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，需進行進一步的研究。本文闡述了國內(nèi)外對活性粉末混凝土受力性能，以及我國部分學(xué)者對于混凝土型鋼梁抗剪性能研究，并開展試驗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)方面的價值。

1型鋼梁概述

社會發(fā)展推動著現(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，建筑工程對強度很高、適用性更強的新型結(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進行了融合，展現(xiàn)出這幾種優(yōu)點：與素混凝土梁比較，型鋼梁的抗震性能強；與鋼筋混凝土梁比較，型鋼梁可根據(jù)實際需求隨時對內(nèi)置的斷面尺寸進行調(diào)整，提高側(cè)向位移強度，避免側(cè)面變形問題，對于大型橋梁、高層建筑中應(yīng)用有極大優(yōu)勢；與鋼結(jié)構(gòu)梁比較，型鋼梁節(jié)省大量鋼材，同時使用由于使用混凝土作為外表防護層，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，材料強度高、延伸性優(yōu)良?；钚苑勰┗炷琳Q生于上世紀(jì)末90年代，由法國的Bouygues實驗室研發(fā)，研發(fā)初衷是為創(chuàng)造一種強度高、耐久長、韌性強的建筑材料。配置過程可分為三個時間段：第一個時間段，上世紀(jì)30~60年代，配制高強混凝土所使用主材料是低流動性、低水膠比配制成的干硬性混凝土。第二個時間段，上世紀(jì)60年代，高效減水劑出現(xiàn)在市場上，并且應(yīng)用于高強混凝土的配制中，至此低流動性問題得到有效解決，但新的弊端是只能維持一段時間，就像是一些藥物一樣過了藥效會失效。第三個階段，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榀型鋼高強高性能混凝土簡支梁的抗剪試驗，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)力型鋼超高強混凝土梁，開展了單調(diào)靜力加載的試驗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)，而后對試驗數(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驗，人們對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探究

3.1試件

制作六根界面長度350cm，20cm×30cm的型鋼梁進行實驗，進行剪跨比實驗、型鋼活性粉末混凝土強度及含鋼率對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根試驗梁的參數(shù)分別為：（1）試驗梁型鋼規(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%。試驗梁制作與RPC力學(xué)性能：澆筑試驗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)制不同強度的活性粉末混凝土干混料。選擇臥式澆筑方法制作試驗梁，將提前制作的型鋼骨質(zhì)置于模板后澆筑，同時預(yù)留對應(yīng)批次的活性粉末混凝土試塊[3]。試驗梁澆筑24小時后拆除模型，模型拆除后對強度為R120實驗梁進行常溫養(yǎng)護，強度R150的試驗梁使用80℃水靜養(yǎng)一天后轉(zhuǎn)為常溫養(yǎng)護。測量內(nèi)容與加載方案：試驗開展借助電液伺服壓力機控制系統(tǒng)，利用單調(diào)連續(xù)荷載控制分級加載法控制加載。試驗梁上的荷載值由電液伺服壓力機控制系統(tǒng)控制與測量，各材料的應(yīng)變由靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)自動采集。實驗測量內(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試驗結(jié)果

6根試驗梁出現(xiàn)不同程度的彎剪破壞，其中試件梁6號的狀態(tài)最明顯。根據(jù)試驗梁處于加載狀態(tài)下所表現(xiàn)出的反應(yīng)，分為彈性、開裂、裂縫擴展、破壞四個階段。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。試驗梁1號上翼緣的測點在加載至開裂前其應(yīng)變值為510×10-6，2~6號試驗梁則相對較低，撓度在加載前期呈增長趨勢。開裂階段：當(dāng)加載至極限荷載的30%左右時，支座處混凝土表面開始呈現(xiàn)出微小裂縫，屬于跨剪裂縫。跨檢段的腹剪裂縫出現(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)試驗梁在承受剪作用力時，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，跨剪裂縫跟隨荷載的增大，向加載點等處進行拓展，并且還會隨著裂縫的擴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，型鋼混凝土表面不會繼續(xù)產(chǎn)生裂縫，已出現(xiàn)的裂縫卻會進一步的擴大延伸范圍。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，裂縫發(fā)展成臨界裂縫，試驗梁中發(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，活性粉末混凝土肉眼可見的鼓起，露出崩壞的發(fā)展趨勢，臨界裂縫演變?yōu)橹餍绷芽p，裂縫寬度進一步擴大。荷載超過極限荷載90%時，試驗梁中結(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，可發(fā)現(xiàn)試驗梁呈明顯的剪切破壞形態(tài)。

3.3試驗結(jié)果分析

含鋼率：1號試驗梁的型鋼腹板厚7mm、含鋼率6.6%，2號試驗梁的型鋼腹板厚度9mm、含鋼率7.4%，從試驗結(jié)果來看，2號試驗梁的承載力比1號試驗梁高出約10%。從兩根試驗梁的裂縫發(fā)展來分析，2號試驗梁裂縫比較密集，裂縫規(guī)模小，而1號試驗梁裂縫發(fā)展比較分散，這表明利用加厚型鋼腹板提高含鋼率，可有效增強型鋼梁的抗剪性能及延性。剪跨比：試驗梁3號到6號的剪跨比各不相同，剪跨比為1.8的6號試驗梁出現(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。在試驗中，5號試驗在梁極限荷載下出現(xiàn)了受剪破壞狀態(tài)。另外基于試驗結(jié)果，型鋼腹板應(yīng)力變化在剛加載時，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抗剪承載力計算

4.1型鋼梁抗剪承載力計算

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)試驗時，會以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出相應(yīng)的計算公式用于計算抗剪承載力?；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理，及建立便于工程設(shè)計使用的斜截面承載能力計算公式的難度大幅提高?；谏衔脑囼炏嚓P(guān)數(shù)據(jù)，提出相關(guān)簡化計算模型與計算公式?；钚苑蹱罨炷列弯摿涸谑芗魻顟B(tài)時，活性粉狀混合土與型鋼共同發(fā)揮作用承受斜壓，同時與箍筋承受豎向拉力，因此選擇簡化后的桁架-拱模型進行活性粉狀混凝土型鋼梁抗剪承載力計算。試驗梁四點受荷作用可簡化等效為簡支梁受單點集中荷載作用，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度高、抗拉性強，將箍筋作為豎向拉桿時，需要將活性粉末混凝土的作用力因素考慮在內(nèi)。基于此分析做出兩種假定：活性粉末混凝土對抗剪性能的作用力被活性粉狀混凝土抗拉強度所影響。根據(jù)材料力學(xué)性能試驗，活性粉狀混凝土抗拉強度比抗壓強度小，并且試驗梁破壞時剪跨段活性粉狀混凝土呈現(xiàn)的狀態(tài)是抗拉強度控制剪切破壞；不考慮型鋼翼緣與縱筋的銷栓作用。考慮到型鋼翼緣與縱筋為型鋼梁提供的受剪承載力微乎其微，因此試驗梁型鋼翼緣、梁寬比定為0.5，確保型鋼能夠為活性粉末混凝土提供約束，兩者共同產(chǎn)生作用。計算公式可進行進一步的簡化，將型鋼翼緣與縱筋銷栓作用進行忽視，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€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?；钚苑勰┗炷亮旱目辜舫休d力計算公式為：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度設(shè)計值，b指截面寬，h0指截面高，fyv表示箍筋抗拉強度預(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，通過擬合計算得到抗力系數(shù)α1、β1與γ1，代入計算式進行計算即可[10]。

4.2驗證公式

根據(jù)活性粉末混凝土力學(xué)性能指標(biāo)及本次試驗的試驗梁參數(shù)進行計算，并且和試驗結(jié)果進行相對比，得到結(jié)果：一號梁試驗值880（抗剪承載力/KN）、計算值828；二號試驗梁試驗值973、計算值894；三號試驗梁833、計算值801；4號試驗梁試驗值738，計算值733；五號試驗梁試驗值720，計算值662；6號試驗梁試驗值424，計算值558?？砂l(fā)現(xiàn)除受彎破壞的6號試驗梁外，1號到5號試驗梁的試驗值略大與計算值，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)的型鋼試驗梁擬合效果優(yōu)良。

5試驗結(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，型鋼梁出現(xiàn)的裂縫以小而密的態(tài)勢發(fā)展，裂縫側(cè)混凝土在裂縫擴大時不會因此而急速崩壞。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，通過試驗結(jié)果，以及簡化桁架拱模型，驗算出型鋼梁抗剪性能計算公式，利用公式展開驗算，可有效計算型鋼梁的抗剪性能，對于相關(guān)研究或試驗有一定的幫助。

作者:李志雙 楊國華 房其娟 單位:山東協(xié)和學(xué)院