无腹筋UHPC梁抗剪性能及尺寸效应研究

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随着建筑技术与社会的发展,超高性能混凝土(简称UHPC)已经被广泛的应用于工业与民用建筑、海洋平台等。研究发现,尺寸效应对大型钢筋混凝土结构构件承载力影响较大,尤其是对无腹筋钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响较为明显。但目前仅限于对普通混凝土梁抗剪承载力的尺寸效应进行了相关研究,UHPC与普通混凝土在材料组成和力学性能等方面有较大的差异性,对UHPC梁抗剪性能的尺寸效应研究具有重要的科学和工程意义。本文以钢纤维体积掺量Vf与试验梁尺寸作为变化参数,分别对Vf为0%和3%的两组无腹筋UHPC梁进行了抗剪性能试验研究。梁截面有效高度h0的范围为150mm~490mm,通过分析梁的破坏过程和特征,荷载-挠度曲线、关键位置混凝土和钢筋的应变分布规律,研究钢纤维体积掺量与试验梁尺寸对梁抗剪性能的影响。通过研究发现,两组试验梁的最大尺寸试验梁,其名义极限剪应力较最小尺寸试验梁都下降约29%,表现出明显的尺寸效应现象。除L0-540为趋向斜拉破坏外,其余试验梁为剪压破坏,说明尺寸效应对梁的破坏模式影响不大。掺入钢纤维之后,试验梁裂缝数量更多且宽度较大。大尺寸梁的主斜裂缝宽度增加速度比小尺寸梁快。当梁的尺寸较小时(h0≤330mm),掺入钢纤维可以提高梁的刚度、延性、抗剪承载力以及变形能力;当梁的尺寸较大时(h0=490mm),掺入钢纤维不能提高梁的延性以及变形能力。当Vf=0%时,梁尺寸的增加可以提高梁的抗剪承载力与刚度,减小了梁的延性,当Vf=3%时,在试验梁尺寸较小时(h0≤330mm),梁尺寸的增加可以提高梁的抗剪承载力并略微提高梁的刚度,在试验梁尺寸较大时(h0=490mm),梁的刚度反而会减小。通过对纵筋曲线、混凝土应变以及抗剪承载力模型分析发现,较大尺寸的试验梁,对钢纤维桥联作用削弱增加、单位面积纵筋销栓作用减小、剪压区UHPC的高度与梁截面有效高度比值减小,导致较大尺寸梁的名义极限剪应力降低。通过分析国内外学者提出的关于UHPC梁抗剪承载力公式发现,梁的尺寸越大,通过公式对无腹筋UHPC梁的预测值偏大,其安全性会降低。在实际工程中若用未考虑尺寸效应的公式预测无腹筋UHPC梁抗剪承载力时,建议当截面有效高度为490mm时,其预测值应下调25%,当梁截面有效高度为150mm时,其预测值下调0%,当截面有效高度在150mm~450mm时,可以按照线性插入的方法对应下调。本文基于桁架-拱模型,建立了考虑尺寸效应的无腹筋UHPC梁抗剪承载力计算方法,通过验证发现,理论计算公式能准确地预测无腹筋UHPC梁抗剪承载力,可为工程设计提供依据。
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