活性粉末混凝土T形梁抗剪试验研究.pdf

第 3 2 卷 ， 第 5 期 2 0 1 1年 9月 中 国 铁 道 科 学 CH I N A RAI I W AY SCI ENCE Vo 1 3 2 No 5 Se pt e m b e r ， 2 01 1 文章编号：1 0 0 1 4 6 3 2( 2 0 1 1 )0 5 0 0 3 8 0 5 活性粉末 混凝土 T形梁抗 剪试验研究 季文玉，丁 波，安 明拮 ( 北京交通大学 土木 与建筑工程学院 ，北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要i通过改变模型试验梁的剪跨比、配箍率和纵筋配筋率，对 1 2根钢筋活性粉末混凝土 ( RP C )T形 试验梁进行试验，研究活性粉末混凝土 T形梁抗剪承载力和破坏形态及主要影响因素。结果表明：与普通混凝 土梁相比，活性粉末混凝土 T形试验梁具有较高的抗剪承载力和变形能力 ；剪跨 比在 1 4范围内时，试验梁的 破坏 形态表现为斜压 和剪压破坏 ，且与普通混凝 土梁 的破 坏形 态有着 明 显差 异 ；剪跨 比、配箍率 和纵筋 配筋 率 对试验梁的抗剪承载力影响显著 ，抗剪承载力随着剪跨 比的增大而减小，随配箍率的提高而提高，随纵筋配筋 率的增大而增大 。 关键词：活性粉末混凝土；T型梁；抗剪承载力；抗剪破坏形态；剪跨比；配筋率 中图分类号 ：U4 4 4 ：U4 4 8 3 5 文献标识码：A 活性粉末混凝 土 ( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e ， RP C)是一种具有高强度、高耐久性 、高延性 的新 型高性能混凝土材料 1 。自其 问世 以来 ，国内外 学者对其材料性能、抗弯承载力、变形特性等方面 的研究较多 ，而对抗剪破坏性能及其承载力的研究 很少 。作为一种具有较高抗压 、抗拉强度的高性能 混凝土 ，在材料组成方面与普通混凝土的区别决 定 了活性粉末混凝土梁的剪切破坏过程有别于普通 混凝土梁的破坏过程。本文根据活性粉末混凝土的 基本力学性 能，考虑剪跨 比、配箍率、纵筋配筋率 等影响因素 ，进行 活性粉末混凝 土 T形 梁的抗剪 性能试验研究 。 1 试 验概况 1 1 试件设计与制作 试验设计 了 1 2片 T形梁 ，各试验梁的截面尺 寸相同，截 面尺寸及配筋如图 1 所示。除其 中 2片 不加碎石外 ，其余 l 0片在原始 活性 粉末混凝土配 合 比 中增加碎石替代部分石英砂 ，在保证材料强 度前提下 ，改善其施工性能和经济性。试验梁养护 经过静停 、初养、终养及 自然养护 4 个阶段 ，蒸汽 养护的温度采用 自动控制系统 。试验梁活性粉末混 凝土配合比见表 l 。各试验梁参数见表 2 。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 1 - 2 0 ； 修订 日期 ：2 0 1 1 - 0 7 3 基金项 目：铁道部科技研究开发计划项 目 ( 2 0 1 0 G0 0 4 一 M) 作者简介 ：季文玉 ( 1 9 6 0 ) ，男 ，辽 宁北票人 ，教授 ，博 士生导 师。 一 ：暑 霉 _ _ ： = ： = 厂 l 一 保 护 屡 2I ITIrl 箍 筋0 6 L 主 】 护 层l l m n l! 1 ( a ) 截面尺寸 ( b ) 配筋图 图 l 试验梁截面尺寸及配筋图 ( 单位：mm) 表 1 试验用活性粉末混凝土配合比 k g m 活性粉末混凝 土的水泥采用 4 2 5号普通硅 酸 盐水泥。为保证梁在受剪破坏之前有足够 的抗弯能 力 ，纵筋 采 用 HR B 3 3 5级 B 2 8和 B 3 2 。试 验 梁 L - 1 1 0 0 一 a _ 8 的箍筋 梁采用 Q2 3 5级 A8 ，其他梁 采 用 Q2 3 5 级 A6 。 1 。 2 加载方式和测试方案 试验采用千斤顶和荷载分配梁系统对试验梁进 行两点对称集 中加载 ，以便在跨 中形成纯弯段 ，两 集 中荷载 由压力传感器通过应变测量系统进行监控 叠 水 l 鎏 l 兰 断 。 栅 枵l _ 第 5期 活性粉末混凝土 T形梁抗剪试验研究 加载 。试验装置如图 2所示 。正式加载前先进行预 加载，确定各测量仪器工作状态正常，然后再缓慢 加载直至破坏。 表 2 试验梁参数 试件编号 辙 m m r n 注：试件编号中1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0为箍筋间距，mm；a ，b ，C 代表不同的纵 筋配筋率。 P上千 斤 顶 试验梁 ? = 3 1 l I I = 一_ L L- L L_ l 2 一一一： 底纵梁 1 为箍筋应变片 ，2为纵筋应 变片 ，3为跨 中活性 粉末 混凝土 表面 应变片 ，4为剪跨区活性粉末混凝土表面应 变花 图 2 加载装置及测点布置示意图 测试内容包括 ：通过梁底的位移计测量试验梁 在荷载作用下的跨中挠度 ；布置剪跨区箍筋应变片 以研究箍筋应力变化规律 ；在加载点及跨中处的纵 筋上布置应变片测量纵筋应变 ；为研究梁纯弯段混 凝土的应变 ，在跨中截面布置混凝土应变片 ；在剪 跨腹板布置应变花研究混凝土主应变变化规律 ，典 型测点布置如图 2 所示。在试验过程中，考察梁体 裂缝 的发生 、发展情况以及分布规律，记录其开裂 荷载和极限抗剪承载力 。试验数据通过 D H3 8 1 6 应 变测量系统 自动连续采集。 2 试验结果及分析 试验梁的试验结果汇总于表 3 ，其中斜裂缝开 裂荷载均为 肉眼能够观察到裂缝时的荷载值 。剪跨 比 = = = 1的 3 根试验梁 ，由于具有很高的抗压强度 ， 试验未进行到梁的最后完全破坏状态。 表 3 试验结果 注 ： 为 1 0 c m边长 的立方体试块抗压 强度 ；P 为斜裂缝开裂 荷 载 ；P 为试件极限破坏荷载 ；f为破坏时梁 的跨 中挠度 。 2 1 破 坏 形态 剪跨比决定混凝土梁的破坏形式_ 5 。根据试验 结果将活性粉末混凝土试验梁的破坏形态归纳为以 下 2类 。 2 1 1 斜 压破 坏 剪跨比 一1的试验梁发生此类破坏 。该破坏 与普通混凝土梁剪切破坏形态类似 ，首先在加载点 和支座之间出现一些近似平行的斜裂缝 ，随着荷载 的加大 ，斜裂缝相互贯通 ，将梁腹分割成若干个倾 斜的小柱体 。最后在剪跨内形成主裂缝 。破坏时小 柱体内混凝土被压碎成小块 ，但 由于活性粉末混凝 土 中参有钢纤维 ，加载过程中没有出现崩裂现象 。 2 1 2剪压破坏 剪跨比 一2 ，3 ，4的试验梁均发生此类破坏 。 由于活性粉末混凝 土 中钢纤维 的阻裂作用 ，导致 一2的试件梁基本没有弯 曲斜裂缝 ，而仅 在较大 剪跨比 一3和 4的梁底 出现少量弯 曲斜裂缝 。荷 载作用下 ，在腹板剪跨区不断出现一系列腹剪斜裂 缝 ，分布多而密 ，并逐渐贯通后形成主斜裂缝。主 斜裂缝出现后 ，就很少有新的斜裂缝出现。主斜裂 缝随着荷载的增加而变宽 ，伴有钢纤维不断被拔出 的声音 ，最终穿过斜裂缝的箍筋被拉断而破坏，表 现出较好 的延性 。破 坏过程 中没有混凝土碎块进 出，与临界斜裂缝平行的其他裂缝也有不同程度的 张开，沿破坏斜截面产生 明显的破碎带 ，其 中 入 一 4的试验梁出现了 3 条宽 2 c m左右的主斜裂缝 。 2 2 试验结果分析 2 2 1 平截面假 定的验证 由于篇幅所限 ，图 3仅列出了剪跨 比 一1 4 4 0 中国铁道科学 第 3 2卷 的 4片试验梁纯弯段正截面应变分布。由图 3 可 以 看 出：试验梁的跨中截面沿高度方向的应变分布近 基本不变。这是 因为活性粉末混凝 土抗拉强度高 ， 梁底仅有少量弯曲裂缝 ，且发展不充分 ，不足以引 似符合平截面假定 。随着荷载增加 ，中性轴的位置 起 中性轴上移 。 昌 髓 g 乓 褪 世 黔 应变 1 0 f a 1 L 一 1 1 0 0 一 a 一 -v- - - 4 0 0 k N 应变 1 0 - 4 ( c ) L 一 3 1 0 0 一 a _虽 枉 臣 避 黑 键 世 -,i - - ok N - 一 0 2 o 0k N 4 0 0kN 一 一6 0 0 k N 一 - 4 - - 8 0 0 k N 一 、 0-_f 应变 1 0 I 4 ( b ) L 一 2 1 0 0 - a 。 。 蕊 -I-400蚕 、 。 图 3 部 分试 件跨 中各截面应变 2 2 2 荷 载一挠 度 曲 线分析 根据试验现场采集的数据绘 出了不同剪跨 比、 配箍率及纵筋配筋率水平下的荷载一跨中挠度曲线 如图 4 所示 。从 图中可 以看 出，在 主裂缝 出现前 ， 梁处于弹性工作阶段 ，曲线基本呈线性增长，之后 进入非弹性工作阶段 ，曲线斜率变缓。试验梁的荷 载一跨 中挠度 曲线均较 为平 滑 ，并 未 出现 明显折 点 ，这是 由于活性 粉末混凝 土 中钢纤 维的桥架作 用 ，试验梁开裂后裂缝很细 ，且开裂位置处的混 凝土还可以继续承担应力 ，在开裂点其刚度没有发 生很大突变 ，故荷载一跨 中挠度 曲线较平滑。 由图 4( a )可以看 出，在相 同配箍率和纵 筋 配筋率下，试验梁的抗剪承载力随着剪跨 比的增大 而减小 ，跨 中挠度随着剪跨 比的增大而增大。由图 4( b )可以看出 ，提高纵筋配筋率 p 可 以提高梁的 变形能力和抗剪承载力 ，但当 p过高时提高作用并 不明显 。由图 4 ( c )可 以看 出，不 同配箍率试 验 梁的荷载一跨中挠度 曲线发展较一致 ，说 明配箍率 对试验梁 的弯曲刚度影响很小 ，但可以提高试验梁 的抗 剪强度 和变形 能力 。由图 4( d )可 以看 出， 含碎石和不含碎石的试验梁荷载一跨 中挠度曲线发 应变 1 0 “ ( d ) L _ 4 一 l O O a 展也较一致。 2 2 3 抗剪承载力的影响因素 1 )剪跨 比的影响 剪跨 比对 试验梁抗剪承载 力的影响如 图 5所 示。剪跨 比决定梁 的破坏形式和 P 的大小l 5 ，在 其他条件一定时 ， 活性粉末混凝土梁 的抗剪承载力 随着剪跨 比的增大而减小。当剪跨 比由小增 大时， 梁的破坏形态从混凝土抗压强度控制的斜压型转化 为顶部受压区和斜裂缝 骨料 咬合等控制 的剪压型， 抗剪承载力下降趋势逐渐变小 。 2 )配箍率的影响 提高配箍率 ，活性粉末混凝土梁的抗剪承载力 也随之提高 ，但对斜裂缝开裂影响很小 。如图 6所 示 ，活性粉 末混 凝 土梁 配箍 率从 0 2 3 5 增加 到 0 3 1 4 ，抗剪承载力提高了 1 4 ；而从 0 3 1 4 增加到 0 4 7 1 ，抗剪承载力提高 了 9 6 9 6 。可 见 在一定范围内，配箍率的提高能提高梁的抗剪承载 力 ，配箍率越高抗剪承载力提高的幅度越大。 3 )纵筋率的影响 为保证试验梁发生剪切破坏 ，试验梁配置 了较 高的纵筋配筋率 。从图 7可见 ，活性粉末混凝土试 第 5期 活性粉末混凝土T形梁抗剪试验研究 4 1 矗 星 蜜 R 密 柩 枢 栏 0 5 1 O l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 O 跨 中挠度 mm ( a 】不同剪跨比 O 5 l 0 1 5 2 0 跨中挠度 mm ( c )不同配箍率 跨中挠度 mm ( b )不同纵筋配筋率 图 4 荷载一跨中挠度曲线 剪跨比 图 5 剪跨比对抗剪承载力的影响 配箍率p 图 6 配箍率对抗剪承载力的影响 验梁抗剪承载力随着纵筋配筋率的增大而增大。纵 筋配筋率越小 ，对抗剪承载力的影响越显著 。 襁 1 跨中挠度 mm ( d )含碎石与不含碎石 纵筋配筋率 图 7 纵筋率对抗剪承载力影响 3 结论 ( 1 )活性粉末混凝 土 T形试验梁 的剪切破坏 形态和普通混凝土梁不同，剪跨 比 一1 4的试验 梁仅呈现斜压和剪压 2种破坏形态 ，尤其 3的 试验梁的破坏完全不同于普通混凝土梁的斜拉破坏 形态。对于活性粉末混凝土梁不同剪切破坏形态的 剪跨比界限还需进一步研究。 ( 2 )由于活性粉末混凝土中钢纤维的 “ 桥架” 作用 ，约束 了斜裂缝 的开裂和发展 ，提高了活性粉 末混凝土梁的变性能力 ，故其荷载一挠度曲线较平 滑。剪跨比越大，跨 中挠度越大 。提高纵筋配筋率 O 2 O 8 6 4 2 暴掉 枷伽抛咖渤 枷瑚。 4 2 中国铁道科学 第 3 2卷 有利于梁的变形能力 ，而配箍率对梁跨 中挠度影响 较 小 。 ( 3 )活性粉末混凝土试验梁的抗剪承载能力随 1 E 2 4 5 6 剪跨 比的增大而减小 ，随配箍率 的提高而提高， 纵筋配筋率的增大而增大 ；且纵筋配筋率越小 ， 响越显著 。 参 考 文 献 RI CHAR D P ，C HE Y RE Z Y M_C o mp o s i t i o n o f R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e s J C e me n t a n d Con c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 5 1 1 D UGA T J ，RO UX N，B E RNI E R G Me c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f R e a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ，l 9 9 6 ，2 9 ( 5 ) ：2 3 3 2 4 0 龙广成活性粉末混凝土力学性能的试验研究 J 混凝土，2 0 0 4( 9 ) ：4 4 4 5 ( L O NG Gu a n g c h e n g Me c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f Re a c t i v e P o w d e r Con c r e t e( R P C ) J Co n c r e t e ，2 0 0 4( 9 ) ：4 4 4 5 i n Ch i n e s e ) 石秋君碎石活性粉末混凝土抗压力学性能试验研究 D 北京：北京交通大学，2 0 1 0 ( S HI Qi u j u n S t u d y o n Comp r e s s i v e S t r e n g t h o f Gr a v e l Re a c t i v e P o wd e r Co n c r e t e D B e ij i n g ：B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，2 0 1 0 i n Ch i n e s e ) 过镇海，时旭东钢筋混凝土原理和分析 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 3 ：2 7 2 2 8 0 张宏战钢纤维高强混凝土梁抗剪性能试验研究 I- D 大连：大连理工大学 ，2 0 0 5 ( Z HAN G Ho n g z h a E x p e r i me n t a l S t u d y o n S h e a r P e r f o r ma n c e o f Hi g h S t r e n g t h C o n c r e t e B e a ms D D a l i a n ： Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，2 0 0 5 i n Ch i n e s e ) Ex pe r i m e nt a l S t u d y o n t he S he a r Ca p a c i t y o f Re a c t i v e Po wd e r Co nc r e t e T- Be a ms J I W e n y u，DI NG Bo，AN Mi n g z h e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， B e ij i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， Be ij i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ex p e r i me n t s o f 1 2 r e i n f o r c e d r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e( RP C)T s h a p e d t e s t b e a ms wi t h d i f f e r e n t s he a r s p a n d e p t h r a t i o s s t i r r u p r a t i o s a n d l o n g i t u d i n a 1 r e i n f o r c e me n t r a t i o s we r e c a r r i e d o u t Th e s h e a r s t r e n g t h s ，f a i l u r e p a t t e r n s a n d t h e i r ma i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f r e i n f o r c e d RP C T- s h a p e d b e a ms we r e i n v e s t i g a t e d Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t T s h a p e d RP C t e s t b e a ms p o s s e s s h i g h e r s h e a r s t r e ngt h a n d b e t t e r d e f or ma t i o n c a pa c i t y c o mpa r e d wi t h n or m a l c o nc r e t e b e a m s W he n s he a r s pa n - d e pt h r a t i o s a r e i n t h e r a n g e f r o m 1 t o 4 ，t h e f a i l u r e p a t t e r n s o f t e s t b e a ms r e p r e s e n t t o b e d i a g o n a l c o mp r e s s i o n f a i l u r e a n d s h e a r c o mp r e s s i o n f a i l u r e ，wh i c h a r e q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h e f a i l u r e p a t t e r n s o f n o r ma l c o n c r e t e b e a mTh e s h e a r s p a n - d e p t h r a t i o s ，s t i r r u p r a t i o s a n d l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e me n t r a t i o s h a v e g r e a t e f f e c t o n t h e s h e a r s t r e n g t h o f t e s t b e a ms Th e s h e a r s t r e n g t h d e c l i n e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e s h e a r s p a n - d e p t h r a t i o a n d e n h a n c e s wi t h t h e i n c r e a s e o f s t i r r u p r a t i o a n d l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e me n t r a t i o Ke y wo r d s ：Re a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ；T- s h a p e d b e a m ；S h e a r s t r e n g t h；S h e a r f a i l u r e p a t t e r n；S h e a r s p a n d e p t h r a t i o；Re i n f o r c e me n t r a t i o ( 责任编辑吴彬 ) 随 影