鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

代洪偉 趙燕茹

1. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070 2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051

在工程結(jié)構(gòu)中，混凝土構(gòu)件受扭現(xiàn)象普遍存在，例如懸挑結(jié)構(gòu)雨篷梁等，受扭構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)配筋與普通鋼筋混凝土構(gòu)件位置相反，受扭位置混凝土上部鋼筋排布相對(duì)密集，一定程度上影響了混凝土的澆筑，同時(shí)混凝土由于施工澆筑等原因，使其內(nèi)部具有一定的微裂縫，從而在外力作用下，降低了混凝土的力學(xué)性能。鋼纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，趙國(guó)藩等[1]系統(tǒng)研究了混凝土機(jī)體中合理的鋼纖維摻入量，研究表明：混凝土中鋼纖維摻入0.5%-2%為宜，摻入量低于0.5%，強(qiáng)度增加不明顯，高于2%混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)蜂窩、孔洞等；高丹盈等[2,3]研究了鋼纖維混凝土基本理論以及鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)與應(yīng)用；代洪偉等等人研究了鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及抗壓性能[4]；趙燕茹等對(duì)鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)與有限元模擬分析[5,6]。本文主要研究鋼纖維的摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與抗扭強(qiáng)度以及破壞形態(tài)的影響。

1 鋼纖維混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（42.5）；中砂，細(xì)度模數(shù)2.79，含泥量1.79%；粗骨料碎石粒徑5mm-20mm,含泥量＜1%；鋼纖維主要性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼纖維性能指標(biāo)

1.2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮混凝土耐久性、和易性；同時(shí)鋼纖維摻入量一定要經(jīng)濟(jì)合理，降低鋼纖維混凝土成本。

本試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度確定為C30，采用絕對(duì)體積法用鋼纖維等體積替代部分骨料[8]，最終本試驗(yàn)的配合比見下表2。

表2 鋼纖維混凝土配合比

1.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，C30混凝土，試件共5組，各組試塊按0%，0.5%，1%，1.5%，2%等體積鋼纖維替代粗骨料，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后，按規(guī)范要求進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.4 鋼纖維鋼筋混凝土抗扭試驗(yàn)

1.4.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共澆筑14根鋼纖維鋼筋混凝土矩形構(gòu)件，各構(gòu)件的支座約束方式、構(gòu)件長(zhǎng)度、截面尺寸、配筋率、構(gòu)件材料機(jī)體強(qiáng)度及其加載方式完全相同；其中有6根對(duì)比矩形構(gòu)件，既兩根不摻鋼纖維的梁，4根減少箍筋的矩形構(gòu)件，其它8根梁按鋼纖維體積摻量0.5%、1%、1.5%、2%每種制作2根；構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度L=1.2m，構(gòu)件受扭段有效長(zhǎng)度為1m；截面尺寸150mm×240mm,試驗(yàn)構(gòu)件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱筋和箍筋均采用HPB235鋼筋[9]，構(gòu)件制作按規(guī)定 執(zhí)行。

試驗(yàn)構(gòu)件配筋：圖1為適筋梁配筋圖；圖2構(gòu)件縱筋配筋與圖1相同，與圖1比較減少兩根箍筋的梁配筋圖。

圖1 適筋梁配筋圖

圖2 減少箍筋構(gòu)件配筋圖

1.4.2 應(yīng)變片的布置

（1）鋼筋應(yīng)變片的布置及編號(hào)

構(gòu)件縱筋筋應(yīng)變片主要布置在每根鋼筋1/4、3/4位置鋼筋上，箍筋應(yīng)變片布置在約1/4、1/2、3/4位置箍筋上，見圖3、圖4。

圖3 鋼筋應(yīng)變片編號(hào)

圖4 鋼筋應(yīng)變片編號(hào)（少筋）

（2）混凝土應(yīng)變片的布置及編號(hào)

混凝土應(yīng)變片主要布置在受扭構(gòu)件有效長(zhǎng)度1/4、1/2、3/4位置混凝土構(gòu)件表面正面與側(cè)面上，見圖5。

圖5 混凝土應(yīng)變片編號(hào)

1.4.3 加載裝置設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)純扭受力狀態(tài)的加載裝置[10]，圖6（a）所示，兩端按構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)，并經(jīng)加工焊接而成金屬盒，左端金屬盒與支架焊接而成固定端約束，右端金屬盒焊接在加載圓盤上，加載盤圖6（b）偏心位置安裝鋼絲繩，千斤頂拉動(dòng)鋼絲繩對(duì)構(gòu)件軸心產(chǎn)生力矩，另一端支座約束處產(chǎn)生約束反力矩，兩端形成一對(duì)力偶，圖6（c）所示，從而在構(gòu)件中間段產(chǎn)生扭矩。

圖6 加載裝置簡(jiǎn)圖

采用靜力加載方案，利用手動(dòng)千斤頂分級(jí)進(jìn)行加載，加載數(shù)值通過與傳感器（已標(biāo)定）連接的應(yīng)變儀（型號(hào)：TS3860）來控制，從而采集記錄到混凝土、鋼筋的應(yīng)變值。加載需先預(yù)載，待構(gòu)件穩(wěn)定確定無問題后，卸掉預(yù)載，然后分級(jí)加載，直至構(gòu)件破壞。加載過程中，及時(shí)記錄儀表數(shù)值，觀察試驗(yàn)試件裂縫開展情況，并用記號(hào)筆詳細(xì)繪出裂縫的開展順序及分布情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 受壓構(gòu)件破壞形態(tài)

圖7分別為鋼纖維含量為0%、1.0%、1.5%、2.0%的鋼纖維混凝土試塊受壓破壞形態(tài)圖，從試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)：普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件與摻入鋼纖維的混凝土立方體試件破壞形態(tài)與過程有很大的不同，普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在受壓時(shí)，荷載達(dá)到強(qiáng)度極限值時(shí)，試件表面出現(xiàn)一條豎向主裂縫，立即破壞，荷載值迅速降低，失去抵抗破壞能力，具有混凝土脆性破壞特點(diǎn)；從圖7（b）、（c）破壞形態(tài)可以看出，破壞面為45°斜裂縫，具有剪切破壞特征；為當(dāng)混凝土中摻入鋼纖維后，試塊的極限抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變都有所增長(zhǎng)，特別是在荷載達(dá)到極限荷載后試件并不立即破壞，而是隨著變形的增長(zhǎng)，試塊側(cè)面出現(xiàn)45°斜裂縫，其它表面無明顯裂痕，出現(xiàn)細(xì)微裂縫，承載力逐漸下降，當(dāng)試驗(yàn)中繼續(xù)加載，形成宏觀裂縫而破壞；試塊無明顯碎裂，表現(xiàn)出鋼纖維混凝土“裂而不散”的特點(diǎn)，見圖7。

圖7 不同體積率的鋼纖維混凝土抗壓試塊破壞形態(tài)

2.1.2 受壓試件試驗(yàn)結(jié)果

本次抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)強(qiáng)度計(jì)算方法按下式：

由以上計(jì)算方法計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以看出：在混凝土基體中摻入鋼纖維0.5%、1.0%、1.5%、2.0%體積率時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別提高了5.9%、9.3%、12.8%、14.3%。可以看出抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加有所提高，鋼纖維摻入混凝土基體后，阻止了混凝土裂縫的擴(kuò)展，從而提高了混凝土的抗裂能力，且隨鋼纖維含量的增加而增加。

由表3可以看出，隨鋼纖維含量的提高，抗壓強(qiáng)度提高的幅度有所下降，說明在基體強(qiáng)度一定的情況下，鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓性能的提高是有限的。當(dāng)鋼纖維體積率在1.0%-2.0%范圍內(nèi)時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用較好。

表3 試驗(yàn)處理結(jié)果

2.2 抗扭強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 構(gòu)件破壞過程和破壞形態(tài)

圖8與圖9分別為為鋼纖維含量為0%的對(duì)比構(gòu)件L0與鋼纖維含量為1.5%的試驗(yàn)受扭構(gòu)件L1.5破壞形態(tài)圖。

圖8 L0最終破壞形態(tài)對(duì)比試件L0（1.5%）

圖9 L1.5最終破壞形態(tài)對(duì)比試件（0%）

從圖8試驗(yàn)過程和最終破壞形態(tài)可以看出：不摻入鋼纖維混凝土受扭構(gòu)件，在荷載12KN時(shí)出現(xiàn)0.1mm寬裂縫；荷載13KN時(shí)出現(xiàn)三條間距為30cm－35cm的45°斜裂縫，中部裂縫最寬，為0.5mm；荷載14KN時(shí)，裂縫變形增大，構(gòu)件開始喪失承載能力，構(gòu)件最終破壞，裂縫寬度達(dá)到1.9mm，肉眼能明顯看出裂縫見出現(xiàn)混凝土碎塊，如圖8所示。

從圖9試驗(yàn)過程和最終破壞形態(tài)可以看出：摻入鋼纖維含量為1.5%的受扭構(gòu)件，整個(gè)破壞過程與步摻入鋼纖維的構(gòu)件破壞形態(tài)有很大的不同；構(gòu)件開裂荷載16KN、破壞荷載24KN，無明顯主裂縫。構(gòu)件出現(xiàn)分布密集的45°斜裂縫，裂縫窄而密，1mm以內(nèi)的裂縫最多，最小0.1mm，局部有鋼纖維被拔出；靠支座端局部最大1.2mm，非主裂縫，分析與端部集中荷載有關(guān)。

鋼纖維混凝土與普通鋼筋混凝土構(gòu)件在破壞形態(tài)上的主要區(qū)別在于極限破壞時(shí)構(gòu)件整體上的完整性。此外，鋼纖維混凝土在破壞時(shí)不像普通混凝土那樣突然，而是有一個(gè)相對(duì)平緩的應(yīng)力平臺(tái)，這也說明鋼纖維混凝土具有很好的延性。

2.2.2 構(gòu)件承載力

從加載裝置示意圖（圖6）上可以計(jì)算出：構(gòu)件所受的扭矩為0.31F，經(jīng)計(jì)算構(gòu)件的承載力見表4所示。

從表4可以看出，鋼筋混凝土中摻入鋼纖維后，構(gòu)件的開裂扭矩和極限扭矩都有很大程度的提高，特別是極限扭矩提高幅度更大；構(gòu)件LS0.5、LS1.0、LS1.0盡管減少了箍筋，但是開裂和極限扭矩仍有一定程度的提高，說明鋼纖維對(duì)于提高鋼筋混凝土的受扭性能還是很明顯的。

表4 構(gòu)件的承載力

2.2.3 鋼筋荷載—應(yīng)變曲線及其分析

圖10為縱筋荷載—應(yīng)變曲線圖。

從圖10縱向鋼筋荷載—應(yīng)變曲線可以看出：未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程主要包含兩個(gè)階段，第一階段是開裂前的階段，該階段構(gòu)件能抵抗破壞荷載；第二階段為荷載達(dá)到受扭構(gòu)件出裂荷載后，構(gòu)件迅速失去抵抗能力，直到構(gòu)件破環(huán)。

從圖10可以看出摻入鋼纖維的構(gòu)件破壞過程也主要包含兩個(gè)階段，第一階段與未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程類似，荷載應(yīng)變線性變化，但出裂荷載隨鋼纖維含量的增加而顯著提高，說明鋼纖維對(duì)受扭構(gòu)件的強(qiáng)度提高明顯；第二階段與未摻鋼纖維的構(gòu)件不同，受扭構(gòu)件在出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維開始發(fā)揮抗裂作用，從而能持續(xù)抵抗荷載，隨鋼纖維的含量增加，破壞荷載也增加。這就表明混凝土構(gòu)件中摻入鋼纖維能有效提高構(gòu)件的抗扭承載力。

圖10 L0、L0.5、L1.0、L1.5、L2.0縱筋應(yīng)變片13反映的荷載—應(yīng)變

4 結(jié)論

（1）混凝土中摻入鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高未超過20%，不如抗彎強(qiáng)度提高明顯。

（2）抗扭構(gòu)件受載第一階段與未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程類似，荷載應(yīng)變線性變化，但出裂荷載隨鋼纖維含量的增加而顯著提高，說明鋼纖維對(duì)受扭構(gòu)件的強(qiáng)度提高明顯；第二階段與未摻鋼纖維的構(gòu)件不同，受扭構(gòu)件在出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維開始發(fā)揮抗裂作用，從而能持續(xù)抵抗荷載，隨鋼纖維的含量增加，破壞荷載也增。

（3）混凝土中摻入鋼纖維能有效的抑制鋼筋混凝土受扭構(gòu)件裂縫的過快發(fā)展，另一方面又能促進(jìn)斜裂縫在更廣的區(qū)域發(fā)展，使得開裂后的構(gòu)件裂縫變細(xì)變密，這也是與不摻入鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件破壞形態(tài)上的最大區(qū)別之處。