鋼筋聚丙烯纖維混凝土深梁受彎承載力試驗研究

付 敏，夏冬桃，顏 帥，朱 峰

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

合成纖維作為一種加筋材料，可用于提高混凝土的抗疲勞、抗沖擊以及延性等性能，能有效阻止裂縫擴展，改善混凝土的變形性能，混凝土裂縫擴展時，需消耗能量來克服纖維對裂縫的阻裂作用[1-7]。在高層建筑結構的發展中，具備承載力高、自重小、抗裂性能好的轉換梁必不可少，在混凝土中摻加合成纖維可提高轉換梁的使用性能[8-9]，如重慶金廈苑大廈的轉換層結構混凝土中摻加聚丙烯纖維，使高強混凝土的抗裂性及延性得到提高，克服了高強混凝土的脆性[10]；《纖維混凝土結構技術規程》(CECS38：2004)[11]中，補充了關于合成纖維混凝土設計和施工的內容，而聚丙烯纖維混凝土構件的有關設計內容尚未有相關規定。由于聚丙烯纖維的彈性模量較低，但其斷裂伸長率遠大于混凝土的斷裂伸長率，聚丙烯纖維可有效提高混凝土裂后承載能力[12-14]。研究聚丙烯纖維對深受彎構件工作性能和破壞形態的影響，發展相關計算理論和公式，為進一步完善行業規范提供參考依據，且具有極大的理論意義和工程應用價值。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗梁的強度設計等級為C45，水膠比為0.3，砂率40%，粉煤灰摻量20%；選用的材料包括：42.5級普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰，細骨料細度模數為2.68，粒徑為10～15 mm的粗骨料，減水率為12%的FDN減水劑，鋼筋等級均為 HPB335級，聚丙烯纖維的基本性能見表1。

表1 聚丙烯纖維的基本性能

本試驗共設計三種不同聚丙烯纖維摻量的HPC深梁，聚丙烯纖維的摻量分別為0.165%、0.11%、0.055%(深梁依次編號為DBP-1、DBP-2、DBP-3)和不摻纖維對照組深梁(深梁編號DBC-1)。所有深梁截面尺寸均為600 mm×180 mm ，跨度1200 mm，支座中心離深梁外邊緣120 mm。依據文獻[15]的配筋要求，在梁底受拉區配置縱向受力鋼筋Φ3@12，縱筋配筋率ρ為0.327% ，小于彎剪界限破壞配筋率ρbm= 0.775%；僅在純剪區配置水平和豎向分布筋 Φ10@100，以保證深梁具有足夠的抗剪能力。

1.2 試驗加載與測量

試件兩端簡支于支座上，試件加載裝置見圖1。試驗加載方式為三分點對稱集中力加載，采用分級加載的方式進行，先以每級20 kN荷載，達到90%Fcr后，取每級5 kN荷載；跨中截面混凝土開裂后，再取每級20 kN荷載，直至試件破壞。

測量內容包括：1)純彎段混凝土截面應變，沿梁高共布置七個應變片；2)縱向鋼筋應變，純彎段縱筋預埋三個應變片；3)撓度，在深梁支座及跨中放置位移計進行量測；4)各級荷載下的裂縫高度。試件測點布置見圖2。

圖1 深梁配筋構造及加載

圖2 深梁跨中截面的應變片布置

2 試驗結果及討論

2.1 試驗結果

試驗測得的聚丙烯纖維混凝土深梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載見表2。

表2 試件特征荷載

聚丙烯纖維摻量為0.055%和0.165%時，對深梁的極限荷載均僅提高約8.3%；而0.11%的聚丙烯纖維摻量對極限荷載提高58%。分析認為：聚丙烯纖維摻量為0.055%時，由于摻量太低，聚丙烯纖維對深梁的增強作用不明顯；摻量為0.165%時，聚丙烯纖維又無法均勻分布在高性能混凝土中，影響了聚丙烯纖維的增強作用的發揮；聚丙烯纖維體積摻量為0.11%時，聚丙烯纖維均勻分布在混凝土中，對混凝土的增強作用發揮到最佳效果，使深梁的極限荷載得到最大限度地提高。

2.2 試驗結果討論與分析

聚丙烯纖維混凝土深梁的整個受力過程，根據截面應力和荷載-撓度曲線可分為四個階段：彈性受力階段、帶裂縫工作階段、聚丙烯纖維增強階段和破壞階段，試件荷載-撓度曲線見圖3。

圖3 荷載-撓度曲線

試件各階段的受力變形分析：

1)第Ⅰ受力階段：彈性受力階段

當聚丙烯纖維摻量為0.055%時，截面中部的受拉區和受壓區混凝土的應變近似于直線分布，中和軸位于深梁中心軸線上，深梁頂部和底部一定范圍的混凝土均為受拉狀態；當聚丙烯纖維摻量為0.11%時，截面中部的受拉區和受壓區混凝土的應力分布也近似于直線分布，但中和軸上升至深梁截面中心軸線以上約1/6 h高度處，隨著荷載增加，深梁中心軸線以下受拉區混凝土的拉應變增加不明顯；當聚丙烯纖維摻量為0.165%時，截面混凝土應變分布非常復雜，出現多個中和軸現象，不符合平截面假定。第Ⅰ階段，荷載-撓度曲線呈直線，受拉鋼筋的應變與其周圍同一水平處混凝土的應變相等，應力σs為20～50 N/mm2，且與聚丙烯纖維體積摻量基本成反比，該值略高于普通深梁在Ⅰ階段末時的σs(20～30 N/mm2)。

2)第Ⅱ受力階段：帶裂縫工作階段

當達到初裂荷載時，將在跨中截面或彎剪交界截面出現首條豎向微裂縫，荷載-撓度曲線出現首個拐點，標志著進入帶裂縫工作的第Ⅱ階段。開裂后，由于聚丙烯纖維混凝土與鋼筋之間的黏結作用以及裂縫間纖維的橋接效應，使得裂縫的發展變得緩慢。同級荷載下的最大裂縫寬度隨聚丙烯纖維體積摻量的增強而減小，進而表現出纖維混凝土深梁整體剛度比普通深梁明顯提高。直到荷載增加至彎剪交界處截面或支座截面斜裂縫的出現，縱向受力鋼筋達到屈服強度，深梁的屈服荷載比普通深梁的屈服荷載提高30%～50%。第Ⅱ階段，聚丙烯纖維混凝土的拉應變增加速率較快，跨中截面混凝土應變不符合平截面假定。如圖4所示深梁中心線以上混凝土最大拉應變可達到2200 με，深梁中心線以下混凝土最大拉應變則達到8500 με，最大拉應變發生在DBP-3深梁的中心線以下1/3 h處。

(a)試件DBP-1

(b)試件DBP-2

(c)試件DBP-3圖4 深梁跨中截面的混凝土應變

3)第Ⅲ受力階段：聚丙烯纖維強化階段

當縱向受拉鋼筋達到屈服強度時，荷載-撓度曲線出現第二個拐點，受壓區混凝土應變較小，荷載持續增加，深梁進入第Ⅲ階段。繼續增加荷載，聚丙烯纖維的強化作用發揮，彎剪交界截面處的斜裂縫擴展。當裂縫高度與撓度急劇增加，深梁達到聚丙烯纖維強化的極限狀態，該狀態稱為第Ⅲa階段，該階段可作為聚丙烯纖維混凝土深梁正截面承載能力的計算依據。

4)第Ⅳ受力階段：破壞階段

當加載到彎剪交界截面或支座截面斜裂縫迅速延伸擴展至深梁頂部集中荷載作用點附近成為主要裂縫時，從裂縫處可見聚丙烯纖維被拉斷，深梁的跨中撓度快速率增長，深梁發生彎曲破壞，摻纖維試件極限荷載時的撓度小于普通深梁。試件破壞形態見圖5。

圖5 試件DBP-3彎曲破壞裂縫圖

2.3 縱筋荷載-應變曲線

各試件縱筋荷載-應變曲線見圖6。由圖6可見，從加荷至出現裂縫前，縱筋應變較小，荷載主要由混凝土承擔，荷載-應變曲線呈線性關系。試件DBP-1與DBP-3開裂前縱筋瞬時應變約為250 με，跨中出現垂直裂縫后，由于開裂截面處混凝土將開裂前承擔的拉力傳給鋼筋，縱筋應變快速增長至縱筋屈服，達到承載能力極限狀態時縱筋應變約為2200 με左右。試件DBP-2開裂前縱筋瞬時應變約為200 με，初裂后縱筋應變隨著荷載的增加緩慢增長，深梁的受彎承載力持續增加，表明試件開裂后聚丙烯纖維承擔的拉力逐漸增加，當支座處出現斜裂縫迅速延伸至3/4 h高，縱筋屈服后應變增加緩慢，至深梁達到承載能力極限狀態時，縱筋應變不超過2000 με。且在Ⅲa階段時的縱筋應變較其屈服應變增加20%。

圖6 縱筋荷載-應變曲線

3 正截面受彎承載力計算方法探討

3.1 正截面受彎承載力計算分析

深梁屬于彈性力學中的平面問題，根據一般混凝土受彎構件的受彎承載力計算原理來計算鋼筋混凝土深梁的受彎承載力比較困難。對于深梁的受彎承載力計算，可行的辦法是根據實測結果來統計分析深梁內力臂修正系數。因此根據深梁與普通受彎構件的正截面受力性能不同的特點，考慮相對受壓區高度ξ和跨高比l0/h兩因素，規范中給出了包括深梁和短梁在內與一般混凝土受彎構件相銜接的深受彎構件正截面受彎承載力計算公式。而計算聚丙烯纖維混凝土深梁的正截面受彎承載力應按照規范中普通混凝土深梁的正截面受彎承載力公式計算后再考慮纖維的增強作用。

3.2 正截面受彎承載力計算的理論與假定

《纖維混凝土結構技術規程》(CECS38-2004)[11]中未對鋼筋聚丙烯纖維混凝土結構的基本設計原則作有關規定，導致目前多數研究認定鋼筋聚丙烯纖維混凝土結構其基本設計原則與普通混凝土結構大體相同。與高彈模纖維混凝土相比，低彈模纖維混凝土受彎開裂后，不但后抗彎能力有提高，且一定纖維含量的纖維混凝土抗彎承載力在開裂后近似為定值，同時剩余彎曲開裂強度可用于低彈性模量纖維增強混凝土構件的抗彎承載力的計算[16]。假設試件的抗彎承載力由兩部分線性疊加：一部分是不考慮纖維存在鋼筋混凝土所承擔的抗彎承載力Mrc[15]；另一部分是不考慮鋼筋存在由聚丙烯纖維混凝土承擔的剩余彎矩Mp。

故低彈模纖維混凝土深梁的正截面抗彎承載力計算公式為：

Mu=Mrc+Mp

式中：Mp為不考慮鋼筋存在由聚丙烯纖維混凝土承擔的剩余彎矩，內力臂系數取1，Mp=σrbh2/6，其中：σp為剩余彎曲強度，該值根據參考文獻[17]可得出，其大小與聚丙烯纖維摻量有關。

文中提出的公式計算深梁的受彎承載力Mu與試驗測得受彎承載力Mu0進行比較，結果見表3。從表3中可看出，受彎承載力計算值與試驗結果較吻合。其中，試驗值與計算值之比的平均值為1.358，變異系數為0.267。考慮到實測的深梁極限荷載是屈服荷載的120%～150%，按公式計算聚丙烯纖維高性能混凝土深梁的受彎承載力較為合理。

表3 試件抗彎承載力計算值與試驗值對比 kN·m

4 結論

1)聚丙烯纖維可以作為結構材料用于提高混凝土深梁的抗彎性能，聚丙烯纖維摻量0.11%能明顯提高混凝土裂后的承載能力，并使其裂后變形能力得到很大改善，聚丙烯纖維混凝土的最大拉應變可達8500 με.并使深梁屈服荷載提高30%～50%。

2)0.11%聚丙烯纖維摻量的深梁受彎過程具有明顯的纖維強化階段，聚丙烯纖維的強化作用在縱向鋼筋屈服后充分發揮，聚丙烯纖維混凝土深梁的極限受彎承載力提高58 %。

3)可采用剩余彎曲強度理論來探討聚丙烯纖維混凝土對深梁抗彎性能的增強作用，認為鋼筋聚丙烯纖維混凝土的抗彎承載力由兩部分線性疊加：一部分是不考慮纖維存在鋼筋混凝土所承擔的抗彎承載力Mrc；另一部分是不考慮鋼筋存在由聚丙烯纖維混凝土承擔的剩余彎矩Mp。

4)當聚丙烯纖維摻量為0.055%時，纖維發揮作用不明顯；聚丙烯纖維摻量為0.165%時，在混凝土基體中易結團，對高性能混凝土深梁的受彎性能影響不明顯。