易偉建等

摘要：為研究骨料粒徑對無腹筋梁抗剪性能的影響，完成了集中荷載作用下16根無腹筋鋼筋混凝土簡支梁的抗剪性能試驗.主要試驗變量為最大骨料粒徑和剪跨比.根據(jù)試驗結果分析試驗梁的破壞形態(tài)、斜截面抗剪承載力、荷載位移曲線、裂縫面間的相對位移等內(nèi)容，比較試驗數(shù)據(jù)與已有無腹筋梁受剪試驗結果，并將試驗結果與GB 50010-2010，ACI 318-08，EC 2-02和CSA 23.3-04等規(guī)范的預測結果進行比較.研究結果表明，骨料咬合作用是無腹筋梁剪切破壞的重要傳力機制，抗剪設計方法應建立在充分考慮骨料咬合作用對鋼筋混凝土梁抗剪性能影響的基礎上.

關鍵詞：抗剪承載力；無腹筋梁；骨料咬合力；最大骨料粒徑

中圖分類號：TU375.1 文獻標識碼：A

鋼筋混凝土無腹筋梁的剪切破壞機制十分復雜，20世紀初至今，國內(nèi)外學者針對無腹筋梁剪切破壞問題進行了廣泛、深入的理論分析和試驗研究，但至今未能建立統(tǒng)一的理論體系和設計方法.由于影響因素眾多，且難以通過理論分析或試驗研究分離各影響因素在不同受力階段的相互影響，不同學者在建立理論模型時，引入了諸多合理性有待驗證的假設.各國規(guī)范中的抗剪設計公式多數(shù)建立在半理論半經(jīng)驗層面，對縱向配筋率、截面有效高度、最大骨料粒徑等重要影響因素缺少合理、統(tǒng)一的認識，計算公式的準確性和合理性亦有待改善.因此亟待進一步開展相關理論分析和試驗研究，獲得機理層面的新認知.

ACIASCE 445報告1中明確給出無腹筋梁剪切破壞的5種主要受力機制：未開裂的混凝土受壓區(qū)；骨料咬合作用；縱筋銷栓作用；拱效應；裂縫面間的殘余拉應力.但是早期的研究學者并未認識到骨料咬合作用對剪力傳遞的貢獻，直至20世紀60年代，學術界才逐步認識并關注骨料咬合作用的重要影響2-6，但是相關研究工作仍不夠完善.

多倫多大學的Sherwood，Bentz和Collins7對骨料粒徑對無腹筋梁、板抗剪性能的影響進行了試驗研究.試驗以碎石的最大粒徑為主要變量，得到抗剪承載力隨骨料粒徑增大而增大的結論，從而認為骨料咬合作用是主要的抗剪機制.瑞士學者Muttoni8通過試驗觀測到裂縫面間的剪切錯動，基于相關假設建立了臨界斜裂縫理論.

國內(nèi)有關骨料咬合作用對無腹筋梁抗剪性能影響的研究非常少見，中國規(guī)范的斜截面承載力計算公式中亦未考慮最大骨料粒徑這一重要影響因素.為進一步研究鋼筋混凝土無腹筋梁的剪切破壞機理，本文共完成16根以最大骨料粒徑和剪跨比為試驗變量的無腹筋簡支梁的剪切破壞試驗，重點研究骨料咬合作用對無腹筋梁抗剪性能的影響.

1骨料咬合作用的機理

在受力過程中，如果裂縫繞過粗骨料發(fā)展，裂縫面間將呈現(xiàn)明顯的凹凸不平，骨料之間或者骨料與膠凝材料之間的相互咬合將阻礙裂縫面間的相對錯動，產(chǎn)生骨料咬合作用，亦稱為剪摩擦力.

圖1（a）為Bruggeling9在部分預應力有腹筋T形梁的抗剪試驗中測得的局部法向位移ω與切向位移Δ.圖1（b）為Rodrigues10在研究縱筋屈服對梁抗剪性能的影響時，測得的沿臨界斜裂縫發(fā)展方向的相對位移.

Bruggeling和Rodrigues的試驗結果均表明：初期斜裂縫的寬度較小，裂縫面間存在明顯的切向位移，骨料咬合作用較為顯著；隨著荷載增大，裂縫寬度明顯增加，裂縫面間的骨料接觸面積逐漸減小，導致骨料咬合作用逐漸降低.

（a） Bruggeling的試驗結果

（b） Rodrigues的試驗結果

圖1裂縫面間相對位移的試驗結果

Fig.1Measurement on the relative displacement

between two sides of the crack

2試驗概述

2.1試件制作

設計混凝土強度等級為C30，材料采用42.5#普通硅酸鹽水泥，含泥量小于1%的中砂，最大粒徑分別為10 mm，20 mm，31.5 mm和40 mm，且含泥量小于1%的連續(xù)級配的卵石，配合比見表1.縱筋采用HRB400級鋼筋.

試驗變量為最大骨料粒徑（10 mm，20 mm，31.5 mm，40 mm）和剪跨比（2.2，3.0）.考慮到剪切破壞試驗的離散性，設計兩組重復性試驗，共制作16根試驗梁.試件編號、幾何尺寸及鋼筋布置如圖2及表2所示.2.2試驗裝置和加載方式

試驗在湖南大學結構試驗室進行，采用單點集中加載及簡支邊界條件，試驗裝置如圖3所示.

為便于試驗觀察與測量，采用等間距套箍對右側梁段加固，初次破壞均發(fā)生在左側梁段；完成左側梁端試驗后，將套箍布置到左側梁段，重新加載至右側梁段發(fā)生破壞.加固裝置如圖4所示.

試驗加載制度按GBT 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》11相關規(guī)定執(zhí)行.試驗前均進行預加載，確保各接觸面正常接觸，儀器設備正常工作.正式加載時，根據(jù)預估破壞荷載采用分級加載制度，使用日本TML公司生產(chǎn)的TDS530連續(xù)采集試驗數(shù)據(jù).每級加載后持荷5 min，完成裂縫觀察.

2.3測量內(nèi)容

試驗主要測量內(nèi)容包括：鋼筋、混凝土應變，裂縫間的相對位移，支座及跨中位移.詳細測點布置見圖5.

2.4材性試驗

混凝土材性試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法（GBT 50081-2002）》12的規(guī)定完成.各構件澆筑時，預留6個標準立方體試塊.分別于試驗當天測得同條件養(yǎng)護下的立方體抗壓強度fcu和劈裂抗拉強度ft，s，見表3.

鋼筋材性試驗按照《金屬材料 室溫拉伸試驗第1部分：試驗方法（GBT 228-2002）》13的相關規(guī)定完成.取3根同批次鋼筋試樣，測得縱筋的屈服強度和極限強度，分別為470.6 MPa

3試驗觀測與分析

3.1試驗觀測結果

部分試驗梁的最終破壞形態(tài)見圖6，隨著骨料粒徑的增大，彎曲裂縫更加蜿蜒曲折并出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，且兩次加載得到的破壞面并不完全對稱.

對于剪跨比為2.2的試驗梁，當荷載增加到破壞荷載的55%～65%的時候，出現(xiàn)腹剪斜裂縫，繼續(xù)加載后腹剪斜裂縫分別向支座和加載點延伸.當荷載增加到臨界荷載的75%～85%時，臨界裂縫逐漸成形，繼續(xù)加載后斜裂縫由梁腹逐漸變寬并繼續(xù)向兩側延伸，剪壓區(qū)逐漸減小.最終破壞時剪壓區(qū)被壓碎，并發(fā)出很大的響聲，為脆性破壞，此種破壞有一定的征兆，屬于剪壓破壞.

對于剪跨比為3.0的梁，當荷載增加到破壞荷載的90%～95%，靠近支座的彎曲裂縫迅速向集中荷載作用點延伸，形成臨界斜裂縫，最終破壞時亦發(fā)出很大的響聲.破壞過程急速而突然，破壞荷載與出現(xiàn)斜裂縫時的荷載相當接近，破壞呈明顯脆性，屬于斜拉破壞.

3.2荷載撓度曲線分析

圖7為部分試驗梁的荷載撓度曲線.從開始加載到試件出現(xiàn)彎曲裂縫，荷載撓度曲線呈線彈性，各試件剛度基本相近；開裂后進入非彈性階段，最終主要斜向裂縫貫穿截面，很快達到破壞荷載，隨后荷載迅速下降，試件喪失承載力，發(fā)生脆性的剪切破壞.

跨中撓度mm（a） B221系列

跨中撓度mm（b） B31系列

ACIASCE 326報告14指出，臨界斜裂縫形成以后，梁內(nèi)將產(chǎn)生顯著的內(nèi)力重分布.如果此后無法形成新的平衡體系，那么梁會在臨界斜裂縫形成后立即破壞，該情況在剪跨比較大的情況下尤為明顯；而如果構件內(nèi)部能夠形成新的平衡體系，梁可能能夠承受更高的荷載，最終破壞荷載高于形成臨界斜裂縫形成時的荷載，這種情況在發(fā)生剪壓破壞的梁中較為明顯.圖7的結果表明：剪跨比為2.2的試驗組在形成臨界斜裂縫時荷載略有下降，趨于穩(wěn)定后能夠繼續(xù)承受荷載，破壞荷載高于形成臨界斜裂縫時的荷載；而剪跨比為3.0的試驗組則在形成臨界斜裂縫后立即破壞.

3.3裂縫間的相對位移分析

在左側梁段可能出現(xiàn)斜裂縫的局部區(qū)域布置兩端帶有萬向軸承的電子尺，以捕捉斜裂縫間的切向與法向位移.定義沿斜裂縫的變形如圖8所示，具體計算方法如下15：

電子尺的長度按式（1）計算：

計算得到試驗梁B22101和B22301主裂縫兩側表面間相對位移的測試結果如圖9所示.觀察圖9可以得出，斜裂縫形成初期，裂縫面間即存在相對錯動，且骨料粒徑較大的梁裂縫面間的相對錯動較大，骨料咬合作用相對明顯.

3.4骨料粒徑的影響分析

圖10給出了各試驗梁的名義極限剪應力與最大骨料粒徑之間的關系.圖10中結果表明：最大骨料粒徑從10 mm增加至40 mm，剪跨比為2.2的試驗梁組的名義剪極限應力增大約20.1%，剪跨比為3.0的試驗梁組的名義極限剪應力增大約21%.

由于本文試驗的數(shù)據(jù)有限，為了能夠較為全面地分析骨料粒徑對無腹筋梁抗剪承載力的影響，從ACIDAfStb數(shù)據(jù)庫16和Collins等建立的數(shù)據(jù)庫17中篩選出混凝土強度小于C50，剪跨比λ在2.0～3.0之間，梁截面高度在200～ 500 mm之間，縱筋配筋率ρ在1%～2%之間，集中荷載作用下的無腹筋梁抗剪試驗數(shù)據(jù)共79個.計算各試驗梁名義極限剪應力，分析骨料粒徑對其名義極限剪應力的影響，并將本試驗數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行比較，見圖11.分析結果表明：本文試驗數(shù)據(jù)落在歷史試驗數(shù)據(jù)云圖范圍內(nèi)，且名義極限剪應力隨著骨料粒

4.2預測值與試驗值的比較

表4列出了上述規(guī)范計算公式的預測值，并給出了預測值與試驗值的比較.表中Vexp 為抗剪承載力試驗值，Vprep為抗剪承載力預測值.

表4的分析結果表明：美國規(guī)范ACI 318-08較保守，中國規(guī)范GB 50010-2010偏于不安全，歐洲規(guī)范EC 2-02的計算結果與試驗結果較為符合，而考慮骨料粒徑影響的加拿大規(guī)范CSA 23.3-04的預測結果并未明顯優(yōu)于其他規(guī)范.

5結論

通過對16根無腹筋鋼筋混凝土梁在集中荷載作用下抗剪強度的試驗研究，得到如下結論：

1）本文試驗結果表明，鋼筋混凝土無腹筋梁的抗剪承載力與最大骨料粒徑有關，抗剪承載力隨著骨料粒徑的增大而增大.

2）骨料咬合作用是無腹筋梁的主要傳力機制之一.斜裂縫形成初期，裂縫面發(fā)生相對切向位移，形成較為明顯的骨料咬合作用，但隨著荷載不斷增大，裂縫寬度增加，骨料咬合作用降低.

3）各國規(guī)范預測結果的準確度和離散程度均不夠理想，關于梁剪切破壞機理的研究有待進一步完善.

參考文獻

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