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水下不分散混凝土柱抗剪承载力试验研究
仲伟秋1，张志伟2,董爱平2
（1,2.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116023）
摘 要：通过对水下不分散混凝土短柱和普通钢筋混凝土短柱在轴向和水平荷载作用下的对比试验研究，分析了两者抗剪强度的区别以及影响水下不分散混凝土短柱抗剪强度的因素。试验结果表明，用规范给出的公式计算水下不分散混凝土短柱所得的结果与试验值相差较大，通过修正得出了水下不分散混凝土短柱抗剪强度的计算公式，计算结果与试验值较为吻合。
关键词：水下不分散混凝土；抗剪强度；短柱；试验
中图分类号：TU375.1 文献标识码：A 文章编号：
Experimental Study on Shear Strength of Non-dispersible Underwater
Concrete Short Columns
ZHONG Wei-qiu,ZHANG Qing-liang,DONG Ai-ping
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(1,2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)
Abstract: The comparative experiments of shear strength between non-dispersible underwater reinforced concrete short columns and normal reinforced concrete ones under axial and horizontal load were carried out in this paper. The differences of their shear strength and the effecting factors on shear strength of non-dispersible underwater concrete short column are analyzed. The experiment results showed that it is widely difference to calculate non-dispersible underwater concrete short columns by the standard formula. The shear strength formula of non-dispersible underwater concrete short column is obtained through an amendment. The calculated results are corresponding with the experimental data very well.
Key words: Non-dispersible Underwater Concrete; Shear Strength; Short Column; Experiment
近年来，随着人类对海洋的开发利用以及水库、桥梁、地下等工程的建设，水下结构工程将越来越多，水下混凝土的施工运用将越来越广，这就对混凝土水下施工的技术质量要求越来越高。然而传统的普通混凝土用于水下工程时在施工工艺、质量和性能方面均存在着许多缺陷，所以迫切需要研究一种新型的混凝土。20世纪70年代，通过在普通混凝土中加入絮凝剂德国率先研制出了水下不分散混凝土技术。在之后的几十年里，虽然国内外都对水下不分散混凝土技术进行了研究，但基本上都是着手于絮凝剂、施工工艺、配合比等方面的研究，而对于水下不分散混凝土结构的力学性能研究非常少。现国内有少数对其基本性能的研究，而对于水下不分散钢筋混凝土结构构件受力性能的研究还是收稿日期：2009-06-xx
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50708011） 作者简介：仲伟秋(1974-), 男, 讲师, 博士,
zhongweiqiu3000@； 张庆亮(1983-), 男, 工程师, 硕士； 董爱平(1986-), 男, 硕士研究生。
1
空白；国际上只有几位日本学者进行过水下不分散混凝土配筋梁的抗弯性能试验研究 [7-11]。目前，对于水下不分散混凝土结构设计还没有现成规范可供参考，为了了解水下不分散混凝土的力学性能，以便为实际工程提供参考，有必要对其力学性能进行试验研究。本文对水下不分散混凝土短柱的抗剪性能与普通钢筋混凝土短柱的抗剪性能进行了比较分析，得出了水下不分散混凝土短柱抗剪强度的计算公式。
1 试验概况
1.1 试件参数
试件为7根水下不分散钢筋混凝土柱和7根普通钢筋混凝土柱，进行抗剪性能试验研究。试件尺寸200mm×200mm×1500mm；剪跨比λ=2.75，2.5，2.0；纵筋采用8?14螺纹钢，配筋率为3.42%；水下不分散混凝土抗压强度fcu=22.27~23.69MPa；试验轴压比nt=0.24，0.41，0.49，0.57，0.65；箍筋
均采用?6.5。试件参数见表1。
表1 试件参数 Tab.1 List of testing beams
1.2 加载方案
本试验采用简支梁加载图式。竖向用500T压力机轴心加载，水平方向用两个200T千斤顶往复加载，试验简图如图1所示。试验采用低周反复加载方式，试验时，首先用电液伺服作动器施加轴向荷载并保持为定值，然后施加往复水平荷载。加载制度采用变幅变位移加载制度，第一循环以开裂荷载控制，观测到裂缝出现后卸载，然后反向加载观测反向裂缝；随后进入位移控制循环，控制位移取为屈服位移的倍数，每一控制位移下水平荷载循环三次，直至水平荷载显著降低时(小于峰值荷载的75%时)或试件不能稳定地承受轴向荷载时，停止试验。
2 试验结果分析
2.1 试件破坏形态
钢筋混凝土柱为压弯构件，其受力情况复杂，是在压、弯、剪共同作用下破坏的。构件的破坏形态主要与外荷载的性质及大小、混凝土强度、配箍率、纵筋配筋率、剪跨比等因素有关。其破坏形态主要可分为弯剪型破坏和剪切型破坏。
本次试验中，水下不分散混凝土长柱的破坏形态为弯剪破坏。刚开始加载时，首先在柱节点左右两侧出现水平裂缝，由于是往复加载，所以两侧的水平裂缝基本上是对称的。继续加载，上下柱会出现很多条水平裂缝，并且裂缝宽度逐渐变大。同时，会出现多条沿节点至柱端的剪切斜裂缝。随着荷载的增加，有的水平裂缝会贯通，并与斜裂缝相交，然后受拉纵筋屈服，最后混凝土被压碎，试件发生了弯剪破坏。可以看出，这类破坏的特征是即出现了明显的剪切裂缝，又出现了由于混凝土受压区压酥形成的塑性铰，并且纵筋达到屈服。发生这种破坏的构件，破坏前有明显的征兆，属于延性破坏。此种破坏型态如图3a所示。
在轴压比较高、配箍率较低、剪跨比较小的情况下，试件易发生剪切型破坏。本试验中，水下不分散混凝土短柱均发生这种剪压型破坏。在加载初期，在柱节点根部首先会出现几条细微的水平裂缝。继而出现大致沿柱节点根部至柱端的微小斜裂缝，这种斜裂缝有若干条且大致平行，随着水平荷载的增加，斜裂缝迅速向支座方向延伸。随着荷载的进一步加大，在所有斜裂缝中形成一条延伸较长、扩展较宽的主斜裂缝，致使与斜裂缝相交的腹筋应力急剧增大，继而导致箍筋屈服，主斜裂缝上的混凝土剥落，同时主斜裂缝两侧的混凝土块产生相对滑移，柱子突然破坏。这种破坏是完全脆性的，破坏前无明显征兆，在水平荷载作用下，试件的变形很小，破坏时有较大的响声，并且水平荷载和轴向荷载急剧降低。由于混凝土材料的非匀质性，有的出现沿一个方向的斜裂缝，有的则出现沿两个方向的呈X型的斜裂缝，另外，斜裂缝有可能出现在下柱，也有可能出现在上柱。如图
当试件所受轴压力很大时，也有可能会出现剪切粘结破坏。此破坏形态裂缝发展过程基本上和上述剪切破坏的情况类似，不过由于试件受到很大的轴力作用，在施加水平荷载后，在柱的纵筋与混凝土之间易出现粘结劈裂裂缝，试件破坏时会出现混凝土沿纵筋酥裂脱落。但一般说来，发生剪切粘结破坏的试件起主要作用的仍是剪切破坏。如图，试验轴压比为0.65的水下不分散混凝土短柱出现粘结劈裂裂缝。
从试验结果可以看出，在破坏形态上水下不分散混凝土柱和普通混凝土柱基本上是一样的，其长柱均发生弯剪型破坏，而短柱发生剪切型破坏。
2.2 影响水下不分散混凝土短柱抗剪强度的因素 试验主要研究了在其他条件相同的情况不，轴
压比对水下不分散混凝土短柱抗剪强度的影响。相同条件下，水下不分散混凝土短柱与普通混凝土短柱抗剪强度的区别。
1、剪跨比
在轴压比、混凝土强度相同的条件下，试件的抗剪强度随剪跨比增大而降低。文献3给出了抗剪强度随剪跨比变化的试验曲线。但是，当剪跨比小于某一临界值时，以箍筋屈服控制的剪切破坏对该剪跨比作用将不敏感4。
2、混凝土的强度
混凝土柱的抗剪承载力随混凝土抗压强度的提高而提高，但并非成比例地增加。在整个承载力计算体系中混凝土所占的比重较大。一般认为，混凝土柱的抗剪承载力受主要取决于混凝土的抗拉强度，所以，在新施行的《混凝土结构设计规范》(GB500l0-2002)中柱的抗剪承载力公式中使用了混凝土的抗拉强度。
3、轴压比
轴压比的大小不仅影响它的破坏形态。试件的抗剪强度随轴压比的增大而增大。轴压力提高抗剪强度的原因在于它延缓和限制了斜裂缝的出现和开展，改善了骨料咬合作用并提高了纵筋销栓作用。在相同的条件下，试件抗剪强度随轴压比的增大而提高，但轴压比达到一定值后，轴压比对抗剪强度的影响减小。在轴压比大于0.4以后，抗剪承载力随轴压力的提高增加不大。轴压力对抗剪强度的提高是有限度的，一般认为，当轴向压应力过大时，超过05~06抗剪强度会逐渐降低。现行规范GB50010一2002考虑了轴压力对抗剪强度的增大，作用，规范规定:当轴向压力设计值N>.03关A时，取N=.03关A。
轴压比的提高虽然对试件的抗剪强度有一定的提高作用，但是必须注意到，其对抗震延性的不利影响。随着轴压比增大，滞回曲线形状变狭窄，滞回环面积减小，柱的变形能力和耗能能力大大降低，延性逐渐变差，脆性逐渐变得严重。因此在计算构件的抗剪承载力时，不宜过多地考虑轴压力对抗剪承载力的贡献[6]。相同条件下，试件抗剪强度随轴压比的增大而提高，但轴压比达到一定值后，轴压比对抗剪强度的影响减小。
4、配箍率
箍筋对混凝土和纵筋提供约束作用，从而提高混凝土柱的抗剪能力和抗压韧性。构件的抗剪强度和变形能力随配箍率的增大而提高，但当配箍率提高到一定值后，由于箍筋不能充分发挥作用，构件的抗剪强度不能如愿地提高，亦即它有一个上限值。随着配箍率的增加，构件的抗剪强度提高，变形能力大大增强，构件的延性也随之提高。
能够有效地固定和支承纵筋，形成整体的受力骨架，增强了纵筋的销栓作用，并且能够减小纵筋的无支长度，防止纵筋过早的压曲;能够限制斜裂缝的扩展，使斜裂缝两侧的骨料咬合作用得以维持和加强;能够对混凝土提供侧向约束，起到约束混凝土
的作用，从而提高超高强混凝土柱的抗剪能力和抗
压韧性;
国内外的试验研究表明，当配箍率相同时，构件的抗剪剪强度和变形能力随箍筋强度的提高而提高;当箍筋强度相同时，构件的抗剪强度和变当配箍率提高到一定形能力随配箍率的增大而提高。但值后，由于箍筋不能充分发挥作用，构件的抗剪强度不能如愿地提高，亦即它有一个上限值。
3 抗剪承载力计算公式
由试验结果可知，在相同条件下，水下不分散混凝土柱的开裂荷载和水平极限荷载明显低于普通混凝土柱，因此其抗剪承载力也低于普通混凝土柱。
我国GB 50010-2002混凝土结构设计规范给出的混凝土框架柱抗剪强度计算公式为[3]: V=1.05λ+1ftbh0+0.056N+fyvAsvsh0(7)
4 结 论
本文对水下不分散混凝土配筋梁及普通混凝土配筋梁静力加载受剪破坏全过程的试验数据进行了分析，得出以下结论：
（1）混凝土框架短柱与普通混凝土框架短柱的破坏形态类似，主要为剪压破坏。
（2）用现行规范GB 50010-2002中公式计算混凝土短柱抗剪强度是不安全的，说明构件的抗剪强度并不与混凝土强度成比例地增大。
（3）高强混凝土框架短柱的抗剪强度随轴压比增大而提高M但轴压比达到一定程度后抗剪强度不再提高。根据抗剪强度和轴压比的关系曲线分析，计算高强混凝土短柱抗剪强度时考虑对影响的轴压比限值取 是合理的。
（4）本文给出了混凝土框架短柱抗剪强度的建议计算公式，所得计算值与试验值吻合很好，可供工程设计参考。
（5）水下不分散混凝土受剪构件仍可按现行《混凝土结构设计规范》公式进行计算，并且具有足够的安全储备。
综合上述分析，可以得出结论：水下不分散混凝土配筋梁的抗剪性能与普通钢筋混凝土配筋梁抗剪性能接近，可以用计算普通钢筋混凝土配筋梁受剪的理论计算水下不分散混凝土配筋梁的受剪。
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水下不分散混凝土本身在很多性质上与普通混凝土有很大区别，必须对其在混凝土结构中的性能进行大量试验研究，不断发现和解决存在的问题才能逐渐将其应用于实际工程中。对于水下不分散钢筋混凝土结构的性能，国内的研究还是空白。国际上，只有几位日本学者进行过水下不分散混凝土配筋梁的抗弯性能试验研究 [7-11]。因而本文对水下不分散混凝土配筋梁的抗剪性能与普通钢筋混凝土梁的抗剪性能进行了比较，通过试验观察试验梁的极限承载力、挠度、以及裂缝开展情况，并进行数据分析，得到相应结论。试验时，首先用电液伺服作动
器施加轴向荷载并保持为定值，然后施加往复水平荷载。加载制度采用变幅变位移加载制度，第一循环以开裂荷载控制，观测到裂缝出现后，卸载、然后反向加载观测反向裂缝;随后进入位移控制循环;控制位移取为屈服位移的倍数，每一控制位移下水平荷载循环三次，直至水平荷载显著降低时(小于峰值荷载的75%时)或试件不能稳定地承受轴向荷载时，停止试验。