姚大立 賈金青 余芳

摘要：為揭示有腹筋預應力超高強混凝土梁受剪性能，通過11根預應力超高強混凝土梁和4根預應力普通混凝土梁受剪性能試驗，對比分析了不同參數(shù)對試驗梁的破壞形態(tài)、荷載撓度曲線、承載能力和鋼筋應變的影響.結果表明：預應力超高強混凝土梁的破壞形態(tài)與預應力普通混凝土梁相似，且預應力超高強混凝土梁具有更好的剛度、承載能力和剪切延性.增大剪跨比和箍筋間距均可降低極限承載力，另外，當預應力度大于0.34時，提高預應力度對極限承載力才有積極貢獻.建立了有腹筋預應力超高強混凝土梁斜截面受剪承載力的計算公式，計算結果與試驗結果吻合較好.此外，利用現(xiàn)行規(guī)范（GB 50010-2010）計算有腹筋預應力超高強混凝土梁受剪承載力的計算結果離散性較大，計算結果不穩(wěn)定.

關鍵詞：剪跨比；預應力；受剪承載力；破壞形態(tài)

中圖分類號：TU378.8 文獻標識碼：A

隨著橋梁工程技術的不斷發(fā)展，大跨度、高強裝配式后張法預應力混凝土橋梁被廣泛應用于公路工程建設項目中＼[1-2＼]，高強高性能混凝土作為一種新型混凝土，其在強度、耐久性、工作性能及體積穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于普通混凝土，但同時也存在脆性大、延性差等弱點.現(xiàn)有規(guī)范適用的混凝土強度等級為C15～C80，然而隨著混凝土技術的發(fā)展，比文獻＼[3＼]混凝土強度等級更高的超高強混凝土在實際工程中也得到廣泛應用.目前，國內(nèi)智菲＼[4＼]等已對8根預應力高強混凝土（C70）梁的抗剪強度進行了試驗研究，觀察了裂縫開裂特點和破壞形態(tài)，并給出受剪承載力建議性公式.Graybeal對預應力超高強混凝土梁的彎曲性能進行了試驗研究＼[5＼].但是，目前尚無學者對預應力超高強混凝土（C100）梁的剪切性能進行理論或試驗方面的研究，使得相關理論和研究成果嚴重滯后于工程實踐.

本文通過有腹筋預應力超高強混凝土簡支梁受剪試驗，揭示了梁的受剪機理，系統(tǒng)研究了影響試驗梁受剪性能的主要因素，并結合我國現(xiàn)行《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）和《高強混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 104—99），提出了有腹筋預應力超高強混凝土梁斜截面受剪承載力計算公式.

1試驗概況

共設計了11根有腹筋預應力超高強混凝土和4根預應力普通混凝土簡支梁，截面尺寸為160 mm×340 mm.試驗梁長為1 200 mm， 1 400 mm， 1 600 mm，其中剪跨區(qū)段長為840 mm， 1 120 mm， 1 400 mm，分別對應的剪跨比為1.5， 2.0和2.5.試件的混凝土強度設計等級分別為C40， C70和C100，試驗梁的受拉鋼筋為3根直徑20 mm的HRB335級鋼筋，屈服強度為370 N/mm2，箍筋為直徑6.5 mm的HPB235級鋼筋，屈服強度為335 N/mm2，預應力筋采用1860級鋼絞線，張拉控制應力為σcon =0.75fptk（fptk為抗拉強度標準值），直徑分別為15.2 mm和12.7 mm，屈服強度分別為1 815 N/mm2和1 798 N/mm2，采用有黏結預應力工藝.為降低張拉階段的預應力損失，本次試驗采用低回縮預應力錨具，主要試驗變量為剪跨比λ， 箍筋間距s， 混凝土強度fcu和預應力度λp.根據(jù)文獻＼[6＼]，預應力度λp定義為式（1）.試驗梁參數(shù)和主要試驗結果列于表1，混凝土材料力學性能見表2.

λp=（Apsfps）/（Apsfps+Asfy）. （1）

式中：Aps為預應力鋼筋總面積； As為縱向受拉鋼筋總面積； fps為預應力筋的屈服強度； fy為縱向受拉鋼筋的屈服強度.

2測點布置及加載方案

在加載點和支座范圍的箍筋上均粘貼有電阻應變片，梁跨中的受拉鋼筋和預應力筋表面粘貼電阻應變片.將LVDT置于梁跨中底部和支座處，以測得梁的整體變形.采用單調(diào)靜力加載制度，正式加載時，每級荷載約為預估極限荷載的10%，每加一級荷載，持載10 min.接近預估開裂荷載時，適當降低每級荷載增量以期較準確地獲取實際開裂荷載.加載至極限荷載85%時則以位移控制加載，加載速率為0.02 mm/min.所有試驗數(shù)據(jù)均通過IMC數(shù)據(jù)采集儀全自動采集.試驗測試內(nèi)容：試件開裂荷載、極限荷載；鋼筋及混凝土應變；荷載撓度曲線及裂縫開展情況等.試驗裝置及混凝土測點布置見圖1，典型試件的應變片布置見圖2.

3主要試驗結果與分析

3.1破壞形態(tài)

預應力超高強混凝土梁破壞形態(tài)與預應力普通混凝土梁基本相似.加載初期，試驗梁處于彈性階段，加載至極限荷載的17%～32%時，梁跨中加載點的正下方出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的增大，在剪跨區(qū)內(nèi)也出現(xiàn)高度略低于受拉鋼筋中心的豎向裂縫，且斜向加載點方向發(fā)展.當加載到極限荷載的36%～53%時，剪跨區(qū)內(nèi)預應力鋼筋位置處出現(xiàn)斜裂縫，且斜裂縫出現(xiàn)很突然，荷載繼續(xù)增加，豎向裂縫發(fā)展緩慢，斜裂縫寬度加大.當荷載接近試驗梁斜截面的極限承載力時，試驗梁撓度增長加快，斜裂縫向上延伸至集中荷載作用點處，向下延伸至受拉鋼筋位置，并沿著受拉鋼筋向支座發(fā)展.此時荷載已達到試驗梁的斜截面承載能力.預應力超高強混凝土梁的斜裂縫面較普通強度混凝土梁光滑平整，破壞面沿裂縫的粗骨料大部分被劈開，這表明與普通強度混凝土相比，超高強混凝土骨料咬合作用有所降低.在試驗加載的過程中，所有的試驗梁都是箍筋首先屈服，受拉鋼筋未屈服而發(fā)生剪壓破壞.預應力超高強混凝土梁的開裂荷載和極限荷載見表1，破壞形態(tài)如圖3所示.

3.2荷載撓度曲線分析

從圖4中可看出預應力超高強混凝土梁的受力大致可分為3個階段：1）從開始加載至試驗梁斜截面開裂屬于彈性階段.在此階段，試驗梁表現(xiàn)出整體工作性能，荷載撓度曲線呈線性； 2）彈塑性階段.從斜截面開裂至極限承載力為彈塑性階段.在此階段，撓度發(fā)展顯著加快，試驗梁的荷載撓度曲線呈非線性，剛度明顯降低.3）破壞階段.從極限承載力至卸載階段為試驗梁的破壞階段.圖4（a）示出了剪跨比對試驗梁荷載撓度曲線的影響.由圖可見：預應力超高強混凝土梁的斜裂縫出現(xiàn)后，試驗梁的剛度隨剪跨比增加而逐漸減小，因為剪跨比λ=M/V反映了試驗梁破壞截面的彎矩與剪力的相對比值，在剪力水平相同的情況下，對于剪跨比較大的試驗梁，斜裂縫形成后的截面有效慣性矩減小，因此導致試驗梁的剛度顯著降低.圖4（b）示出了不同預應力度對試驗梁荷載撓度曲線的比較.由圖可見：預應力度增加，荷載撓度曲線的上升段斜率增大.這是由于增大預應力度提高了試驗梁的剛度.圖4（c） 示出了混凝土強度對荷載撓度曲線的影響，由圖可見：試驗梁的初始剛度隨著混凝土強度的增加而增大，這是因為混凝土彈性模量隨著抗壓強度的提高而增大.然而，混凝土抗壓強度的增加并沒有致使試驗梁的剪切延性降低，反而增大.根據(jù)剪切延性系數(shù)的計算理論＼[7＼]，試驗梁PRC3的剪切延性系數(shù)為1.73，而試驗梁PRC13的剪切延性系數(shù)為1.36，同理，試驗梁PRC07和PRC15的剪切延性系數(shù)分別為2.12和1.52.這是由于超高強混凝土與普通強度混凝土相比具有更小的水灰比，因此鋼筋與超高強混凝土間具有更大的黏結力，從而導致預應力超高強混凝土梁具有更好的變形能力.圖4（d）表明了箍筋間距只影響試驗梁的斜截面承載力，對試驗梁的剛度無作用.