高强钢筋活性粉末混凝土梁受剪承载力公式浅析

金凌志， 张猛， 李丽

(桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室 ，广西 桂林 541004)

摘要：为了研究高强钢筋活性粉末混凝土(RPC)简支梁的抗剪承载力，开展了HRB500级钢筋RPC简支梁抗剪性能试验研究，分析纵筋配筋率、配箍率等因素对其抗剪承载力的影响，并将试验数据与国内外规范公式计算结果进行比对分析.基于试验数据，建立半经验半理论抗剪承载力计算公式，计算值与试验值吻合良好，可为类似实际工程设计提供参考.

关键词：活性粉末混凝土；高强钢筋；受剪承载力

收稿日期:2015-04-14；

修订日期：2015-06-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51368013)；广西重点实验项目资助(11-cx-04)

作者简介：金凌志(1959—)，女，桂林理工大学教授，研究方向为结构工程，E-mail:jlz-5904@163.com.

文章编号:1671-6833(2015)05-0092-04

中图分类号：TU375.1；TU371.1

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.020

Abstract:In order to study the shear capacity of the simply supported beams with reactive power concrete (RPC) and high strength reinforcement, this paper carries out the research on shear capacity performance of simply supported RPC beams with HRB500 reinforcement. The influence of longitudinal reinforcement ratio, stirrup reinforcement ratio and other factors on the shear capacity are analyzed, and the data of this experiment and domestic and overseas calculation formulas are compared and analyzed. This paper establishes the half experience and half theory shear capacity calculation formula based on the data of this experiment. The calculation results of the deduced formula agree well with the experiment results, so it can provide references for similar engineering designs.

0引言

活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete,简称RPC)，是一种具有高强度，高耐久性，高延性的超高性能水泥基复合材料[1]，具有广阔的应用前景.单波[2]采用辅助刚性反力架，绘制出RPC200轴心受压的本构关系曲线.李莉[3]通过对6根活性粉末混凝土简支梁正截面受弯性能的试验研究，提出了活性粉末混凝土梁截面抵抗矩塑性系数的计算公式.季文玉等[4]对12根活性粉末混凝土T形简支梁进行了斜截面受剪承载力试验研究，显示剪跨比、配箍率和纵筋配筋率等参数对试验梁的抗剪承载力和破坏形态均有一定影响，剪跨比在1～4范围内，试验梁的破坏形态均为斜压和剪压破坏.这些研究在材料性能、抗弯承载力、变形特性等方面形成了相对成熟的理论.但是在活性粉末混凝土构件抗剪承载力的研究方面还相对薄弱，笔者在活性粉末混凝土中配置HRB500级纵筋，考虑配筋率、配箍率等因素的影响，进行高强钢筋活性粉半经验半理论的抗剪承载力计算公式的建立.

1试验概况

1.1试件设计

4根配有HRB500级钢筋的RPC简支梁，截面尺寸b×h=150 mm×250 mm , 跨度1 800 mm，混凝土设计强度等级C160，纵筋直径25 mm，HRB335级箍筋，剪跨比1<λ≤3，试验主要参数为纵筋配筋率ρ和配箍率ρsv，试件参数见表1.

1.2原材料

RPC配合比见表2，其材料如下：广西兴安海螺牌52.5普通硅酸盐水泥；粒径0.4～0.6 mm石英砂；平均粒径0.1μm，表面积15 000～20 000 m2/kg硅灰粉(主要成分为二氧化硅)；粒径2 μm以下，平均粒径0.31 μm硅微粉；粒径4 μm以下的石英粉；FND浓缩型高效减水剂；镀铜光面平直钢纤维，长度约13 mm，直径约0.15～0.2 mm，抗拉强度>2 000 MPa.

1.3测点布置和加载方案

浇筑RPC梁之前，在剪跨区的箍筋和纵筋上分别粘贴电阻应变片以测量其应变；浇筑完成后养护28 d，保持梁体干燥，在剪跨区腹板布置应变花以研究腹板主应变变化规律；将百分表和千分表分别放置在梁的跨中和支座处，以测量梁的整体变形,见图1.试验方法采用单调静载加载，在距支座1/4处两点集中加载，加载方法参考文献[5]执行，应变数据通过DH3816静态应变测试系统采集，荷载等级由传感器控制(UMID- ACELL压力传感器).

2试验结果与各国规范抗剪强度公式计算结果比对分析

普通钢筋混凝土简支梁在剪力和弯矩共同作用下，主要有斜拉破坏、斜压破坏和剪压破坏，由于剪压破坏的影响因素很多，国内外设计规范大都通过大量的试验研究，采用数理统计分析的方法，建立半经验半理论的抗剪承载力计算公式.对于高强钢筋RPC简支梁，是否可以套用国内外现行设计规范，进行抗剪承载力的计算，是笔者期待解决的问题,表3为混凝土规范计算值与试验值的对比表.

同理，如表3分别将试验结果与我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[6]抗剪强度公式计算值比对分析发现，标准差0.04，离散系数为0.114.将试验结果与《加拿大混凝土

表1　试件参数

注：架立筋和箍筋采用直径6 mm光圆直钢;纯弯段箍筋间距150 mm;ρsv配箍率;ρ纵筋配筋率.

表2　RPC质量配合比

图1试件加载及钢筋应变片和混凝土应变花布置示意图

Fig.1Loading device, geometric parameters of specimens and the arrangement of reinforcement strain

gauge and RPC strain rosette

表3　混凝土规范公式计算值与试验值对比表

结构设计规范(CSAA23.3—2004)》[7]抗剪强度公式计算值以及《美国建筑混凝土结构规范及条文说明(ACI318—08)》[8]抗剪强度公式计算值进行对比分析，其标准差、离散系数分别为0.146、0.229和0.137、0.329.

可见，试验梁的实测值与按各规范抗剪承载力计算公式的计算值相比，规范的理论计算值都远远小于试验实测值，说明采用前述各规范公式计算高强钢筋活性粉末混凝土梁抗剪承载力，都过于保守，且离散系数较大，应该进行修正和完善，找到比较适用于在活性粉末混凝土梁中配置强度较高钢筋的抗剪承载力计算公式.

3高强钢筋RPC梁半经验半理论抗剪计算公式探讨

由于剪压破坏的影响因素很多，目前，试验的实测值与按各规范抗剪承载力计算公式的计算值进行比对分析得出规范理论计算值都远远小于试验实测值，过于保守，且离散系数较大.以下对普通混凝土梁抗剪承载力计算公式中的主要参数进行修正和完善，找出了一个比较适用于在活性粉末混凝土梁中配置高强钢筋的抗剪承载力计算公式.

3.1计算公式主要参数分析

(2)剪跨比λ.大量试验研究表明，剪跨比λ与钢筋混凝土梁抗剪承载力的关系较为紧密，承载力随着剪跨比的增大而变小(1<λ≤3)，当λ>3时，承载力急剧下降.根据试验数据，参考文献[6]，结合笔者的试验成果，将高强钢筋活性粉末混凝土简支梁剪跨比的影响形式确定为2.5/(λ+1).

3.2RPC简支梁抗剪承载力计算的建议公式

根据上述分析和陈彬[12]关于预应力RPC梁的抗剪承载力的研究等，高强钢筋RPC简支梁抗剪承载力计算也采用两项式相叠加的形式

Vu=Vc+Vs.

(1)

式中：Vc为混凝土抗剪强度，包含了纵筋配筋率的影响

(2)

Vs为箍筋抗剪强度

(3)

则高强钢筋活性粉末混凝土的计算公式为：

(4)

式中：fc为活性粉末混凝土轴心抗压强度；fyv为箍筋的屈服强度;λ为剪跨比，当λ>3时取λ=3，

当λ<1时，λ=1；

3.3建议公式与试验结果的比较

表4将笔者建议计算公式(4)的计算值与活性粉末混凝土简支梁试验结果进行比对分析，计算结果和试验结果的比值Vcal/Vexp为0.99，标准差0.009 6，变异系数0.009 7，建议公式计算值与试验实测值吻合良好，且变异系数较小，表明采用该公式进行高强钢筋PRC简支梁抗剪承载力计算可行而且可信.

4结论

(1)将笔者试验数据与各国规范抗剪承载力公式计算结果进行比对分析，规范公式值都偏于保守，而且变异系数都比较大，这是因为RPC远高于各国规范所规定的混凝土强度等级取值范围.

表4　建议公式计算值与试验值的对比表

参考文献(2)结合试验数据和建立的高强钢筋活性粉末混凝土简支梁半经验半理论抗剪承载力计算公式，计算值和试验结果吻合良好，可以为实际工程承受集中荷载的高强钢筋PRC简支梁抗剪承载力计算提供参考，其适用范围为斜截面裂缝出现之前，且剪跨比1<λ≤3.

(3)试验梁数目较少，梁截面形式单一，建立的高强钢筋活性粉末混凝土简支梁半经验半理论抗剪承载力计算公式的实用性有待进一步考证，应该进行更多参数的试验研究与比对分析.

[1]DUGAT J, ROUX N, BERNIER G. Mechanical Properties of Reactive Powder and Structures.1996, 29(4): 233-240.

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[6]JTGD62—2004, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京:人民交通出版社,2004.

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[12]陈彬.预应力RPC梁抗剪性能研究[D].长沙：湖南大学土木工程学院，2007.

Analysis of Shear Capacity Formula of Reactive Power Concrete Beams

with High Strength Reinforcement

JIN Ling-zhi, ZHANG Meng, LI Li

(Key laboratory of Guangxi geotechnical mechanics and Engineering, Guilin University of Technology Guilin 541004 China.)

Key words: reactive power concrete; high strength reinforcement; shear capacity