混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算方法

摘要：

采用正交試驗法設計鋼聚丙烯混雜纖維高性能混凝土（簡稱HPC）深梁試件，通過靜力試驗研究混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算方法。正交試驗中考慮的因素主要有鋼纖維特征參數（類型、體積率、長徑比）、聚丙烯纖維體積率、水平及豎向分布鋼筋配筋率等。結果表明：混雜纖維能改變無腹筋HPC深梁的受剪破壞形態；混雜纖維的摻入使得HPC深梁的剪切初裂強度和抗剪極限強度明顯提高，其平均提高幅度分別為45.2%和25.6%。將塑性理論應用于混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算得到了很好的結果，分析表明水平及豎向分布鋼筋配筋率的大小對混雜纖維HPC深梁抗剪強度的影響不顯著，但水平分布鋼筋的作用大于豎向分布鋼筋。分析了混雜纖維的增強機理，提出了基于“拉桿拱”模型和劈裂破壞計算模式的混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算式。

關鍵詞：

混雜纖維；高性能混凝土；深梁；正交試驗；受剪承載力；計算方法

中圖分類號：

TU375.1

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01003305

鋼纖維混凝土具有優良的抗拉、抗剪、抗震等力學性能，聚丙烯纖維混凝土韌性高、阻裂效果好，且價格便宜，而鋼聚丙烯混雜纖維高性能混凝土兼具兩者的優點，具有良好的正混雜效應[1]。隨著城市經濟的不斷發展，愈來愈多的高層、超高層建筑、大跨度橋梁不斷涌現，高性能混凝土和深梁在土木工程中的應用越來越廣泛，常見的深梁有轉換層大梁、地下室墻壁和墻式基礎梁等[2]。深梁由于自身的受力特點，常常會發生受剪破壞。各國學者[35]已經探討了鋼纖維增強混凝土深梁和聚丙烯纖維增強混凝土深梁的受剪承載力計算方法，但有關混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算方法的研究還鮮有報道。《纖維混凝土結構技術規程》（CECS 38：2004）[6]還沒有對混雜纖維高性能混凝土深梁的設計和施工提出相關規定。為建立混雜纖維高性能混凝土深梁受剪承載力計算公式，結合正交試驗方法，制作20組HPC深梁試件，其中2組為不摻纖維的HPC深梁對比試件。

劉勝兵，等：混雜纖維HPC深梁受剪承載力計算方法

1試驗概況

18組混雜纖維HPC深梁依照L18（21×37）正交表設計并制作，2組不摻纖維的HPC深梁作為對比試件同時制作。正交設計的因素及水平安排見表1。試驗中對比深梁的混凝土強度為C50，采用標準試驗方法測得其立方體抗壓強度為52.1 N/mm2。試驗中采用的6種鋼纖維長度均為32 mm，聚丙烯纖維采用美國杜拉纖維，長度為19 mm。各組混雜纖維HPC的相關參數及強度試驗結果詳見文獻[7]。

20組深梁均為簡支深梁，采用跨中單點集中加載，剪跨比均為1，跨高比均取1.6，長1 040 mm，截面尺寸均為150 mm×500 mm。深梁部分參數及試驗結果見表2，其他相關參數詳見文獻[8]。

2試驗結果及分析

2.1破壞形態

全部深梁試件均發生剪切破壞，破壞形態詳見表2。對比深梁C1、C2破壞形態均為劈裂破壞，見圖1。混雜纖維HPC深梁典型的破壞形態見圖2，分為斜壓破壞和劈裂破壞2種形態。試驗中，摻入混雜纖維的高性能混凝土無腹筋深梁BF121和DF232均發生斜壓破壞，而無腹筋對比深梁C2發生劈裂破壞，可見混雜纖維的加入可改變無腹筋深梁的受剪破壞形態。

2.2剪切初裂強度及抗剪極限強度

由表2可知，混雜纖維的摻入顯著提高了HPC深梁的剪切初裂強度和抗剪極限強度。剪切初裂強度平均提高45.2%，抗剪極限強度平均提高256%。

2.3增強機理分析

纖維對高性能混凝土基體的作用主要體現在阻裂、增強和增韌3方面。由于纖維能提高混凝土抗拉強度，使得以主拉應力控制的抗剪強度也同時提高。有限元分析表明，混雜纖維HPC深梁應力分布符合“拉桿拱”模型。深梁開裂的原因是由于混凝土主拉應力達到極限強度，開裂前拉力主要由混凝土承擔，開裂后混凝土失去抗拉能力，此時跨越微裂縫的鋼纖維和聚丙烯纖維開始承擔拉力，隨著微裂縫繼續發展，混雜纖維承擔的拉力越來越大。纖維使得深梁的整體性得以增強，從而也相應提高了深梁斜截面初裂強度。鋼纖維的作用類似箍筋，能起到一定抗剪作用，從而降低跨越斜裂縫的分布鋼筋應力。另外，纖維還能強化斜裂面骨料的咬合力和摩擦力，相應增強了鋼筋的銷栓作用，強化了深梁中的“拉桿拱”作用。混雜纖維高性能混凝土的極限應變也得到了提高，相應地提高了深梁斜截面受剪承載力。

3斜截面受剪承載力計算公式

3.1基于塑性理論的計算公式

各國學者利用塑性理論對混凝土構件及結構進行過很多分析，其中趙軍等[9]利用塑性理論提出了與普通混凝土深梁相銜接的鋼筋鋼纖維混凝土深梁受剪承載力計算公式。筆者借鑒這一方法，采用塑性理論推導混雜纖維HPC深梁的受剪承載力計算公式。

屈服條件借鑒文獻[10]中的鋼纖維混凝土的屈服條件。屈服條件可表達為