H型钢-再生混凝土板组合梁抗剪性能试验

刘亦斌曹万林，*叶涛萍刘 策郭瑞洁王如伟

（1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；
2.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

再生混凝土是将建筑拆除后的废弃混凝土破碎、筛分制成粗骨料及细骨料，按一定比例取代普通混凝土中天然粗、细骨料拌制而成的混凝土。近年来，学者对再生混凝土构件展开了一系列研究。曹万林等［1］研究了高强再生混凝土梁的抗弯性能，研究表明：高强再生混凝土梁与普通高强混凝土梁破坏过程基本一致，相同设计参数的高强再生混凝土梁与普通高强混凝土梁相比，承载力接近，但延性更好。Gonzalez等［2］研究了再生混凝土梁的抗剪性能，研究表明：再生混凝土梁的抗剪破坏过程与普通混凝土梁相似，但再生骨料的掺入会使其抗剪性能有一定程度下降。叶涛萍等［3］研究了锈蚀钢筋高强再生混凝土梁的抗弯性能，分析了锈蚀钢筋高强再生混凝土梁的破坏过程，研究了不同设计参数对锈蚀钢筋高强再生混凝土梁抗弯性能的影响，并根据试验结论给出了相应的设计建议。肖建庄等［4］研究了压型钢板-再生混凝土组合板的抗剪性能，分析了压型钢板-再生混凝土组合板的破坏模式，并研究了不同设计参数对其抗剪承载力的影响。曹万林等［5］研究了再生混凝土足尺柱的轴心受压性能，比较分析了不同设计参数试件的承载力、延性、刚度及破坏特征，并基于试验结果提出了相应的承载力计算公式。

钢-混凝土组合构件因其兼具钢构件和普通钢筋混凝土构件的优点，承载力高、刚度大、抗震性能好，且易于施工，在房屋建筑及桥梁等实际工程中得到广泛应用。梁是结构的重要横向构件，承受竖向荷载，以受弯为主，在多数建筑结构中承担第一道抗震防线作用，开展钢-混凝土组合梁的研究对其工程应用十分必要。围绕钢-混凝土组合梁，学者开展了较多的研究工作。聂建国等［6-8］分别对采用栓钉抗剪连接件的钢-混凝土组合梁的受力性能进行了抗弯、抗剪试验以及相应的理论研究，分析了不同设计参数对承载力、刚度等的影响，并基于试验结果提出了相应的承载力及挠度计算方法。杨勇等［9］通过对比试验，研究了不同组合梁刚度计算方法的适用性，结果表明：修正折减刚度法偏于保守，需加以修正。薛建阳等［10］研究了组合梁在负弯矩作用下的抗剪性能，认为负弯矩作用下钢-混凝土组合梁抗剪承载力的提高主要由混凝土翼板贡献，并提出了考虑混凝土翼板影响的组合梁在负弯矩作用下抗剪承载力计算公式。Xue等［11］以4个钢-混凝土组合梁模型为基础进行了长期受力性能试验，并基于规范，提出了弹性模量折减系数按混凝土龄期分时段取值的长期变形计算建议。Wang等［12］研究了不同设计参数对负弯矩下组合梁抗弯能力、界面滑移和裂缝发展的影响，并根据试验结果和现有的计算方法，提出了确定负弯矩区裂缝间距和宽度的修正方法。

钢-再生混凝土组合构件可以充分发挥钢和再生混凝土的优点，有利于再生混凝土在结构构件中的推广应用。目前，钢-再生混凝土组合构件受力性能的研究以钢管或型钢再生混凝土柱受压及抗震性能［13-14］研究为主。钢-再生混凝土组合梁的受力性能研究主要集中于型钢再生混凝土梁，吴平川等［15］进行了12根型钢再生混凝土梁的抗弯试验，研究了再生粗骨料取代率及配箍率对其抗弯性能的影响。陈宗平等［16-17］先后研究了不同设计参数的型钢再生混凝土梁的抗弯、抗剪性能，并基于试验结果提出了相应的承载力计算公式。薛建阳等［18］进行了12根不同强度、再生粗骨料取代率和剪跨比的型钢再生混凝土梁抗剪试验，并分析了以上设计参数对其抗剪性能的影响。Fathifazl等［19］通过试验研究了型钢再生混凝土梁的受弯性能，并提出了适用于型钢再生混凝土梁的承载力计算公式。相关研究表明：型钢再生混凝土梁的承载力和延性均优于钢筋再生混凝土梁；
型钢再生混凝土梁的破坏过程与型钢普通混凝土梁基本一致，再生粗骨料的掺量对型钢再生混凝土梁的承载力影响不大；
现行组合规范中的承载力计算方法可用于型钢再生混凝土梁的承载力计算。

综上，现有研究主要是针对型钢再生混凝土梁的受力性能试验研究，对于H型钢-再生混凝土板组合梁的受力性能试验研究尚少。本文进行了6个不同设计参数的H型钢-再生混凝土板组合梁的抗剪性能试验，研究了再生粗骨料取代率和混凝土强度等级对其抗剪性能的影响。

1.1 试件设计

共设计了6个H型钢-再生混凝土板组合梁足尺试件，试件长度3300 mm，净跨3000 mm，梁高300 mm，上部为钢筋混凝土翼板，板宽300 mm，板厚100 mm，下部为H型钢，高度200 mm，翼缘宽度为200 mm。各试件配筋相同，再生粗骨料取代率和混凝土强度等级不同。再生粗骨料取代率有0%、50%、100%三种，混凝土设计强度等级有C30和C60两种。按照混凝土强度将试件分为两组，第一组试件编号为MB-0、MB-50、MB-100，分别为再生粗骨料取代率为0%、50%、100%的混凝土设计强度为C30的试件，即中强混凝土试件；
第二组试件编号为HB-0、HB-50、HB-100，分别为再生粗骨料取代率为0%、50%、100%的混凝土设计强度为C60的试件，即高强混凝土试件。

试件尺寸及配筋如图1所示。组合梁上部混凝土翼板内的纵筋直径为6 mm，配筋率为0.38%；
箍筋直径为4 mm，加密区箍筋间距为80 mm，非加密区箍筋间距为100 mm，体积配箍率为1.12%；
H型钢型号为HN200×200×6×6；
混凝土翼板和型钢之间采用栓钉进行抗剪连接，栓钉双排布置，每排15个，栓钉直径根据混凝土强度等级不同分别采用12 mm（C30混凝土）和16 mm（C60混凝土）两种，栓钉长度分别为48 mm和64 mm；
混凝土保护层厚度为25 mm。

图1 试件几何尺寸及配筋（单位：mm）Fig.1 Dimension and reinforcement of specimens（Unit：mm）

上述6个H型钢-再生混凝土板组合梁足尺试件，首先利用分配梁实现三分点加载，分配梁两端的支座距试件支座的距离均为1000 mm，进行了梁跨中1000 mm区段的正截面受弯性能试验，6个试件受弯破坏形态见图2；
受弯试验结束后，6个试件的两端受剪区段基本处于弹性，将分配梁的两个加载支座分别向梁两端移动至距试件支座距离均为500 mm的位置，进行梁端弯剪区段的受剪性能试验。由于试件MB-100在试验前受到意外碰撞损伤严重，故本文介绍其中MB-0、MB-50、HB-0、HB-50、HB-100共5个H型钢-再生混凝土板组合梁足尺试件的受剪性能试验。

图2 试件受弯破坏形态Fig.2 Flexural failure mode of specimens

1.2 材料性能

再生混凝土制备用的材料：水泥采用强度等级为42.5的金隅牌普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用北京兴达广源商贸有限公司生产的F类I级粉煤灰，矿粉采用三河市兴达开元建材有限责任公司生产的强度等级为S95的粒化高炉矿渣粉，密度为2810 kg/m³；
天然粗骨料为粒径5～25 mm的天然碎石，天然细骨料为粒径0.16～4.75 mm的河砂；
再生骨料由北京某拆除建筑的废弃混凝土破碎、筛分得到，筛分后粒径为5～25 mm的骨料用作粗骨料。实测骨料性能指标见表1。

表1 骨料性能指标Table 1 Basic properties of aggregates

各试件混凝土配合比、实测立方体抗压强度fcu及弹性模量Ec见表2。

表2 混凝土配合比、实测立方体抗压强度及弹性模量Table 2 Concrete mix proportion，measured cube compressive strength and elastic modulus

试件所用纵筋和箍筋均选用HPB300钢筋；
型钢选用Q345级热轧H型钢；
选用的栓钉等级为4.6级，fy=215 MPa，fu=400 MPa。实测钢材力学性能见表3。

表3 钢材力学性能Table 3 Mechanical properties of steel

1.3 试验加载与测试

试验在北方工业大学结构试验大厅进行，采用电液伺服加载系统进行加载，并利用IMP采集系统进行实时数据采集。试件的支座一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座。抗剪试验所用试件为之前进行了抗弯试验，但试件的两端并没有发生斜截面剪切破坏的试件。抗剪试验利用分配梁来实现两点集中加载，加载点分别距两端支座500 mm，剪跨比为1.66。加载采用分级加载的方式，在梁的支座、加载点和跨中位置分别布置位移计，位移计编号为D1、D2、D3、D4、D5；
并在型钢弯剪区腹板中部布置应变片，分为水平方向和竖直方向，应变测点编号为E1、E2、E3、E4，E2和E4为水平应变片，E1和E3为竖向应变片；
测点布置及加载现场照片见图3。

图3 测点布置及加载现场Fig.3 Layout of measuring points and loading site

加载采用单调逐级加载的方式，分别采用力和位移控制弹性阶段和弹塑性阶段加载。主要测试：①加载装置施加的每级荷载及荷载作用下所对应的跨中挠度；
②在加载过程中产生裂缝所对应的加载级以及位置、长度、宽度；
③H型钢弯剪段腹板应变。

2.1 破坏特征

各试件破坏过程和特征类似。以试件MB-0为例：在加载初期荷载相对较小，混凝土板侧没有产生裂缝，试件的荷载与跨中挠度呈线性关系。当荷载增至522 kN时，试件达到屈服。之后在加载点附近混凝土板侧产生了竖向裂缝和指向加载点的斜向裂缝，跨中受压区的混凝土破坏并逐渐向混凝土与型钢的结合处发展。当荷载增至577 kN时，跨中受压区混凝土破坏，H型钢上翼缘变形明显；
随着变形的不断增大，跨中混凝土板与型钢结合处的型钢上翼缘发生明显鼓曲，试件承载力迅速下降，这是试件破坏的关键因素。整个加载过程中，H型钢与再生混凝土板共同工作性能良好，在弯矩与剪力共同作用下呈剪压破坏形态。试件的破坏过程大致分为以下几个阶段：

（1）弹性阶段：梁在较小的荷载作用下，荷载-跨中挠度曲线基本呈线性关系，且由于受拉区为型钢，加载过程中不会像混凝土开裂产生裂缝。

（2）弹塑性阶段：随着荷载持续增大，混凝土板开始产生斜向裂缝，荷载-跨中挠度曲线出现明显拐点。

（3）破坏阶段：继续增加荷载，梁的承载力增长较为缓慢，梁的跨中区域混凝土受压破坏加快并向下延展至混凝土和型钢结合面，型钢上翼缘变形加快，之后混凝土板破坏，梁承载力迅速下降。

各试件的破坏形态如图4所示（梁跨中区段的破坏，是前期三分点加载受弯破坏基础上继续发展的）。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure mode of specimens

2.2 抗剪特征荷载

实测所得各试件的屈服荷载Fy、极限荷载Fu，以及承载力比较见表4。

表4 实测抗剪特征荷载Table 4 Measured load under test

分析表4可知：①同一组试件中，再生粗骨料取代率为0%的试件与再生粗骨料取代率为50%、100%的试件相比，抗剪承载力接近；
②两组试件相比，HB-0比MB-0的屈服荷载、极限荷载分别提高了16.44%、13.12%；
HB-50比MB-50的屈服荷载、极限荷载分别提高了18.14%、15.80%。

2.3 荷载—跨中挠度

实测所得各试件的荷载—跨中挠度曲线如图5所示。图5（a）是第一组混凝土强度等级为C30的两个试件的荷载-挠度曲线比较，图5（b）是第二组混凝土强度等级为C60的三个试件的荷载-挠度曲线比较，图5（c）是5个试件的荷载-挠度曲线比较。

由图5可见：①第一组试件MB-50、MB-0的全过程抗剪性能接近；
②第二组试件HB-0、HB-50、HB-100的全过程抗剪性能也非常接近，表明再生粗骨料取代率对试件全过程抗剪性能的影响并不大；
③两组试件比较，混凝土强度较高的试件比混凝土强度较低的试件全过程抗剪性能明显提高。

图5 各试件荷载-跨中挠度曲线对比Fig.5 Load-midspan deflection curves of specimens

2.4 荷载-型钢应变

实测所得两组试件的荷载—型钢腹板测点水平应变曲线各自的比较分别见图6（a）、图6（b）；
两组试件的荷载—型钢腹板测点竖向应变曲线各自的比较分别见图7（a）、图7（b）。

图6 两组试件的荷载—型钢腹板测点水平应变曲线各自的比较Fig.6 Comparison of load-horizontal strain curves of two groups of specimens

图7 两组试件的荷载—型钢腹板测点竖向应变曲线各自的比较Fig.7 Comparison of load-vertical strain curves of two groups of specimens

分析图6和图7可知：①两组试件的荷载—型钢腹板测点水平应变曲线发展过程接近，其水平应变均达到屈服；
②两组试件的荷载—型钢腹板测点竖向应变曲线发展过程接近，其竖向应变均未屈服，约为相应测点水平应变的1/3。

实测所得相同再生粗骨料取代率下两组试件的荷载—型钢腹板测点水平应变曲线比较见图8（a）、图8（b）。

由图8可见：①再生粗骨料取代率为0%的两个试件，当型钢腹板测点水平应变达到1000 με左右时二者荷载接近，之后混凝土强度较低的试件损伤加快；
②再生粗骨料取代率为50%的两个试件，当型钢腹板测点水平应变达到1250 με左右时二者荷载接近，之后混凝土强度较低的试件损伤加快；
③提高混凝土强度可以明显提高H型钢-再生混凝土板组合梁的抗剪性能。

图8 相同再生粗骨料取代率下两组试件的荷载—型钢腹板测点水平应变曲线比较Fig.8 Comparison of load-horizontal strain curves of specimens with same RCA replacement ratio

（1）不同再生粗骨料取代率和混凝土强度等级的H型钢-再生混凝土板组合梁斜截面受剪破坏过程基本一致，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。

（2）同一组试件对比，相同强度等级下再生粗骨料取代率为0%的试件与再生粗骨料取代率为50%、100%的试件抗剪承载力接近；
两组试件相比，试件HB-0比MB-0的屈服荷载、极限荷载分别提高了16.44%、13.12%，HB-50比MB-50的屈服荷载、极限荷载分别提高了18.14%、15.80%。

（3）第一组试件MB-50、MB-0的全过程抗剪性能接近；
第二组试件HB-0、HB-50、HB-100的全过程抗剪性能也非常接近，表明再生粗骨料取代率对试件全过程抗剪性能的影响并不大；
两组试件比较，混凝土强度较高的试件比混凝土强度较低的试件全过程抗剪性能明显提高。

（4）两组试件的荷载-型钢腹板测点水平应变曲线发展过程接近，其水平应变均达到屈服；
两组试件的荷载-型钢腹板测点竖向应变曲线发展过程接近，其竖向应变均未屈服，约为相应测点水平应变的1/3。

（5）再生粗骨料取代率为0%的两个试件，当型钢腹板测点水平应变达到1000 με左右时二者荷载接近，之后混凝土强度较低的试件损伤加快；
再生粗骨料取代率为50%的两个试件，当型钢腹板测点水平应变达到1250 με左右时二者荷载接近，之后混凝土强度较低的试件损伤加快。

（6）H型钢-再生混凝土板组合梁，采用栓钉连接构造受力可靠，型钢与混凝土板的共同工作性能良好；
提高混凝土的强度等级可以显著提升H型钢-再生混凝土板组合梁的抗剪承载力及变形能力；
H型钢-再生混凝土板组合梁可用于工程设计。

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