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本文作者：刁波、封云、葉英華、楊松霖單位：北京航空航天大學(xué)土木系、中建一局集團(tuán)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司、中國建筑設(shè)計(jì)研究院

超高性能基體混凝土采用PI42.5水泥，粉煤灰和硅灰的替代率分別為30%和10%，液態(tài)聚羧酸減水劑使水膠比降為0.15，減水劑液體含量包含在混凝土配合比總用水量中。超高性能混凝土用料及配比見表1。試件分A、B兩類，兩類試件都采用工程廣泛應(yīng)用的拉拔鋼絲切斷型超細(xì)纖維(簡稱“超細(xì)纖維”，記X)和拉拔鋼絲切斷型端彎纖維(簡稱“端彎纖維”，記W)，兩種纖維詳細(xì)參數(shù)見表2，纖維體積率根據(jù)前期材性試驗(yàn)結(jié)果［10］，取體積摻率為2%，按X∶W=3∶1混合比例。A類試件是超高性能混合鋼纖維混凝土梁(尺寸為400mm×100mm×100mm，簡稱“纖維小梁”)力學(xué)性能試驗(yàn);B類是配置550MPa縱向受拉鋼筋的超高性能混合纖維混凝土無腹筋梁(尺寸為1200mm×220mm×120mm，簡稱“鋼筋纖維梁”)受剪性能試驗(yàn)。為便于試驗(yàn)結(jié)果比較，均設(shè)計(jì)了相同基體混凝土對比梁。A類試件包括對比梁(編號(hào)分別為DA－1a和DA－1b)和纖維小梁(編號(hào)分別為A－2a、A－2b)兩組，纖維小梁的纖維體積摻率為2%，超細(xì)纖維與端彎纖維的混合比例為3∶1。每組小梁有兩個(gè)梁試件和3個(gè)100mm的立方體試件。B類鋼筋纖維梁的縱向受拉鋼筋為416(總面積804mm2)，配筋率為4%，鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度550MPa，極限強(qiáng)度700MPa。梁試件詳細(xì)尺寸和鋼筋布置見圖1。梁試件按剪跨比分λ為2.5和3兩組，每組包括兩根無腹筋纖維梁(編號(hào)分別為BJ－2.5a、BJ－2.5b和BJ－3a和BJ－3b)和一根對比梁(DB－2.5和DB－3)，對比梁的尺寸、配筋、混凝土配比都與鋼筋纖維梁相同，不同點(diǎn)是無鋼纖維，B類總計(jì)6個(gè)梁試件;具體編號(hào)和相關(guān)參數(shù)見表3。圖2為纖維小梁抗彎試驗(yàn)加載裝置圖，采用3分點(diǎn)加載，純彎段長度為100mm。加載速度通過固定于梁跨中的位移傳感器控制，跨中加載速率為0.3mm/min。試驗(yàn)在1000kN萬能試驗(yàn)機(jī)上完成。鋼筋纖維梁采取集中荷載加載方式，剪跨比為2.5的梁為兩點(diǎn)加載，兩加載點(diǎn)間距150mm;剪跨比為3的梁在跨中單點(diǎn)加載。加載裝置如圖3所示，千斤頂加載由荷載傳感器讀數(shù)。分級(jí)加載，當(dāng)試驗(yàn)梁接近開裂及破壞時(shí)適當(dāng)減少加載增量值，以便準(zhǔn)確捕捉開裂荷載和極限荷載。測點(diǎn)布置見圖1，受拉縱筋上預(yù)埋應(yīng)變片，混凝土應(yīng)變片布置在彎剪段可能出現(xiàn)斜裂縫的區(qū)域及混凝土剪壓區(qū)并與斜裂縫方向垂直。試驗(yàn)梁的荷載、撓度、鋼筋和混凝土應(yīng)變等數(shù)據(jù)通過IMP(isolatedmeasurementpods)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)錄入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz。試驗(yàn)加載過程中，繪制了鋼筋纖維梁的裂縫發(fā)展情況，同時(shí)用數(shù)碼相機(jī)記錄整個(gè)破壞過程。

纖維小梁試驗(yàn)結(jié)果及分析

纖維小梁的最終試驗(yàn)結(jié)果見表4，破壞形態(tài)見圖4。由圖4可見，對比小梁DA－1垂直裂縫一出現(xiàn)梁就斷裂成兩截，纖維小梁A－2垂直裂縫出現(xiàn)后由于纖維的“橋聯(lián)”作用仍可繼續(xù)加載。表4中纖維小梁和對比梁的開裂荷載相差不大，說明纖維對開裂荷載影響不大;對比梁的開裂荷載和極限荷載相等、而纖維小梁的極限荷載較開裂荷載平均提高63%;纖維小梁的極限荷載較對比梁平均提高57%，纖維小梁的抗彎強(qiáng)度較對比梁平均提高55%。表4中斷裂能計(jì)算方法是根據(jù)文獻(xiàn)［12］所使用的計(jì)算方法，即抗彎應(yīng)力－撓度曲線積分至受彎試件跨中撓度為1.5mm。正是纖維在混凝土中的“橋聯(lián)”作用，使纖維梁截面受彎承力得到提高，對比梁極限撓度未達(dá)到1.5mm。纖維小梁荷載－撓度曲線圖5為纖維小梁與對比梁的荷載－撓度曲線。對比梁一旦開裂就喪失承載力，沒有荷載－撓度曲線的下降段;纖維小梁開裂后仍能繼續(xù)加載，且極限荷載后的荷載－撓度曲線下降緩慢，可見纖維小梁的延性和耗能能力明顯好于對比梁。

鋼筋纖維梁抗剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋼筋纖維無腹筋梁的抗剪試驗(yàn)結(jié)果見表5，破壞形態(tài)見圖6。剪跨比λ=3時(shí)，對比梁DB－3發(fā)生了典型的斜拉破壞，而鋼筋纖維梁則發(fā)生了彎剪破壞。加載初期，BJ－3梁跨中開裂，繼續(xù)增加荷載，彎剪段陸續(xù)出現(xiàn)幾條豎向裂縫并隨荷載增加發(fā)展成斜裂縫;隨后的加載過程中，跨中豎向裂縫發(fā)展緩慢，彎剪段斜裂縫高度和寬度發(fā)展迅速并隨后發(fā)展成一條臨界斜裂縫;在隨后的加載過程中，跨中鋼筋屈服導(dǎo)致豎向裂縫迅速發(fā)展，受壓區(qū)纖維混凝土出現(xiàn)許多水平裂縫，此時(shí)受壓區(qū)纖維混凝土壓而不碎。由于梁的撓度快速增加，中性軸上移，荷載仍可緩慢增加，臨界斜裂縫寬度也迅速增加，最后剪壓區(qū)混凝土被壓碎，梁的最終破壞形態(tài)為彎剪破壞。從縱向鋼筋屈服(豎向裂縫迅速變寬)到斜截面破壞的加載過程中，BJ－3梁的裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土梁正截面破壞的適筋梁類似。剪跨比λ=2.5時(shí)，對比梁DB－2.5發(fā)生了典型的剪壓破壞，鋼筋纖維梁BJ－2.5a是彎剪破壞，BJ－2.5b是彎曲破壞。BJ－2.5a的彎剪破壞過程與BJ－3梁類似;BJ－2.5b梁前期裂縫發(fā)展與BJ－2.5a梁類似，也形成了臨界斜裂縫，但此后縱筋屈服導(dǎo)致豎向裂縫急劇發(fā)展，而斜裂縫發(fā)展緩慢，最終發(fā)生正截面彎曲破壞。從表5和圖6可以看出，BJ－2.5a和BJ－2.5b梁臨界斜裂縫形成時(shí)的荷載和極限荷載相差不大。由表5還可以看出，裂縫寬度達(dá)到0.2mm時(shí)各梁的荷載都大于該梁極限荷載的50%?？梢姴捎?50MPa鋼筋的超高性能纖維混凝土梁，正常使用條件下的荷載(小于50%極限荷載)裂縫寬度小于0.2mm。

圖7a為剪跨比λ=2.5時(shí)鋼筋纖維梁和對比梁的荷載－撓度曲線。圖7b為λ=3時(shí)鋼筋纖維梁和對比梁的荷載－撓度曲線，由于鋼纖維承擔(dān)了部分拉力，導(dǎo)致鋼筋纖維梁的抗彎、抗剪承載力大幅度提高，出現(xiàn)了彎剪破壞。鋼筋纖維梁較對比梁在各關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)力學(xué)性能的提高幅度見表6，極限荷載提高幅度為68%～317%。各梁的變形能力和延性系數(shù)見表7，鋼筋纖維梁的極限撓度是對比梁的4倍以上，鋼筋纖維梁的延性系數(shù)是對比梁的2倍以上。

從表5、表6可以看出，鋼筋纖維梁的初始豎向裂縫、初始斜裂縫、0.2mm寬度裂縫、臨界斜裂縫和極限荷載都較對比梁有明顯提高。鋼筋纖維梁當(dāng)裂縫寬度為0.2mm和達(dá)到臨界斜裂縫時(shí)的荷載提高幅度都較大。試驗(yàn)過程中利用裂縫自動(dòng)測寬儀記錄了各鋼筋纖維梁裂縫寬度的照片。隨著裂縫加寬，裂縫處鋼纖維陸續(xù)被拔出，端彎纖維被拉直。圖8給出了荷載為300kN時(shí)各鋼筋纖維梁的最大裂縫寬度照片，表8列出了加載到120，180，240，300kN時(shí)各纖維梁的最大裂縫寬度。

鋼筋纖維梁中，鋼纖維隨機(jī)亂向分布，通過“橋聯(lián)”作用(圖9)，纖維限制裂縫的發(fā)展并承擔(dān)部分拉力，同時(shí)改善了混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能，顯著提高了梁試件的臨界斜裂縫荷載和極限荷載。在鋼筋纖維梁的加載過程中，纖維發(fā)揮著三方面的作用。首先，纖維對裂縫發(fā)展的阻礙作用，使得相同試驗(yàn)荷載時(shí)鋼筋纖維梁的裂縫寬度較對比梁小很多(見表8)，因此，提高了鋼筋纖維梁的極限荷載。其次，纖維的“橋聯(lián)”作用使正截面受壓區(qū)與斜截面剪壓區(qū)的纖維混凝土壓而不碎、裂而不散，在縱向受拉鋼筋屈服后仍能保持梁的中性軸緩慢上移、荷載繼續(xù)緩慢增長，最終剪壓區(qū)纖維混凝土被壓碎導(dǎo)致梁發(fā)生彎剪破壞。另外，纖維的“橋聯(lián)”作用類似于箍筋和縱筋，能有效承擔(dān)部分拉力，從而提高梁的極限承載力。

結(jié)語

本文對103MPa基體混凝土，纖維體積率2%，超細(xì)纖維與端彎纖維按3∶1比例混合時(shí)，超高性能纖維混凝土小梁的抗彎性能，以及配置550MPa縱向受拉筋的超高性能纖維混凝土無腹筋梁的受剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得以下結(jié)論:1)超高性能混合鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度和斷裂能明顯好于素混凝土。2)配置550MPa縱向受拉筋后，超高性能纖維混凝土無腹筋梁的受剪承載力顯著提高。剪跨比為2.5和3時(shí)，鋼筋纖維梁受剪極限承載力分別提高68%～72%和294%～317%。3)混合鋼纖維對鋼筋超高性能混凝土梁裂縫發(fā)展有明顯的阻礙作用，荷載為50%極限荷載時(shí)裂縫寬度小于0.2mm。4)超高性能纖維混凝土具有壓而不碎的特性，發(fā)生彎剪破壞的鋼筋纖維梁的極限撓度是對比梁的4倍，延性系數(shù)是對比梁的2倍以上。