高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂試驗(yàn)與受剪開裂剪力的計(jì)算

卞 祝，黃 偉，戈海玉，葛清蘊(yùn)

1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安,237000；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，安徽馬鞍山,243000

高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂試驗(yàn)與受剪開裂剪力的計(jì)算

卞 祝1，黃 偉2，戈海玉1，葛清蘊(yùn)1

1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安,237000；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，安徽馬鞍山,243000

通過高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土簡支梁抗剪試驗(yàn)，研究了混凝土強(qiáng)度等級、鋼纖維摻量及箍筋對試驗(yàn)梁受剪抗裂的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度等級的提高與鋼纖維的摻入能顯著提高鋼筋混凝土梁受剪抗裂性能，而梁斜截面開裂前箍筋基本不參與抗剪。基于國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)，提出了考慮剪跨比、縱筋率和鋼纖維特征參數(shù)的高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并與所收集的相關(guān)公式進(jìn)行對比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，所提出的公式計(jì)算值和實(shí)測值較吻合。

鋼纖維；梁；高強(qiáng)高性能；混凝土強(qiáng)度等級；受剪開裂剪力

鋼筋和混凝土作為當(dāng)今主要建筑材料，已向高強(qiáng)高性能發(fā)展[1-3]。一些學(xué)者通過鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪試驗(yàn)研究，提出開裂荷載計(jì)算公式[4-8]，但各研究的側(cè)重點(diǎn)不同，結(jié)果很難有普適性，且計(jì)算方法也未統(tǒng)一。鋼纖維的摻入增加梁斜截面受剪機(jī)理的復(fù)雜性，鋼纖維高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土梁受剪抗裂機(jī)理與普通梁相比有何不同，其受剪開裂剪力能否采用普通梁公式計(jì)算，這些問題的存在，使得受剪抗裂的相關(guān)研究具有重要意義。

本文根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和所收集到的相關(guān)梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析影響試驗(yàn)梁抗裂剪力的主要因素，提出高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁抗剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)中的公式進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)概況

試件配筋和加載點(diǎn)位置見圖1，試驗(yàn)梁主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)梁包括HRB500高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁、無鋼纖維對比梁；同時，選用長徑比值48.5、端部帶鉤剪切異型鋼纖維。

圖1 試件配筋及加載圖

表1中，C(common concrete)為普通混凝土，B(bearing)為承載能力，S(shear)為剪切，F(xiàn)(fiber)為纖維，λ為剪跨比，ρf為鋼纖維體積率，h0為截面有效高度，ρ為縱筋率，ρsv為配箍率。

2 開裂剪力影響試驗(yàn)參數(shù)

利用本文提出的試驗(yàn)梁實(shí)測開裂剪力值Vfcr,m，運(yùn)用現(xiàn)行規(guī)程[9]計(jì)算得開裂剪力值，結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

2.1 混凝土強(qiáng)度等級

由表2可以看出，SBC2受剪斜截面開裂剪力值比梁SBC1提高15.2%，梁SBF1～SBF3開裂剪力值比梁SBF4～SBF6分別提高10.9%、89.2%、49.7%，可見鋼纖維摻量為定值時，混凝土強(qiáng)度等級提高，梁開裂剪力均有一定程度的增大。混凝土抗拉強(qiáng)度隨其強(qiáng)度等級的增加而增加，梁斜截面開裂剪力也隨之增加，這在摻入鋼纖維的混凝土梁上表現(xiàn)得更顯著。

表2 梁計(jì)算剪力和實(shí)測剪力值

2.2 鋼纖維摻量

根據(jù)圖2所示的梁開裂剪力值隨著鋼纖維摻量增加變化趨勢，對于混凝土強(qiáng)度等級為C50系列梁，梁SBF4、SBF5、SBF6開裂剪力值比梁SBC1分別提高18.2%、-2.3%、28.0%；梁SBF1、SBF2、SBF3開裂剪力值比梁SBC2提高13.8%、60.5%、66.5%。因此，摻入鋼纖維能顯著提高鋼筋混凝土梁的抗裂性能，且能改善高強(qiáng)混凝土的脆性。初步分析SBF5梁數(shù)據(jù)由試驗(yàn)誤差所致。

圖2 對開裂剪力影響

由試驗(yàn)可知，梁SBF6開裂時剪力為84.5 kN，此時剪壓區(qū)箍筋應(yīng)變值并未立即突變，直到剪力增長到123.5～147.0 kN。其他鋼纖維梁試驗(yàn)有同樣的現(xiàn)象。梁斜截面受剪剪跨區(qū)受力最大，鋼纖維鋼筋混凝土梁隨外荷載的增加，內(nèi)部首先出現(xiàn)微裂縫，跨越微觀裂縫的鋼纖維可承擔(dān)一部分剪力，阻滯微觀裂縫發(fā)展為肉眼可見裂縫。鋼纖維混凝土梁比無纖維對比試驗(yàn)梁延遲出現(xiàn)斜裂縫，開裂剪力值增大。鋼纖維混凝土梁開裂后，剪壓區(qū)亂向分布的鋼纖維使得梁內(nèi)力重分布的能力提高，跨越裂縫的鋼纖維承擔(dān)剪力并將基傳向未開裂的混凝土，此時內(nèi)力重分布充分而平穩(wěn)，箍筋參與抗剪有效推遲。

2.3 箍筋

圖3為剪力—剪跨區(qū)箍筋應(yīng)變實(shí)測曲線。由圖可知，各梁剪跨區(qū)開裂時對應(yīng)箍筋應(yīng)變值較小，為32～38 με，斜截面開裂前，箍筋基本未參與梁抗剪。

圖3 剪力-箍筋應(yīng)變關(guān)系

梁剪跨區(qū)受力較大處混凝土達(dá)到極限抗拉應(yīng)變，使得梁內(nèi)初始微裂縫發(fā)展為宏觀裂縫而宣告受剪開裂。鋼纖維本身比表面積大，亂向分布在混凝土中產(chǎn)生有效粘結(jié)，能顯著限制微觀裂縫發(fā)展，從而提高梁抗裂剪力。與鋼纖維相比，箍筋與基體混凝土間粘結(jié)能約束混凝土。但由于箍筋表面光滑、直徑小、間距較大，只能約束其周圍有限范圍內(nèi)的混凝土，對整個剪跨區(qū)混凝土裂縫調(diào)節(jié)能力較弱，限制剪跨區(qū)混凝土微裂縫的開展遠(yuǎn)不比鋼纖維，鋼纖維的摻入使得箍筋對梁受剪抗裂的貢獻(xiàn)比更小。也有文獻(xiàn)[7]表明，其他變量相同時，提高配箍率對鋼纖維混凝土梁抗裂剪力值的影響甚微。

3 高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂剪力計(jì)算方法

3.1 開裂剪力計(jì)算方法

簡支梁在兩點(diǎn)對稱加載下受剪開裂時，對應(yīng)支座剪力為梁開裂剪力值。鋼纖維鋼筋混凝土梁開裂剪力主要影響因素有混凝土強(qiáng)度、鋼纖維種類和摻量、梁截面尺寸(有效高度)、剪跨比、縱筋率等。對于鋼纖維鋼筋混凝土無腹筋梁斜截面的抗裂，基本不存在尺寸效應(yīng)[10]，配置箍筋可在一定程度限制其在有效影響范圍內(nèi)裂縫開展，使截面有效高度值對梁抗裂影響不大。根據(jù)前面的分析可知，開裂前剪跨區(qū)箍筋應(yīng)力不大，因此，有箍筋鋼纖維混凝土梁開裂剪力不考慮尺寸效應(yīng)和箍筋貢獻(xiàn)。對于鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度，通過制作標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行量測可得，無試塊時，可采用規(guī)程[9]規(guī)定的公式計(jì)算：

fft=ft(1+αtλf)

(1)

鋼纖維對混凝土整體增強(qiáng)已受到研究者的一致認(rèn)可，梁抗裂性能隨著縱筋率的增大而提高[5]，有文獻(xiàn)考慮受拉縱筋含量對梁受剪開裂剪力影響[11]，但縱筋率ρ和剪跨比λ對梁抗裂影響很難定量，因此本文建立關(guān)于λ及ρ的梁開裂剪力系數(shù)k1(λ,ρ)并進(jìn)行研究。

綜上所述，配有高強(qiáng)高性能鋼筋和高強(qiáng)鋼纖維混凝土的梁抗剪開裂剪力影響因素包括梁截面尺寸(寬度和有效高度)、鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度fft、縱筋率ρ和剪跨比λ，則有計(jì)算公式如下：

(2)

式中，vfcr、Vfcr為鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪開裂強(qiáng)度(MPa)及開裂剪力(kN)。

對所收集的國內(nèi)外94根鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪開裂強(qiáng)度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到k1(λ,ρ)的表達(dá)式如下：

(3)

式(3)和式(1)中均考慮鋼纖維的增強(qiáng)抗裂作用，實(shí)際澆筑鋼纖維混凝土?xí)r存在振搗密實(shí)困難，可適當(dāng)降低增強(qiáng)幅度，并在95%保證率基礎(chǔ)上考慮方便實(shí)用，調(diào)整式(3)得到：

(4)

將式(4)代入式(2)，得到高強(qiáng)高性能鋼筋鋼纖維混凝土梁在兩點(diǎn)集中荷載下開裂剪力經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

式中，λ<1時，取λ=1；λ>3時，取λ=3。采用式(5)計(jì)算文獻(xiàn)[5，7，12-14]中梁受剪開裂荷載理論值Vfcr,c，統(tǒng)計(jì)分析剪跨比λ分別在1～3、3～4時梁受剪開裂剪力實(shí)測值與計(jì)算值的比值，詳見表3。

表3 梁開裂剪力值對比

由表3可見，當(dāng)1≤λ≤3時，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.065，變異系數(shù)δ=0.275；當(dāng)3≤λ≤4時，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.419，變異系數(shù)δ=0.634。計(jì)算值與實(shí)測值較為吻合，式(5)能夠較好地預(yù)測剪跨比為1≤λ≤3高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力值。

3.2 計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

采用本文所提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(5)計(jì)算試驗(yàn)梁受剪開裂剪力值，如圖4和表4所示，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.198,變異系數(shù)δ=0.135，可見式(5)能夠較好地預(yù)測兩點(diǎn)集中加載的情況下高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力值。

圖4 試驗(yàn)梁受剪開裂剪力統(tǒng)計(jì)分析

3.3 開裂剪力計(jì)算公式對比分析

公式(6)～(10)為收集鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪開裂剪力公式[4-8]。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，βcr為鋼纖維增強(qiáng)系數(shù)，對剪切異型鋼纖維取0.33。

表4 試驗(yàn)梁受剪開裂剪力統(tǒng)計(jì)分析

采用式(5)以及公式(6)～(10)計(jì)算本文試驗(yàn)梁受剪開裂剪力值并進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5、圖6。由圖可見，當(dāng)ρ=0.8%時，公式(6)計(jì)算值與實(shí)測值較為吻合；公式(7)(8)計(jì)算值與實(shí)測值相比偏大，不安全；公式(9)(10)開裂計(jì)算剪力過小，公式保守，本文公式(5)對梁開裂剪力值整體預(yù)測較好。

圖5 C50梁開裂剪力值

圖6 C80梁開裂剪力值

4 結(jié) 語

根據(jù)以上試驗(yàn)分析，可得到以下結(jié)論：

(1)鋼纖維混凝土梁抗裂剪力隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大。

(2)鋼纖維的摻入能顯著改善梁整體受剪抗裂性能。鋼纖維體積率ρf≤2%時，高強(qiáng)高性能鋼筋鋼纖維混凝土梁受剪抗裂剪力值隨著ρf的增加而增加，箍筋在梁剪跨區(qū)開裂前基本未參與抗剪。

(3)提出高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)公式，考慮了梁受剪主要影響因素以及縱筋率影響，能較準(zhǔn)確預(yù)測采用高強(qiáng)高性能鋼筋和高強(qiáng)鋼纖維混凝土的簡支梁斜截面受剪抗裂剪力值，計(jì)算值與相關(guān)文獻(xiàn)和本文試驗(yàn)梁實(shí)測值吻合較好。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.08.032

2016-01-12

皖西學(xué)院校青年項(xiàng)目“鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土簡支梁受剪性能研究”(WXZQ1413)。

卞祝(1987-)，女，安徽六安人，碩士，助教，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU

A

1673-2006(2016)08-0118-04