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摘要：超高性能混凝土（Ultrahigh-performance concrete）是一种具有许多优异特性的新型水泥基材料，在许多方面远远超越普通混凝土。钢纤维的加入能有效提高UHPC的许多性能，最佳体积掺量为2%，钢纤维的种类对UHPC有不同程度的影响。目前已有文献研究了UHPC的抗剪性能，并提出了计算模型和设计理论。UHPC梁的截面形状和箍筋的配置能改变其抗剪承载力。
关键词：超高性能混凝土；钢纤维；抗剪性能
0引言
超高性能混凝土（Ultrahigh-performance concrete）是一种新型水泥基材料，相比与普通混凝土，具有许多优越的特性。UHPC的抗压强度一般超过150MPa，甚至达到了200MPa，是普通混凝土强度的三倍以上；其优异的抗剪强度可以使梁体取消腹筋的配置，大大减小了施工难度；其韧性、延性、断裂能较普通混凝土有大幅度提高；此外还存在耐久性强，抗腐蚀性能好等诸多优点，因此具有广阔的应用前景。但是由于UHPC在国内的研究尚处于起步阶段，还未有统一的设计规范，另外对材料、设备和施工工艺等方面要求较高，因此目前难以得到广泛应用。本文综述了目前对超高性能混凝土在钢纤维和抗剪性能的最新研究成果，以给相关从业人员一些启发。
1钢纤维对UHPC的影响
钢纤维是超高性能混凝土的重要组成部分。钢纤维的存在，使得UHPC的抗拉强度、韧性、延性等力学性能有不同程度的改善，对裂缝的扩展起到很好的限制作用。目前常用的刚纤维种类有平滑型和两端带弯钩型。
1.1 钢纤维对UHPC干燥收缩的影响
吴林妹，史才军等把钢纤维作为控制变量，研究粉煤灰或矿渣作为外加剂下UHPC的表现。通过相关实验，分析了上述三个因素的变化对UHPC的影响；深入分析了钢纤维对干燥收缩的影响机理；最后提出了干燥收缩经时关系公式。得出的结论有：（1）钢纤维可以有效地降低UHPC的干燥收缩，但当其掺量超过2%后，对干燥收缩的改善作用明显降低；（2）粉煤灰对UHPC的干燥收缩抑制作用大于矿粉；（3）研究提出的干燥收缩公式比ACI和王铁梦的要好[1]。
1.2 钢纤维对UHPC轴心受压作用下的影响
H.O.Shin等主要研究了在轴心受压作用下钢纤维对UHPC试件表面剥落的影响。通过控制钢纤维掺量与箍筋的配筋率开展试验。最后得出的结论有：（1）横向加固可以提高混凝土的抗压强度和韧性，且加入钢纤维更为显著；（2）钢纤维可以有效控制混凝土的表层剥落，但仅在横向配筋率适当的情况下才能提高混凝土的强度与韧性；（3）与普通混凝土比较，钢纤维能控制混凝土剥落，都可以替代一部分腹筋[2]。
1.3钢纤维的种类使用对UHPC力学性能的影响
Zhang Lihui等研究了钢纤维的不同种类以及它们的混合使用对加入粗骨料的UHPC的弯曲韧性和断裂力学性能的影响。试验中所使用的钢纤维类型有平滑型，带弯钩A型和带弯钩B型。通过轴心受压、三点加载以及四点加载试验测定相关数据并加以分析，结论如下：（1）钢纤维对加入粗骨料的UHPC试件的抗压强度、弹性模量无明显影响；（2）弯钩B型钢纤维的加入在界面抗剪强度、分散系数和方向系数中表现较好，接下来是弯钩A型和平滑型；（3）加入钢纤维可以弥补粗骨料的缺陷，提高UHPC性能。其中，带弯钩的钢纤维比平滑型的效果好，而弯钩与平滑混合型使用效果最好，建议加入量为2%。
1.4 钢纤维锈蚀细观力学的有限元模拟
舒刚，张清华等在前人研究的基础上，通过ABAQUS的二次开发，实现了钢纤维的体积含量和锈蚀程度对UHPC力学性能影响的有限元模拟，并进行了验证。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆结果表明：（1）该研究提出的算法简单可行；（2）钢纤维体积含量为2%时UHPC的抗弯性能最佳；（3）钢纤维锈蚀使得纤维截面被削弱，锈坑附近产生应力集中，界面粘结遭到破坏，这三者是影响锈蚀效应的关键因素[4]。
2UHPC抗剪
超高性能混凝土要替代普通混凝土，其抗剪的力学性能必须要研究清楚。目前已有文献进行了UHPC抗剪的研究，提出了一些计算模型和设计理论。但目前尚未有统一的规范。
2.1 抗剪设计理论的研究
徐海宾通过控制相关实验参数（剪跨比、预应力度、配箍率、张拉控制应力），开展了UHPC梁的剪切破坏实验。在实验结果的基础上，参考了国内现行的普通混凝土以及国外已发布的UHPC的设计规范，并结合已有的研究成果，提出了简便的UHPC梁斜裂缝宽度和抗剪承载力设计的计算理论。最后通过理论计算与实验数据对比，证明了该理论在斜裂缝宽度计算以及抗剪承载力的预测上具有较高的准确性[5]。
Voo等设计了七根不带箍筋并加入钢纤维的预应力RPC工字型梁进行三点加载抗剪试验，取试验变量为钢纤维的种类、数量和预应力度。研究表明，在峰值荷载下，梁的腹板处出现了许多裂缝并分布均匀，破坏荷载大于开裂荷载的两倍。研究人员建立了SFR-RPC梁的剪切破坏设计模型，该模型基于滑移开裂理论。将模型计算结果与试验数据进行比较可以发现，该模型在预测抗剪强度方面与实际情况具有良好的相关性。但是，在计算主斜裂缝的角度方面不甚理想，需要进一步进行探索。
2.2 抗剪性能的研究
2.2.1 截面对抗剪性能的影响
付强等设计了6根HRB500级钢筋简支梁（包括3根矩形截面梁和3根T形截面梁），在三分点处进行加载，同时用有限元方法进行模拟，将模拟结果与实验结果对比，得出以下结论：1）用有限元方法对UHPC梁进行模拟具有一定的适用性；2）T形截面较矩形截面可以提高UHPC梁的抗剪承载力和刚度，并能有效限制斜裂缝宽度；3）T形截面UHPC梁的抗剪承载力与受压翼缘宽度并非呈线性关系，当翼缘宽度为2倍腹板宽度时抗剪承载力提高最为明显[8]。
2.2.2 腹筋对抗剪性能的影响
梁兴文对7根配置腹筋的UHPC矩形截面梁进行抗剪性能试验，主要变化参数包括剪跨比、纵筋配筋率、配箍率和钢纤维掺量体积率。通过观察梁的破坏过程，整理试验数据并绘制荷载—挠度曲线、荷载—箍筋应变曲线、荷载—斜向变形曲线、荷载—纵筋应变曲线，可以得出以下结论：1）UHPC有腹筋梁的受剪破坏模式有剪切破坏和剪压破坏两种，前者纵筋完全屈服，后者纵筋未完全屈服；2）箍筋可以提高UHPC梁开裂后的刚度，增加钢纤维和箍筋均可以提高UHPC梁的抗剪能力，且两者共同作用可以提高其延性；3）箍筋的存在可以有效限制斜裂缝的发展，但在开裂初期作用不大。
3结语
本文通过综述了UHPC在钢纤维和抗剪方面的研究进展，可以得出以下主要结论：（1）钢纤维的加入能有效提高UHPC的抗拉强度、韧性与断裂能等力学性能，对裂缝的扩散起到很好的限制作用，且能有效减缓收缩徐变的作用。钢纤维的最佳体积掺量为2%。带弯钩型的钢纤维比直线型的效果好，混合型比单一种类的钢纤维更能发挥出其作用；（2）目前已有文献研究了UHPC的抗剪性能并建立了抗剪承载力计算模型与设计理论，且与实际情况较吻合。T形截面的UHPC梁比矩形截面的抗剪承载力要高。箍筋可以有效提高其抗剪强度，且能有效抑制斜裂缝的开展，但对裂缝的出现时间影响不大。
参考文献
[1]吴林妹，史才军，张祖华，et al.钢纤维对超高性能混凝土干燥收缩的影响[J].材料导报，2017.
[2]舒刚，张清华，黄云，卜一之.超高性能混凝土钢纤维锈蚀的细观力学分析[J/OL].西南交通大学学报：1-8[2019-03-16].
[3]徐海宾.HRB500钢筋预应力超高性能混凝土梁受力性能研究[D].北京工业大学，2015.
[4]梁兴文，王照耀，于婧，李林.超高性能混凝土有腹筋梁受剪性能及受剪承载力研究[J].土木工程学报，2018，51（10）：56-67.
[5]付强，万冬伟，杨玉兰，et al.T形截面RPC简支梁抗剪性能试验及有限元分析[J].铁道标准设计，2018，62（2）：101-106.
论文作者:张丽丽
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/10
标签：钢纤维论文; 截面论文; 承载力论文; 性能论文; 裂缝论文; 混凝土论文; 荷载论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;