活性粉末混凝土型钢梁抗剪性能探析

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［摘要］国内国外对于型钢梁有大量的研究，并取得了一定的研究成果，但主要集中在采用普通混凝土梁及高强混凝土梁，使用活性粉末将上两者施工材料取代后，型钢梁的抗剪性有了一定的提高，并在实际的应用中表现出良好的发展前景。但目前型钢梁的受力模式、抗剪性能等未有相关的详细描述，需进行进一步的研究。本文阐述了国内外对活性粉末混凝土受力性能，以及我国部分学者对于混凝土型钢梁抗剪性能研究，并开展试验探析活性粉末混凝土型钢梁的抗剪性能。

［关键词］抗剪性能；活性粉末混凝土；活性粉末混凝土型钢梁

型钢混凝土因优秀的抗震能力及灵活的应用方式，在大型建筑中多有使用。但大型建筑对梁提出了更为苛刻的标准，普通混凝土梁需要的横截面尺寸比较大，占用较多的空间，结构自身的重量不再符合目前建筑标准，并且开始呈现出影响较大的脆性。一般型钢混凝土梁为防止剪切破裂，会设置剪力连接键，以保障型钢与混凝土两者都可以产生作用，这使得工程建设难度提高。为解决此难题，有研究学者通过分析活性粉末混凝土构件的受剪力性能，挖掘型钢混凝土组合结构方面的价值。

1型钢梁概述

社会发展推动着现代化建设，建筑工程的规模迅速增大，而质量要求也随之攀升。面对城市人口大量集中的现象，高层建筑、超高层建筑接连拔地而起，一般的钢筋混凝土很难满足目前的建筑工程需求，建筑工程对强度很高、适用性更强的新型结构展现出迫切的需求。活性粉末混凝土型钢梁（下文简称型钢梁）是一种可适用于冻融、侵蚀环境中的组合构件，它耐久性、强度等方面大大超越一般的组合构件，并且有优良的延性。此组件将型钢与活性粉末混凝土两者的特点进行了融合，展现出这几种优点：与素混凝土梁比较，型钢梁的抗震性能强；与钢筋混凝土梁比较，型钢梁可根据实际需求随时对内置的断面尺寸进行调整，提高侧向位移强度，避免侧面变形问题，对于大型桥梁、高层建筑中应用有极大优势；与钢结构梁比较，型钢梁节省大量钢材，同时使用由于使用混凝土作为外表防护层，故而具备一定的防火、防腐能力。

2活性粉末混凝土型钢梁的发展

2.1活性粉末混凝土配制

活性粉末混凝土由水泥、矿粉、钢纤维等材料经过搅拌、混合而成，材料强度高、延伸性优良。活性粉末混凝土诞生于上世纪末90年代，由法国的Bouygues实验室研发，研发初衷是为创造一种强度高、耐久长、韧性强的建筑材料。配置过程可分为三个时间段：第一个时间段，上世纪30~60年代，配制高强混凝土所使用主材料是低流动性、低水胶比配制成的干硬性混凝土。第二个时间段，上世纪60年代，高效减水剂出现在市场上，并且应用于高强混凝土的配制中，至此低流动性问题得到有效解决，但新的弊端是只能维持一段时间，就像是一些药物一样过了药效会失效。第三个阶段，上世纪70年代至今，有学者提出尝试将矿物质参合料加入高强混凝土中，包括特细砂及矿粉等，持续性短的弊端也得到解决[1]。大多国家都已掌握活性粉末混凝土的调配技术，并且在应用中逐渐趋于成熟。

2.2混凝土型钢梁抗剪性能相关研究

2008年有学者利用10榀型钢高强高性能混凝土简支梁的抗剪试验，揭秘影响抗剪性能的主要因素，得到结果：抗剪承载作用力来自混凝土、型钢、箍筋三者，并且通过进一步的研究提出了抗剪承载力的算法公式。2013年刘明明、蔡静等学者，利用7榀预应力型钢超高强混凝土梁，开展了单调静力加载的试验研究与非线性有限元数值分析，展开抗剪性能及延性影响研究，记录裂缝与挠度的状态数据，而后对试验数据整理与分析，了解各抗剪因素在不相同的条件、环境下，预应力型钢超强混凝土梁的荷载-位移曲线[2]。除此之外还有许多大大小小的实验，人们对型钢梁抗剪性能的了解正在渐渐加深。

3活性粉末混凝土型钢梁抗剪性能试验探究

3.1试件

制作六根界面长度350cm，20cm×30cm的型钢梁进行实验，进行剪跨比实验、型钢活性粉末混凝土强度及含钢率对型钢梁抗剪性能的影响。试件所采用的型钢规格为120a与120b，强度为Q235B，两材料型钢腹板厚度有2mm的偏差。箍筋设置参照《型钢混凝土组合结构技术规程》的最小配箍率，规格HRB400。箍筋间距与直径，分别为20cm、0.8cm，架立筋规格HRB335，1.2cm直径。6根试验梁的参数分别为：（1）试验梁型钢规格：120a、120b、120b、120b、120b、120b；（2）剪跨比λ：1.0、1.0、1.0、1.2、1.4、1.8；（3）活性粉末混凝土强度：R150、R150、R120、R120、R120、R120；（4）含钢率：6.6%、7.4%、7.4%、7.4%、7.4%、7.4%。试验梁制作与RPC力学性能：浇筑试验梁选择型钢粉末混凝土干混料，材料中钢纤维2%，通过技术管控调制不同强度的活性粉末混凝土干混料。选择卧式浇筑方法制作试验梁，将提前制作的型钢骨质置于模板后浇筑，同时预留对应批次的活性粉末混凝土试块[3]。试验梁浇筑24小时后拆除模型，模型拆除后对强度为R120实验梁进行常温养护，强度R150的试验梁使用80℃水静养一天后转为常温养护。测量内容与加载方案：试验开展借助电液伺服压力机控制系统，利用单调连续荷载控制分级加载法控制加载。试验梁上的荷载值由电液伺服压力机控制系统控制与测量，各材料的应变由静态应变测试系统自动采集。实验测量内容有支座处RPC及型钢的应变、箍筋与型钢的应变、剪跨段型钢活性粉末混凝土等。

3.2试验结果

6根试验梁出现不同程度的弯剪破坏，其中试件梁6号的状态最明显。根据试验梁处于加载状态下所表现出的反应，分为弹性、开裂、裂缝扩展、破坏四个阶段。弹性阶段：型钢与活性粉末混凝土共同发挥作用，两种材料应变以线性增长且增幅小。试验梁1号上翼缘的测点在加载至开裂前其应变值为510×10-6，2~6号试验梁则相对较低，挠度在加载前期呈增长趋势。开裂阶段：当加载至极限荷载的30%左右时，支座处混凝土表面开始呈现出微小裂缝，属于跨剪裂缝。跨检段的腹剪裂缝出现比跨剪裂缝稍晚，主要出现在中心轴附近，由此可见当试验梁在承受剪作用力时，梁顶部单元体水平拉应力较中心轴附近单元体主拉应力先达到型钢活性粉状混凝土的抗拉强度[4]。发展阶段：弯剪裂缝随着荷载的增大而增加数量，但裂缝大小及延伸处于停滞状态。而当腹剪裂缝时，跨剪裂缝跟随荷载的增大，向加载点等处进行拓展，并且还会随着裂缝的扩大蔓延出新的裂缝并向蔓延方向行走。当加载超过极限荷载60%时，型钢混凝土表面不会继续产生裂缝，已出现的裂缝却会进一步的扩大延伸范围。另从裂缝延伸状态分析，型钢和混凝土未出现滑移，这表明箍筋在发挥作用，保证活性粉末混凝土能够与型钢共同发挥作用[5]。当荷载超过极限荷载70%时，裂缝发展成临界裂缝，试验梁中发出结构崩坏的声音，推算是钢纤维在断裂，并且随荷载增大声音增多。破坏阶段：加载超过极限荷载的85%时，活性粉末混凝土肉眼可见的鼓起，露出崩坏的发展趋势，临界裂缝演变为主斜裂缝，裂缝宽度进一步扩大。荷载超过极限荷载90%时，试验梁中结构崩坏的声音更加密集，主斜裂缝两侧活性粉末混凝土被裂缝瓦解失去作用[6]。加载到极限荷载时，可发现试验梁呈明显的剪切破坏形态。

3.3试验结果分析

含钢率：1号试验梁的型钢腹板厚7mm、含钢率6.6%，2号试验梁的型钢腹板厚度9mm、含钢率7.4%，从试验结果来看，2号试验梁的承载力比1号试验梁高出约10%。从两根试验梁的裂缝发展来分析，2号试验梁裂缝比较密集，裂缝规模小，而1号试验梁裂缝发展比较分散，这表明利用加厚型钢腹板提高含钢率，可有效增强型钢梁的抗剪性能及延性。剪跨比：试验梁3号到6号的剪跨比各不相同，剪跨比为1.8的6号试验梁出现受弯破坏问题。型钢梁与普通梁相似，抗剪性能及呈现的破坏状态受剪跨比影响，因其增大而抗剪性能减小。在试验中，5号试验在梁极限荷载下出现了受剪破坏状态。另外基于试验结果，型钢腹板应力变化在刚加载时，以线性分布样式呈现，与平断面假定相符，在发展阶段以非线性状态增长[7]。

4抗剪承载力计算

4.1型钢梁抗剪承载力计算

梁受剪破坏的原因较多，国内外众多学者提出不同的受剪传力机理，但始终未统一意见。欧美等国家学者在开展相关试验时，会以试验数据为基础，提出相应的计算公式用于计算抗剪承载力。活性粉状混凝土中的钢纤维是抗剪性能的主要作用力，使从理论出发分析活性粉状混凝土型钢梁的受剪传力机理，及建立便于工程设计使用的斜截面承载能力计算公式的难度大幅提高。基于上文试验相关数据，提出相关简化计算模型与计算公式。活性粉状混凝土型钢梁在受剪状态时，活性粉状混合土与型钢共同发挥作用承受斜压，同时与箍筋承受竖向拉力，因此选择简化后的桁架-拱模型进行活性粉状混凝土型钢梁抗剪承载力计算。试验梁四点受荷作用可简化等效为简支梁受单点集中荷载作用，供压区由活性粉状混凝土和型钢构成[8]。上弦压杆承受并传递斜压力，型钢受拉翼缘和受拉钢筋充当下弦拉杆，斜压杆是斜缝间的活性粉末混凝土，鉴于活性粉末混凝土强度高、抗拉性强，将箍筋作为竖向拉杆时，需要将活性粉末混凝土的作用力因素考虑在内。基于此分析做出两种假定：活性粉末混凝土对抗剪性能的作用力被活性粉状混凝土抗拉强度所影响。根据材料力学性能试验，活性粉状混凝土抗拉强度比抗压强度小，并且试验梁破坏时剪跨段活性粉状混凝土呈现的状态是抗拉强度控制剪切破坏；不考虑型钢翼缘与纵筋的销栓作用。考虑到型钢翼缘与纵筋为型钢梁提供的受剪承载力微乎其微，因此试验梁型钢翼缘、梁宽比定为0.5，确保型钢能够为活性粉末混凝土提供约束，两者共同产生作用。计算公式可进行进一步的简化，将型钢翼缘与纵筋销栓作用进行忽视，将其作为构造措施[9]。基于上述，活性粉末混凝土的抗剪性能可分为三个部分：一是活性粉末混凝土的抗剪作用；二是箍筋抗剪能力；三是型钢抗剪能力。活性粉末混凝土梁的抗剪承载力计算公式为：通过表抗力系数α1、β1及γ1来呈现各结构对斜截面承载力的作用，活性粉末混凝土梁所受剪力v需满足：公式中ft表活性粉末混凝土抗拉强度设计值，b指截面宽，h0指截面高，fyv表示箍筋抗拉强度预算值，Asv指同截面箍筋各肢总截面积，s指沿构件长度方向上箍筋的间距，tw指腹板厚度，hw指腹板高度，fv指型钢抗剪性能预设值，通过拟合计算得到抗力系数α1、β1与γ1，代入计算式进行计算即可[10]。

4.2验证公式

根据活性粉末混凝土力学性能指标及本次试验的试验梁参数进行计算，并且和试验结果进行相对比，得到结果：一号梁试验值880（抗剪承载力/KN）、计算值828；二号试验梁试验值973、计算值894；三号试验梁833、计算值801；4号试验梁试验值738，计算值733；五号试验梁试验值720，计算值662；6号试验梁试验值424，计算值558。可发现除受弯破坏的6号试验梁外，1号到5号试验梁的试验值略大与计算值，两者之比的均方差与变异系数在0.03，表明当前数据的型钢试验梁拟合效果优良。

5试验结论

鉴于型钢梁在受荷过程中型钢与活性粉末混凝土能够共同发挥作用，型钢梁在超负荷下呈现破坏状态，造成斜拉破坏概率较低。当钢纤维占材料配比2%时，型钢梁出现的裂缝以小而密的态势发展，裂缝侧混凝土在裂缝扩大时不会因此而急速崩坏。与普通钢筋混凝土梁的受剪状态相比，型钢梁展现出更好的延性与破坏状态。最后，通过试验结果，以及简化桁架拱模型，验算出型钢梁抗剪性能计算公式，利用公式展开验算，可有效计算型钢梁的抗剪性能，对于相关研究或试验有一定的帮助。

作者:李志双 杨国华 房其娟 单位:山东协和学院