摘要
随着现代桥梁工程轻型大跨、重载耐久等多方面的结构性能需求的发展，利用超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，简称UHPC）材料优异力学性能而形成的少腹筋甚至无腹筋的轻型薄腹结构应运而生。现有研究表明，在混凝土基体中掺入钢纤维可以减小微裂缝尖端的应力集中、提高结构混凝土的韧性，从而限制裂缝开展，使得结构破坏时呈现多缝开裂模式，极大地改善了 UHPC 梁的抗裂性能与耗能能力。但是，当前针对无腹筋 UHPC 梁的裂后受剪性能及疲劳性能的研究仍不够完善，亟待进一步开展试验研究。此外，钢纤维与腹筋对 UHPC 梁抗剪贡献的等代效果，仍缺乏必要的理论分析。因此，本文开展了共12根配置高强钢筋的UHPC梁受剪性能试验研究，包括9根静力受剪试验梁和3根疲劳试验梁，同时基于试验结果评价了现有规范及学者提出的UHPC梁抗剪承载力计算方法，并运用ABAQUS有限元软件进行了精细化模拟和参数化分析。主要研究内容及成果如下： （1）无腹筋UHPC梁的静力受剪裂后性能研究 本文设计9根配置高强纵筋的T型截面UHPC梁（包括5根无腹筋梁、3根不掺钢纤维的有腹筋梁及 1 根不掺钢纤维的无腹筋梁）进行静力受剪试验，研究了钢纤维掺量、配箍率、剪跨比 3 个参数对试验梁受剪裂后性能的影响。研究发现，掺加钢纤维和配置箍筋均能改善试验梁的裂后延性、降低裂后刚度劣化程度。钢纤维体积掺量显著影响 UHPC 梁的受剪试验现象，随着配纤率增大，试验梁的剪切开裂荷载提高、裂缝分布越密集、抗剪承载力及裂后承载力储备越高。增大配箍率能显著提高 UHPC 梁的抗剪承载力和裂后承载力储备，但对剪切开裂荷载影响不大。随着剪跨比由 1 增大至3，破坏模式由斜压破坏向剪压、斜拉破坏转变，破坏时的斜裂缝倾角逐渐减小。 （2）无腹筋UHPC梁裂后抗剪承载力计算方法评述 现有规范和文献针对掺加钢纤维的高性能混凝土梁的抗剪性能均提出了可行的分析方法，本文基于试验数据，评述了各理论公式的适用性，比较了现行规范在无腹筋 UHPC 梁的抗剪承载力预测方面的精度。由于各国规范关于剪跨比、配纤率、配箍率等影响参数的考虑程度不同，导致其在评价无腹筋 UHPC 梁的抗剪承载力时，难以精确反映上述参数对于结构抗剪承载力的影响，致使计算结果趋于保守。另一方面，各国规范适用的材料强度范围较 UHPC 强度低，普遍低估了钢纤维与 UHPC 高性能基体的贡献。结合试验现象，发现钢纤维在开裂性能、抗剪承载力、变形能力方面能够发挥较好地等代箍筋作用，但是由于开裂荷载提高，使试验梁的受剪裂后承载力储备小于对应的有腹筋梁。 （3）基于有限元的UHPC梁裂后受剪性能研究 采用ABAQUS有限元软件对无腹筋UHPC梁的静力受剪裂后性能进行三维精细化模拟，通过与试验结果对比，验证了模型可靠性。建立 26 个模型进行参数化分析，进一步研究了剪跨比、配箍率、UHPC抗压强度、UHPC抗拉强度、UHPC受拉应变硬化段长度 5 个参数对 UHPC 梁受剪裂后性能的影响。参数分析结果表明，UHPC 无腹筋梁剪切失效模式为脆性破坏，但由于梁在破坏时释放出的部分能量被钢纤维及基体吸收，结构尚有一定延性。随着剪跨比增大，试验梁线弹性及剪切裂后刚度下降明显，抗剪承载力降低 50%以上。另外，提高配箍率能改善结构裂后刚度，表明剪切开裂后箍筋与纵筋形成的“桁架作用”能有效约束裂缝开展，提高试验梁的抗剪承载力。同时， UHPC 材性也会影响试验梁的裂后性能，随着抗拉强度增大，梁的抗剪承载力近似呈线性增长，但 UHPC 抗压强度及受拉应变硬化长度对试验梁裂后抗剪承载力的影响相对较小。 （4）无腹筋UHPC梁受剪裂后疲劳性能研究 本文设计3根UHPC梁（包括2根无腹筋梁、1根不掺钢纤维的有腹筋梁）进行受剪裂后疲劳性能试验，研究了疲劳荷载应力水平和纤维等代腹筋对 UHPC 梁的疲劳寿命和剩余强度的影响规律。试验结果表明，UHPC 梁的剪切疲劳破坏过程主要包括三个阶段：疲劳裂纹的潜伏和萌生阶段、疲劳裂纹稳定扩展阶段、试件破坏阶段，分别约占疲劳寿命的 15%、75%和 10%。相应的，疲劳荷载作用下试验梁的跨中挠度、钢筋应变、UHPC 压应变及斜裂缝宽度亦呈三阶段的变化。同一应力水平下，随着循环次数增加，试验梁的跨中挠度、钢筋应变、UHPC 应变和斜裂缝宽度增大，结构刚度显著退化。同一循环次数下，随着应力水平提高，试验梁的跨中挠度、纵筋应变、UHPC 应变和斜裂缝宽度增大，且增幅随应力水平提高进一步增大，疲劳寿命和结构刚度随之降低。钢纤维的“桥联作用”，一定程度上能够减缓无腹筋 UHPC 梁的刚度退化速度。
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