土木建筑与环境工程  2018, Vol. 40 Issue (3): 8-15   PDF    
自密实混凝土无腹筋梁抗剪性能
易伟建1a,1b, 黄德润1b,2    
1a. 湖南大学 湖南省工程结构损伤诊断重点实验室, 长沙 410082;
1b. 湖南大学 土木工程学院, 长沙 410082;
2. 人民日报社, 北京 100733
收稿日期：2017-04-11
基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0701400）；国家自然科学基金（51338004）
作者简介：易伟建(1954-), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事混凝土结构基本理论研究, E-mail:wjyi@hnu.edu.cn。
摘要：为研究自密实混凝土无腹筋梁的抗剪性能和裂缝开展形态，进行了集中荷载作用下12根无腹筋钢筋混凝土简支梁（8根自密实混凝土和4根普通混凝土）的剪切破坏试验，变量为混凝土强度和剪跨比。探讨了《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）、Zsutty拟合公式、美国规范（ACI318-11）抗剪承载力计算公式对自密实混凝土无腹筋梁抗剪承载力计算的适用性和准确性。收集了在集中荷载作用下的130根自密实混凝土和798根普通混凝土矩形截面无腹筋梁剪切破坏试验数据，将自密实混凝土和普通混凝土无腹筋梁抗剪承载力进行了对比。结果表明：自密实混凝土梁和普通混凝土梁的裂缝发展、破坏形态大致相同，自密实混凝土梁斜裂缝断面更为光滑；Zsutty拟合式计算结果与本文试验结果最接近；GB 50010—2010计算结果与本文试验结果也比较吻合，但偏于不安全；美国规范ACI 318-11计算公式偏差较大；自密实混凝土梁受剪承载力略低于普通混凝土梁。
关键词：无腹筋梁    自密实混凝土    抗剪性能    规范公式    
Shear behaviour of self-compacting concrete beams without shear reinforcement
Yi Weijian1a,1b, Huang Derun1b,2    
1a. Hunan Key Laboratory for Damage Diagnosis of Engineering Structures;
1b. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, P. R. China;
2. People's Daily, Beijing 100733, P. R. China
Received: 2017-04-11
Foundation item: National Key Research and Development Plan (No.2016YFC0701400);National Natural Science Foundation of China (No. 51338004)
Author brief: Yi Weijian(1954-), PhD, professor, doctorial supervisor, main research interest: basic theory of concrete structures, E-mail:wjyi@hnu.edu.cn.
Abstract: An experimental investigation was conducted to study the shear strength and cracking behavior of beams made with self-consolidating concrete (SCC) as well as normal concrete (NC). A total of 12 flexurally reinforced concrete beams which consist of 8 beams with self-compacting concrete and 4 beams with normal concrete, with no shear reinforcement, were tested under mid-span concentrated load until shear failure occurred. The main variables in the test are concrete strength and shear span ratio. While, based on the test data in this study, several shear strength models:GB 50010-2010, Zsutty' formula, ACI 318-11 were analyzed and compared. The shear experimental test data of 130 self-consolidating concrete and 798 normal concrete simply-supported rectangular cross-section beams without web reinforcement were collected to compare the shear capacity between SCC and NC beams. The results show that:In terms of crack morphology, crack progression, the behavior of the SCC and CC beams is virtually identical, and the inclined section of SCC beams are more smooth; The calculated results of Zsutty' fit are closest to the experimental results; the results of GB 50010-2010 are also in good agreement, but are not safe; the deviation of ACI 318-11 is larger; and the ultimate shear strength of SCC beams is found to be slightly lower than the NC beams.
Key Words: beam without web reinforcement    self-compacting concrete    shear capacity    the code formula    

自密实混凝土是一种可以自流平、免振捣的高性能混凝土。自密实混凝土最早于1988年在东京大学岗村甫[1]实验室研制成功，第一次大规模应用是在1998年的日本明石海峡大桥[2]。关于自密实混凝土配合比和流变性能的研究有很多，但关于自密实混凝土在结构中性能表现的研究却较少。通常认为，自密实混凝土结构构件抗剪性能与普通混凝土构件的抗剪性能相当。

剪切破坏是一种应当在设计中被避免发生的脆性破坏。普通混凝土构件的抗剪性能研究已经超过100 a了，但至今并没有形成统一的抗剪设计方法。剪切机理并不很明确，其取决于构件的长细、深浅、截面形状，还有构件类型是梁、板、柱，荷载是静载还是往复荷载等。现有的抗剪规范公式并不是建立在受剪破坏机理分析上，而是基于试验的半经验半理论公式，不同抗剪规范对于抗剪强度的预测差异可以达到两倍多。

根据Taylor[3]之前的研究：骨料咬合力在抗剪承载力中起了很重要的作用。虽然自密实混凝土是在普通混凝土的基础上发展而来，但与普通混凝土还是有较大区别：为了达到自密实性能，自密实混凝土采用了更少的粗骨料和更小的骨料粒径以及更多的胶凝材料，因此，部分研究人员认为这可能会导致自密实混凝土比普通混凝土的骨料咬合力更小，抗剪承载力更低。

Das等[4]发现, 自密实混凝土梁比普通混凝土梁抗剪承载能力更高。然而，Wilson等[5]的研究显示，美国ACI318-11规范[6]关于构件抗剪的规定对于自密实混凝土梁可能偏于不安全。Schiessl等[7]的试验发现, 自密实混凝土梁斜裂缝断面更为光滑，表现出更低的抗剪承载力; Bendet等[8-9]的试验结果则显示, 自密实混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能相近; Hassan等[10-11]的研究显示，自密实混凝土梁和普通混凝土梁抗剪性能并没有明显的不同，自密实混凝土梁极限抗剪承载力稍微低于普通混凝土梁; Khayat等[12]对于自密实混凝土预应力梁的研究也得到了类似的结论; Dymond[13]的实验则证实现有的规范对自密实混凝土预制梁抗剪承载能力的预测偏于保守。

为了进一步认识自密实混凝土梁的抗剪性能，本文完成了12根钢筋混凝土无腹筋梁(8根自密实混凝土无腹筋梁和4根普通混凝土无腹筋梁)的受剪试验，对梁的裂缝形态、开裂荷载、主斜裂缝荷载、斜截面抗剪承载力、破坏形态等进行研究。在此基础上，收集现有公开的试验数据，基于普通混凝土梁剪切试验数据库，对比了自密实混凝土无腹筋梁和普通混凝土无腹筋梁抗剪承载力的差异。

1 试验概述

试验共12根试验梁，梁宽200 mm，截面有效高度360 mm，配筋率为1.58%。其中，自密实混凝土梁系列标记为S，普通混凝土梁系列标记为N。试验主要变量为：剪跨比：2.2、2.6、3.0、3.4；强度：C40、C60。试件编号及基本参数见表 1，试件尺寸和配筋见图 1。

表 1 试验梁主要参数 Table 1 Main parameters of specimen

图 1 试件尺寸及配筋(单位：mm) Fig. 1 Specimen geometry and stell details

自密实混凝土构件强度等级为C40和C60, 普通混凝土构件强度等级为C60，采用42.5#普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用湖南固力公司产的Ⅰ级粉煤灰，减水剂采用湖南固力公司产聚羧酸减水剂粉剂，粗骨料采用含泥量小于1%的碎石，最大粒径为20 mm，细骨料采用含泥量小于1%的普通中砂，具体配合比见表 2。自密实混凝土性能测试见图 2，性能指标见表 3。纵筋采用直径22 mm的HRB400级钢筋，屈服强度为468.4 MPa，抗拉强度为594.8 MPa。

表 2 混凝土配合比 Table 2 Mixture proportions for SCC and NC mixtures

图 2 混凝土性能指标测试 Fig. 2 Fresh and hardened properties of SCC and NC mixtures

表 3 混凝土性能指标 Table 3 Fresh and hardened properties of SCC and NC mixtures

浇筑构件时，每根试验梁预留3个标准圆柱体试块(300 mm×Φ150 mm)和6个标准立方体块，根据《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081―2002)[14]的规定，分别用于试验当天测得的同等养护条件下的圆柱体抗压强度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度，见表 4。

表 4 试验数据 Table 4 Details of experimental beams

试验采用单点集中加载，加载点垫块宽度15 mm，厚度2 mm，支座宽度13 mm，试验加载装置如图 3所示。加载按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[15]相关规定执行，试验前均进行预加载，以保证接触面的正常接触和仪器设备的正常工作，正式加载根据预估的极限荷载，采用分级加载制度，每级加载后持荷5 min完成裂缝的观察。

图 3 试验加载装置 Fig. 3 Test setup for specimens

试验测量的主要内容包括：荷载变化、跨中支座挠度、开裂荷载、主斜裂缝荷载，裂缝发展。采集仪器使用MGCpuls动态应变仪，采样频率为50 Hz，详细测点布置如图 4所示。

图 4 测点布置 Fig. 4 Monitoring point arrangement

2 试验结果与分析

图 5为所有构件最终破坏形态(NC40系列梁引用文献[16]，该梁与本文SC40系列构件参数一致)。所有构件均发生剪切破坏，裂缝最先出现在跨中弯矩最大区域。自密实混凝土梁和普通混凝土裂缝形态、发展大致相同，高强混凝土梁破坏时，发出较大的劈裂声。如图 6所示，自密实混凝土和C60系列普通混凝土梁劈裂面较为光滑，自密实混凝土梁劈裂面粗骨料分布间距较大；对于高强混凝土，无论是自密实混凝土还是普通混凝土，斜裂缝面上的粗骨料几乎全部劈裂，但对于普通强度混凝土梁，斜裂面绕过了大部分粗骨料。

图 5 裂缝破坏形态 Fig. 5 Crack patterns of tested beams at failure

图 6 斜裂缝断面 Fig. 6 Inclined section

各试件的试验结果如表 4所示。钢筋应变测试结果表明(部分结果见图 8)，除S-2.2-C40梁北跨L /4处钢筋屈服外，其他梁的纵向应变均未达到屈服应变。测试结果还表明，受压边缘的混凝土应变也远小于极限压应变。

图 7 荷载挠度曲线 Fig. 7 Load deflections of the beams

图 8 1/4跨纵筋应变 Fig. 8 Strain of longitudinal reinforcement in 1/4 span

图 7为试验梁的荷载挠度曲线。开裂前，荷载挠度关系呈直线，开裂后进入非线性阶段，试件刚度降低。主斜裂缝形成后，试件刚度进一步降低。最终，主斜裂缝贯穿截面，曲线达到峰值，随后，荷载迅速下降，试件发生剪切破坏。

ACI-ASCE 326[17]报告中指出：临界斜裂缝形成后，钢筋混凝土梁的应力将产生重分布。如果内部能够形成新的内力平衡体系，钢筋混凝土梁将可以形成更高的承载力，试验梁极限抗剪承载力将高于临界斜裂缝形成荷载。

图 8中的部分试件表现出这种性能。临界斜裂缝形成较突然，随后新的内力平衡体系主要由骨料咬合力、纵筋销栓力和受压混凝土的拱作用(Arch action)组成，但破坏仍然为脆性破坏。部分试件的斜裂缝(临界斜裂缝)出现后迅速发展，直到破坏没有发生阶段性的应力重分布和内力平衡体系的转换，表现出更为突然的脆性破坏。

其中，S-2.2-C40梁荷载挠度曲线较为不同，出现从支座附近延伸到加载板的斜裂缝后，荷载突然下降，试件刚度降低，随后继续加载，荷载增至120 kN时，荷载略有下降，在北侧1/4跨处钢筋屈服，随着荷载缓慢增加，位移迅速增加直至破坏。

S-2.2-C40产生此现象的主要原因：随着荷载增加，斜裂缝不断发展、宽度增大，骨料咬合力逐渐减小；斜裂缝相交处纵筋应力不断增大，钢筋销栓力增大，钢筋和混凝土粘结应力增大，在支座附近出现更多粘结裂缝。最终，钢筋屈服，位移迅速增加，直至剪压区混凝土被压碎，构件破坏。

3 抗剪承载力计算模型
3.1 中国混凝土结构设计规范

中国现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[18]集中荷载作用下无腹筋钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算式为

$ {V_{\rm{c}}} = \frac{{1.75}}{{\lambda + 1}}{f_{\rm{t}}}b{h_0} $ (1)

式中：λ为截面剪跨比，当λ≪1.5时，取λ=1.5, 当λ≫3.0时, 取λ=3.0；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；b和h0分别为计算截面的腹板宽度和截面有效高度。

3.2 Zsutty的统计分析公式

Zsutty[19]提出了一个用于无腹筋钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算统计式

$ {V_{\rm{c}}} = 2.2{\left( {{{f'}_{\rm{c}}}\rho \frac{d}{a}} \right)^{\frac{1}{3}}}bd\;\;\;\;\;\left( {2.5 \ll a/b} \right) $ (2)
$ {V_{\rm{c}}} = \left( {2.5\frac{d}{a}} \right) \cdot 2.2{\left( {{{f'}_{\rm{c}}}\rho \frac{d}{a}} \right)^{\frac{1}{3}}}bd\;\;\;\;\;\left( {2.5 \gg a/b} \right) $ (3)

式中：d为截面有效高度；a为剪跨段长度；b为截面宽度；f′c为标准圆柱体抗压强度，MPa；ρ为纵筋配筋率。

3.3 美国ACI 318-11规范

根据ACI 318-11[6]，对于无腹筋钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算简化式为

$ {V_{\rm{c}}} = 0.166\sqrt {{{f'}_{\rm{c}}}} bd $ (4)

式中：f′c为标准圆柱体抗压强度，MPa；b为腹板宽度；d为截面有效高度。

表 5结果表明：Zsutty拟合公式计算结果与本文试验结果最为接近；中国规范公式计算结果与本文试验结果也吻合得较好，但偏于不安全；美国规范ACI 318-11计算公式偏差较大。

表 5 试验梁抗剪承载力与规范预测值比较 Table 5 Shear resistance of SCC beams from experiments and code-based predictions

4 基于数据库的统计分析

根据公开的论文数据[10-11, 20-35]，收集了130根自密实混凝土无腹筋梁剪切破坏试验数据。所有试验满足：单点或者两个集中点加载的矩形简支梁：b≫50 mm; 100 mm≤ h ≤500 mm；1.0 < λ≤4.5；ρ≤3.5%, 混凝土强度不低于20 MPa；无分布纵筋和预应力筋。对于普通混凝土梁试验数据，采用Collins[36]文中收集的试验数据，筛选798根普通混凝土无腹筋梁剪切破坏数据。

各个计算强度均采用试验值，标准圆柱体试块和立方体试块强度转换式[37]为:当fcu≤50 MPa时，f′c =0.8 fcu；当fcu≫105 MPa时，f′c =0.86fcu；其间按线性内插法确定。混凝土轴心抗拉强度换算式[18]：ft = 0.395 fcu0.55。剪跨比、配筋率、截面有效高度等按规范规定取值。定义γmod = Vex/Vcal。

图 9给出了所收集的试验数据和中国规范公式的比较，表 6为剪跨比1.0 < λ≤4.5区间数据统计分析结果。可见，自密实混凝土梁受剪承载力低于规范公式的非保守点相对率，明显大于普通混凝土梁。自密实混凝土梁在剪跨比小于1.5的区间内数据较少，去除这个区间的数据(表 7)后，普通混凝土梁和自密实混凝土梁的非保守点相对率都有所增加，但普通混凝土梁的非保守点相对率增加较多。无论是对于自密实混凝土还是普通混凝土无腹筋梁，按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)抗剪公式计算的非保守点都过多，这是因为，实际工程中的梁是有斜裂缝两侧粗骨料咬合作用对受剪承载力的贡献的，且这种贡献通过箍筋抑制斜裂缝开展来提供，而无腹筋梁因无箍筋，斜裂缝开展相对较大，两侧粗骨料咬合作用相对较弱。自密实混凝土梁受剪承载力低于普通混凝土梁约10%，非保守点达到2/3以上，但两者统计样本数相差较大，而普通混凝土梁的数据更加分散。如果从整体上提高中国规范中受剪承载力计算公式的可靠度，自密实混凝土梁的受剪承载力也可以满足大致相同的安全度要求。例如，将现行规范计算公式乘以0.6~0.7的调整系数，普通混凝土梁的非保守点相对率下降到5%的水平，自密实混凝土梁的非保守点相对率也可以下降到同样的水平。

图 9 试验值与混凝土规范预测结果比较 Fig. 9 Comparison between test data and results predicted by calculation formula

表 6 计算模型预测结果统计指标(1.0 < λ≤4.5) Table 6 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.0 < λ≤4.5)

表 7 计算模型预测结果统计指标(1.5 < λ≤4.5) Table 7 Calculation model to predict the results of statistical indicators(1.5 < λ≤4.5)

5 结论

通过对12根无腹筋钢筋混凝土梁在集中荷载作用下抗剪承载力的剪切试验研究和数据分析，可得出如下结论：

1) 自密实混凝土梁和普通混凝土梁的裂缝发展、破坏形态大致相同，但自密实混凝土梁斜裂缝断面更为光滑，高强混凝土梁斜裂缝面上的粗骨料全部劈裂，普通强度混凝土斜裂缝面绕过了大部分粗骨料。

2) 不论是普通混凝土无腹筋梁还是自密实混凝土无腹筋梁，突然出现的临界斜裂缝导致应力重分布，新的内力平衡体系可能使得梁的极限承载力高于临界斜裂缝出现对应的荷载。

3) Zsutty拟合公式计算结果与本文试验结果最为接近；中国规范公式计算结果与本文试验结果也符合得较好，但偏于不安全；美国规范ACI 318-11计算公式偏差较大。

4) 试验数据统计分析表明，集中荷载下，中国规范受剪承载力计算公式偏于不安全。自密实混凝土梁受剪承载力略低于普通混凝土梁，但相对中国规范公式的分散程度小于普通混凝土梁。提高中国规范受剪承载力计算公式的可靠度，可同时满足普通混凝土和自密实混凝土无腹筋梁受剪承载力的可靠度要求。

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