混雜纖維HPC深梁的剪切變形性能★

劉勝兵

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北武漢 430073)

0 引言

鋼筋混凝土深梁以其巨大的承載能力，在建筑工程中被廣泛應用于肩梁、墻梁、框支梁、剪力墻連梁等構件。近年來高性能混凝土(HPC)成為研究者們持續關注的熱點，但高性能混凝土應用于深梁結構仍然無法改變混凝土脆性大、易開裂這一固有缺陷［1，2］?；炷恋淖冃涡阅苁瞧渲匾奈锢砹W性能之一，直接影響著混凝土結構的抗震性能。隨著高層大跨建筑結構的迅速發展，結構的變形性能(尤其在地震多發區)在設計中顯得尤為重要。目前，國內外對混凝土受彎構件的變形性能非常重視。鋼筋混凝土深梁構件極易發生剪切破壞，而剪切破壞屬于脆性破壞，一旦發生后果嚴重，因此對深梁剪切破壞下的變形性能進行研究是非常必要的。

采用正交設計法，對18組混雜纖維(鋼纖維/聚丙烯纖維)HPC深梁試件和2組普通HPC深梁試件進行受剪試驗，研究混雜纖維HPC深梁的剪切變形性能，為推廣混雜纖維(鋼纖維/聚丙烯纖維)在混凝土結構深梁中的應用提供參考。

1 試驗概況

采用正交試驗法［3］，依據 CECS 38∶2004纖維混凝土結構技術規程［4］的有關要求，選用 L18(21×37)正交表設計18組鋼/聚丙烯混雜纖維HPC深梁，同時設計了2組不摻纖維的HPC對比深梁。

正交試驗的因素及水平安排詳見表1。

表1 因素水平表

20組深梁截面尺寸均相同，為150 mm×500 mm矩形，長1 040 mm。剪跨比均為1，跨高比均為1.6。按文獻［2］高性能混凝土配合比設計的要求及《纖維混凝土結構技術規程》中有關配合比設計的規定，試驗采用高性能混凝土的基體強度為C50。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，石子采用石灰石，粒徑10 mm～20 mm。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰。沙子細度模數2.70，含泥量1%。減水劑采用萘系高效減水劑FDN，減水率不小于10%。采用的基準高性能混凝土配合比見表2。

采用標準試驗方法測得的基體HPC立方體抗壓強度為52.1 N/mm2，劈拉強度為3.35 N/mm2，鋼筋的力學性能指標如表3所示。所有深梁加載時均為簡支梁，跨中單點集中加載，試驗在5 000 kN的壓力試驗機上進行。深梁相關參數及受剪試驗結果參見文獻［5］。

表2 基準混凝土配合比試驗方案 kg/m3

表3 鋼筋的力學性能指標

2 變形研究

2.1 斜截面破壞形態

深梁試件的破壞形態見表4。

表4 深梁試件破壞形態

通過試驗結果可以看出，混雜纖維HPC深梁的斜截面開裂荷載較對比深梁明顯提高。普通高性能混凝土有腹筋深梁C-1和無腹筋深梁C-2剪切破壞時均發生劈裂破壞。而摻入混雜纖維的HPC無腹筋深梁BF1-2-1和DF2-3-2均發生了斜壓破壞，說明混雜纖維的加入使無腹筋深梁受剪破壞形態發生了改變。摻入混雜纖維的有腹筋深梁BF1-3-2及BF2-2-3，相對于對比深梁C-1，破壞形態未能發生改變。主要是由于混凝土中存在的腹筋和混雜纖維相對太多，與混凝土發生了弱界面效應，導致未能改變深梁劈裂破壞形態，因而HPC深梁中摻入混雜纖維時可以適當降低腹筋用量。

對于未摻纖維的HPC深梁，當荷載加至極限荷載的35%左右時，梁深垂直裂縫停止發展，剪跨區內有少量新的斜裂縫出現，其中一條斜裂縫已經張開，并最終發展成為臨界斜裂縫。而摻入混雜纖維后，由于跨越深梁斜裂縫的鋼纖維和聚丙烯承擔了混凝土開裂釋放的拉應力，原有的斜裂縫穩定地向上或向下延伸，并且有多條新的斜裂縫出現，裂縫細而密。隨著荷載增大，深梁跨中部位垂直裂縫也不斷向上延伸，在主要的垂直裂縫中間仍不斷有新的細小裂縫出現。

當荷載加至極限荷載的50%左右時，未摻纖維HPC深梁的臨界斜裂縫已經形成，此時其他斜裂縫并未張開，且不再有新的斜裂縫產生。而摻入混雜纖維的高性能混凝土深梁與主要斜裂縫平行的其他裂縫也穩步擴展，并仍有新的斜裂縫產生。當加至極限荷載時，深梁的破壞伴隨混凝土破壞“嘭”的一聲巨響，沿臨界斜裂縫兩側有混凝土碎塊迸出。而摻入混雜纖維后HPC深梁破壞時發生較明顯的塑性變形，只聽到輕微的爆裂聲，破壞過程中沒有混凝土碎塊迸出，且與臨界斜裂縫平行的其他裂縫也有不同程度的張開，沿破壞斜截面產生明顯的破碎帶。

2.2 混凝土斜截面應變

深梁在跨中集中力作用下，力沿加載點向支座方向傳遞，通過對深梁混凝土表面上垂直于加載點和支座連線方向應變片的數值可以觀察到斜截面混凝土表面部分的應變分布。

經實測所得到的普通HPC有腹筋深梁C-1和無腹筋深梁C-2的混凝土斜截面應變在各級荷載作用下沿梁長的分布如圖1所示。

圖1 普通HPC深梁混凝土斜截面應變

由圖1可以看出，從加荷到出現斜裂縫之前，混凝土斜截面應變與荷載基本呈線性變化。斜截面開裂前有腹筋深梁和無腹筋深梁在同級荷載下斜截面的應變值差不多，說明在開裂前鋼筋和混凝土能夠較好地協同工作。

實測得到的混雜纖維HPC深梁的混凝土斜截面應變在各級荷載作用下沿梁長的分布如圖2所示。由圖2可以看出，當荷載較小時，混凝土斜截面上的應變較小，與荷載基本呈線性變化。混雜纖維HPC深梁的斜裂縫比HPC對比深梁出現的要晚;當斜裂縫出現后，混凝土斜截面上的應變也產生突變，但和相同配筋的HPC對比深梁相比，突變明顯變小，原因是斜裂縫產生后，“橋架”于斜裂縫之間的混雜纖維開始發揮作用，承擔了一部分拉力，從而使混凝土斜截面上的應變減小。

2.3 水平分布鋼筋荷載—應變關系

圖3列出了部分深梁水平分布鋼筋的荷載—應變關系。由圖3可以看出，從加荷到出現斜裂縫之前，水平分布鋼筋應變很小。斜裂縫出現后，水平分布鋼筋應變迅速增加，破壞時受拉區水平鋼筋一般都能屈服。與深梁C-1相比，深梁BF1-3-2的水平分布鋼筋的應變隨荷載的發展明顯減緩，深梁C-1破壞時水平分布鋼筋SP1的應變為0，SP2的應變為4 610 με，而與深梁C-1配筋相同的混雜纖維高性能混凝土深梁BF2-2-3破壞時水平分布鋼筋SP1的應變為 －702 με，SP2的應變為 2 250 με。原因是裂縫間的混雜纖維承擔了一部分拉力，減小了水平分布鋼筋承擔的拉力所致。

圖2 混雜纖維HPC深梁混凝土斜截面應變

圖3 水平分布鋼筋荷載—應變關系

2.4 豎向分布鋼筋荷載—應變關系

圖4 豎向分布鋼筋荷載—應變關系

圖4列出了部分深梁豎向分布鋼筋的荷載—應變關系。可以看出，從加荷到出現斜裂縫之前，豎向分布鋼筋應變很小。斜裂縫出現后，深梁C-1中穿越斜裂縫的豎向分布鋼筋應變迅速增加，破壞時受拉區豎向鋼筋一般都能屈服，并且豎向鋼筋應變一般都小于水平鋼筋應變，說明水平鋼筋的作用大于豎向鋼筋。與深梁C-1相比，相同配筋的深梁BF1-3-2的豎向分布鋼筋的應變隨荷載的發展明顯減緩，深梁BF1-3-2開裂后豎向分布鋼筋的應變均低于深梁C-1豎向分布鋼筋的應變。原因是裂縫間的混雜纖維承擔了一部分拉力，減小了豎向分布鋼筋承擔的拉力所致。

3 結語

1)普通高性能混凝土有腹筋深梁和無腹筋深梁在剪切破壞下均發生劈裂破壞，而混雜纖維高性能混凝土深梁的剪切破壞有斜壓破壞和劈裂破壞兩種模式?；祀s纖維的摻入，使部分深梁的受剪破壞形態發生了改變。

2)混雜纖維的摻入使得高性能混凝土深梁斜裂縫的出現變晚，斜截面上混凝土應變的突變明顯變小。

3)混雜纖維的摻入使得深梁受剪開裂后水平分布鋼筋和豎向分布鋼筋的應變均減小，原因是深梁開裂后裂縫間的混雜纖維承擔了一部分拉力所致。

［1］丁大鈞.高性能混凝土及其在工程中的應用［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［2］馮乃謙.高性能混凝土結構［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［3］朱偉勇.正交與回歸正交試驗法的應用［M］.沈陽:遼寧人民出版社，1978.

［4］CECS 38:2004，纖維混凝土結構技術規程［S］.

［5］劉勝兵，徐禮華.混雜纖維高性能混凝土深梁受剪性能［J］.土木工程學報，2013，46(3):29-39.