厚型鋼腹板提高含鋼率，可有效增強(qiáng)型鋼梁的抗剪性能及延性。剪跨比：試驗(yàn)梁3號(hào)到6號(hào)的剪跨比各不相同，剪跨比為1.8的6號(hào)試驗(yàn)梁出現(xiàn)受彎破壞問題。型鋼梁與普通梁相似，抗剪性能及呈現(xiàn)的破壞狀態(tài)受剪跨比影響，因其增大而抗剪性能減小。在試驗(yàn)中，5號(hào)試驗(yàn)在梁極限荷載下出現(xiàn)了受剪破壞狀態(tài)。另外基于試驗(yàn)結(jié)果，型鋼腹板應(yīng)力變化在剛加載時(shí)，以線性分布樣式呈現(xiàn)，與平斷面假定相符，在發(fā)展階段以非線性狀態(tài)增長[7]。

4抗剪承載力計(jì)算

4.1型鋼梁抗剪承載力計(jì)算

梁受剪破壞的原因較多，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出不同的受剪傳力機(jī)理，但始終未統(tǒng)一意見。歐美等國家學(xué)者在開展相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，會(huì)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出相應(yīng)的計(jì)算公式用于計(jì)算抗剪承載力?；钚苑蹱罨炷林械匿摾w維是抗剪性能的主要作用力，使從理論出發(fā)分析活性粉狀混凝土型鋼梁的受剪傳力機(jī)理，及建立便于工程設(shè)計(jì)使用的斜截面承載能力計(jì)算公式的難度大幅提高。基于上文試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，提出相關(guān)簡化計(jì)算模型與計(jì)算公式?；钚苑蹱罨炷列弯摿涸谑芗魻顟B(tài)時(shí)，活性粉狀混合土與型鋼共同發(fā)揮作用承受斜壓，同時(shí)與箍筋承受豎向拉力，因此選擇簡化后的桁架-拱模型進(jìn)行活性粉狀混凝土型鋼梁抗剪承載力計(jì)算。試驗(yàn)梁四點(diǎn)受荷作用可簡化等效為簡支梁受單點(diǎn)集中荷載作用，供壓區(qū)由活性粉狀混凝土和型鋼構(gòu)成[8]。上弦壓桿承受并傳遞斜壓力，型鋼受拉翼緣和受拉鋼筋充當(dāng)下弦拉桿，斜壓桿是斜縫間的活性粉末混凝土，鑒于活性粉末混凝土強(qiáng)度高、抗拉性強(qiáng)，將箍筋作為豎向拉桿時(shí)，需要將活性粉末混凝土的作用力因素考慮在內(nèi)?；诖朔治鲎龀鰞煞N假定：活性粉末混凝土對(duì)抗剪性能的作用力被活性粉狀混凝土抗拉強(qiáng)度所影響。根據(jù)材料力學(xué)性能試驗(yàn)，活性粉狀混凝土抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小，并且試驗(yàn)梁破壞時(shí)剪跨段活性粉狀混凝土呈現(xiàn)的狀態(tài)是抗拉強(qiáng)度控制剪切破壞；不考慮型鋼翼緣與縱筋的銷栓作用?？紤]到型鋼翼緣與縱筋為型鋼梁提供的受剪承載力微乎其微，因此試驗(yàn)梁型鋼翼緣、梁寬比定為0.5，確保型鋼能夠?yàn)榛钚苑勰┗炷撂峁┘s束，兩者共同產(chǎn)生作用。計(jì)算公式可進(jìn)行進(jìn)一步的簡化，將型鋼翼緣與縱筋銷栓作用進(jìn)行忽視，將其作為構(gòu)造措施[9]?；谏鲜觯钚苑勰┗炷恋目辜粜阅芸煞譃槿齻€(gè)部分：一是活性粉末混凝土的抗剪作用；二是箍筋抗剪能力；三是型鋼抗剪能力。活性粉末混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算公式為：通過表抗力系數(shù)α1、β1及γ1來呈現(xiàn)各結(jié)構(gòu)對(duì)斜截面承載力的作用，活性粉末混凝土梁所受剪力v需滿足：公式中ft表活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b指截面寬，h0指截面高，fyv表示箍筋抗拉強(qiáng)度預(yù)算值，Asv指同截面箍筋各肢總截面積，s指沿構(gòu)件長度方向上箍筋的間距，tw指腹板厚度，hw指腹板高度，fv指型鋼抗剪性能預(yù)設(shè)值，通過擬合計(jì)算得到抗力系數(shù)α1、β1與γ1，代入計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算即可[10]。

4.2驗(yàn)證公式

根據(jù)活性粉末混凝土力學(xué)性能指標(biāo)及本次試驗(yàn)的試驗(yàn)梁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并且和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相對(duì)比，得到結(jié)果：一號(hào)梁試驗(yàn)值880（抗剪承載力/KN）、計(jì)算值828；二號(hào)試驗(yàn)梁試驗(yàn)值973、計(jì)算值894；三號(hào)試驗(yàn)梁833、計(jì)算值801；4號(hào)試驗(yàn)梁試驗(yàn)值738，計(jì)算值733；五號(hào)試驗(yàn)梁試驗(yàn)值720，計(jì)算值662；6號(hào)試驗(yàn)梁試驗(yàn)值424，計(jì)算值558?？砂l(fā)現(xiàn)除受彎破壞的6號(hào)試驗(yàn)梁外，1號(hào)到5號(hào)試驗(yàn)梁的試驗(yàn)值略大與計(jì)算值，兩者之比的均方差與變異系數(shù)在0.03，表明當(dāng)前數(shù)據(jù)的型鋼試驗(yàn)梁擬合效果優(yōu)良。

5試驗(yàn)結(jié)論

鑒于型鋼梁在受荷過程中型鋼與活性粉末混凝土能夠共同發(fā)揮作用，型鋼梁在超負(fù)荷下呈現(xiàn)破壞狀態(tài)，造成斜拉破壞概率較低。當(dāng)鋼纖維占材料配比2%時(shí)，型鋼梁出現(xiàn)的裂縫以小而密的態(tài)勢(shì)發(fā)展，裂縫側(cè)混凝土在裂縫擴(kuò)大時(shí)不會(huì)因此而急速崩壞。與普通鋼筋混凝土梁的受剪狀態(tài)相比，型鋼梁展現(xiàn)出更好的延性與破壞狀態(tài)。最后，通過試驗(yàn)結(jié)果，以及簡化桁架拱模型，驗(yàn)算出型鋼梁抗剪性能計(jì)算公式，利用公式展開驗(yàn)算，可有效計(jì)算型鋼梁的抗剪性能，對(duì)于相關(guān)研究或試驗(yàn)有一定的幫助。

作者:李志雙 楊國華 房其娟 單位:山東協(xié)和學(xué)院