高强度钢筋混凝土梁受剪性能探究

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1、高强度钢筋混凝土梁受剪性能探究　　本文描述了高强度钢筋混凝土（RHSC）无腹筋梁无腹筋梁的受剪性能（fc′>100兆帕[14,500磅/平方英寸]）。高强度混凝土（HSC）的使用产生很多剪切强度方面的问题，主要由于其脆性、平滑断裂表面以及严重的早期收缩所致。试验结果表明同骨料相关的混凝土的单轴抗压强度和抗拉强度（延性系数）之比决定高强度混凝土的剪切强度。当混凝土延性系数同骨料延性系数一致，剪切强度保持不变，并且同混凝土强度无关。但是，当混凝土延性系数高于骨料延性系数，其平滑断裂表面及其脆性促使剪切强度开始下降。通过引入早期收缩和适当的骨料大小，我们发现基于修正的压力场理论（M

2、CFT）能准确预测高强度钢筋混凝土梁的剪切强度。关键词：脆性；延性系数；断裂表面；高强度混凝土；受剪承载力中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：引言目前在日本，强度fc’25超过100兆帕（14,500磅/平方英寸）的高强度混凝土（HSC）正在建筑和预应力混凝土桥梁中得到广泛应用，主要是它能利用较小横截面、较长跨度且减少梁高度，同时其耐久性得到很大提高。根据《美国混凝土结构设计规范》（ACI318-05）以及日本土木工程师学会（JSCE）规则设计方程，混凝土强度增加时，钢筋混凝土（RC）无腹筋梁的斜裂缝剪切强度随之增加（图1）。但是，加固高强度混凝土（RHSC）梁的斜

3、裂缝剪切强度并未如预计一般，随混凝土抗压强度的增加而增加。此外，由于裂缝断裂表面的自干燥、脆性和平滑度，混凝土抗压强度增加会导致早期收缩（自然收缩）更厉害。这些限制条件导致高强度钢筋混凝土梁剪切强度具有很多问题。图1.混凝土抗压强度fc′（兆帕）对于较长钢筋混凝土无腹筋梁而言，当剪跨比（a/d）大于2.5，斜裂缝剪切力取决于以下因素：1）压缩区无裂缝混凝土的抗剪强度；2）骨料沿裂缝各面粗糙混凝土表面的联锁作用；以及3）纵向钢筋的销栓作用。矩形梁中，这些机制执行的剪切力比例大约为：压缩区无裂缝混凝土占20-40%、骨料联锁占33-50%以及栓销作用占15-25%。25根据以往研

4、究，因其脆性原因，压缩区无裂缝混凝土的抗剪强度低于高强度混凝土。高强度混凝土梁的裂缝表面比正常强度混凝土（NSC）相对更平滑，这是因为裂缝穿过骨料。平滑裂缝表面减少骨料联锁并降低高强度钢筋混凝土梁的剪切强度。到目前为止，还没有研究试图定量评价混凝土断裂表面的粗糙度问题。同时，早期收缩在高强度钢筋混凝土梁的斜裂缝降低剪切强度。Maruyama等人研究了高强度混凝土早期收缩所致的钢筋附近裂缝，比较了RC棱柱和不同早期收缩的自诱导应力，并得出结论这种裂缝会降低结合强度。这意味着纵向钢筋的栓销作用受早期收缩的影响。以往研究同时表明混合物的使用，例如膨胀添加剂和减缩剂，对降低早期收缩非

5、常有效。已有研究表明高龄的增加会降低剪切强度。但是，由于设计所限，大多数研究采用强度低于100兆帕（14,500磅/平方英寸）的混凝土。针对这一背景，本研究主要目标为：1）定量研究混凝土抗压强度、脆性、断裂表面粗糙度和骨料强度效果，以及高龄对斜裂缝高强度钢筋混凝土梁受剪性能的影响，其中混凝土强度超过100兆帕（14,500磅/平方英寸）；以及2）采用修正的压力场理论（MCFT），准确预测高强度钢筋混凝土梁的受剪承载力。研究意义高强度混凝土应用的快速发展，已经超过了对其应用适当推荐的研究。目前，没有研究去定量解释为何高强度钢筋混凝土无腹筋梁剪切强度（fc’>100兆帕[14,5

6、00磅/平方英寸]）没有随混凝土抗压强度的增加而增加。本研究目的在于填补这一空白。我们采用混凝土和骨料的延性系数来描述高强度钢筋混凝土的受剪性能。将试验数据同修正的压力场理论预测进行比较，以确定其准确性。本研究给出的结果会进一步完善对高强度混凝土使用的推荐。25试验研究为了研究混凝土抗压强度早期收缩、脆性、断裂表面粗糙度、骨料强度和高龄对斜裂缝高强度钢筋混凝土梁受剪性能的影响，本研究制造了12根无腹筋梁。试验变量如表1所示。以下简述试验研究，并介绍脆性指标和断裂表面粗糙度指标概念。材料表2给出了混凝土混合物的比例。材料由粉末状硅灰水泥组成，经勃氏法测定，其比表面积为5720c

7、m2/g（2791ft2/lb）；膨胀石灰添加剂（EX），其比表面积为3480cm2/g（1698ft2/lb）；基于多元羧酸的高效减水剂（HRWRA）；以及减气剂（DA）。表3列出了所用粗糙骨料的特性。本文采用三种型号；其机械属性参见图2。表1.试验变量和梁试验结果注：Vft是挠曲断裂荷载；Vc是斜裂缝处的剪切力；Vu是断裂处的剪切力；DT是界斜裂缝；SC是剪压裂缝；纵向受拉钢筋比ρw为3.04%；1kN=225lbf；1兆帕=145磅/平方英寸。表2.混凝土混合物比例25注：B是粘合剂；B=OPC+