鋼筋鋼纖維混凝土連梁的變形特點

趙 軍，馬 鑫，李光輝

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001)

隨著現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展和混凝土強度的提高，剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震能力都有大幅度提升.發(fā)生地震時，主要由剪力墻結(jié)構(gòu)來承擔和抵抗水平地震作用.從世界各地發(fā)生的地震破壞情況來看，作為剪力墻結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件的連梁最先受到?jīng)_擊而破壞，連梁作為結(jié)構(gòu)的第一道防線在墻肢屈服之前達到屈服，盡可能發(fā)揮其塑性變形能力以及耗散地震能量，可有效減輕整個主體結(jié)構(gòu)的損壞程度，因此如何提高連梁的性能也受到了國內(nèi)外學者的廣泛重視［1－6］.

鋼纖維能顯著改善混凝土的抗拉、抗彎、抗剪等力學性能，提高混凝土的延性和韌性，增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形能力和抗震能力［7－9］.在鋼筋混凝土連梁或者剪力墻中加入鋼纖維，將改善連梁或剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能.因此，筆者設(shè)計了4個不同鋼纖維體積率的鋼筋混凝土連梁，進行低周反復荷載作用下的試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試件尺寸

依據(jù)文獻［10—12］對試件設(shè)計的規(guī)定，同時，綜合考慮剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁的尺寸、加載設(shè)備和試驗空間等因素，取連梁的截面尺寸(長×寬×高)為800 mm ×150 mm ×400 mm，跨高比為2.0，兩端各有一片1 000 mm×150 mm×600 mm的剪力墻.整個試件呈工字形，分為連梁和墻肢兩部分，總長度為2 000 mm，連梁和墻肢的厚度均為150 mm.所有構(gòu)件均采用相同的尺寸和配筋形式.具體試件尺寸和配筋如圖1和圖2所示.

圖1 試件尺寸簡圖

圖2 試件配筋簡圖

1.2 試驗參數(shù)及原材料

混凝土強度等級為C50，分別制作普通混凝土和鋼纖維混凝土兩種試件，鋼纖維體積率分別為0.0%，0.5%，1.5%，2.5%.C50 混凝土配合比見表1.

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

試驗原材料:剪切型微扭鋼纖維，長徑比為42，等效直徑為0.76，抗拉強度為760 MPa;P·O42.5級普通硅酸鹽水泥;細集料為天然河砂，Ⅱ區(qū)中砂;粗集料為5～20 mm連續(xù)級配碎石.

1.3 加載裝置

采用水平低周反復加載方式，加載時將試件豎立放置，連梁兩端剪力墻分別與地梁和加載曲梁連接，水平荷載通過連梁兩端的剪力墻傳遞到連梁上.為模擬實際工程中由剪力墻相對變形引起連梁受力的情況，試驗裝置在加載曲梁頂面設(shè)計了保證水平加載的平行鉸，曲梁加載點位于連梁形心位置.

采用荷載－位移混合控制的水平低周反復荷載的加載制度，加載過程分為荷載控制和位移控制兩個階段.在試件屈服之前，采用荷載控制的方式對試件進行加載，所加荷載分級遞增并水平往復進行，每級荷載循環(huán)1次，當荷載臨近試件屈服荷載時增加分級，直至試件屈服.當試件屈服之后，改為位移控制加載，即根據(jù)試件屈服時的位移作為位移控制參數(shù)，逐級遞增，每次位移循環(huán)3次，直到構(gòu)件的承載力下降為極限承載力的80%時停止，認定此時構(gòu)件已完全破壞.

1.4 測點布置

鋼筋的受力狀態(tài)直接反應(yīng)構(gòu)件的受力情況，因此在試驗中主要測試了梁端和梁跨中的縱向受力鋼筋應(yīng)變、縱向構(gòu)造鋼筋應(yīng)變以及不同位置的箍筋應(yīng)變，以分析在試驗過程中各部位鋼筋應(yīng)變的變化情況.應(yīng)變片具體位置及編號如圖3所示，其中1—20號應(yīng)變片為箍筋應(yīng)變片，21—46號應(yīng)變片為縱向鋼筋應(yīng)變片，括號中編號為與括號外編號相對應(yīng)的背面鋼筋應(yīng)變片.

為測量連梁在受力過程中的位移情況，在梁受力方向兩側(cè)各布置4個位移計來測量加載過程中連梁與剪力墻的相對位移，位移計在連梁各側(cè)的具體布置情況和編號如圖4所示.

2 鋼筋應(yīng)變分析

2.1 縱向鋼筋應(yīng)變分析

試件在正向加載過程中的縱向鋼筋應(yīng)變隨荷載的變化情況如圖5所示.從開始加載到破壞，連梁中鋼筋應(yīng)變的變化可分為以下4個階段.

1)初始加載時，荷載較小，由于混凝土和鋼筋共同承受荷載，梁頂、跨中和梁底截面的鋼筋應(yīng)變都比較小.在梁頂出現(xiàn)受彎裂縫之后，隨著荷載的變化，連梁兩端的縱向受力鋼筋呈現(xiàn)梁頂受拉而梁底受壓的現(xiàn)象，與連梁的內(nèi)力分布相一致.由于此時荷載較小，且縱向構(gòu)造鋼筋位于截面中部，其應(yīng)變很小，在此階段基本沒有太大變化.

2)試件開裂以后，隨著荷載的不斷增加，梁中受力縱向鋼筋應(yīng)變明顯增大，梁頂截面縱向鋼筋受拉，梁底截面縱向鋼筋受壓，但跨中截面縱向鋼筋應(yīng)變很小，符合反彎點受力狀況特點.同時隨著連梁中鋼纖維體積率的增大，在同一荷載階段受力縱筋的應(yīng)變有所降低.在這個階段，縱向構(gòu)造鋼筋主要表現(xiàn)為受拉，但應(yīng)變較小.

3)隨著斜裂縫的發(fā)展和兩端水平裂縫不斷從兩端向跨中出現(xiàn)，連梁縱筋的受力也發(fā)生變化，梁頂截面的拉應(yīng)變和梁底截面的壓應(yīng)變明顯增大，跨中截面縱筋開始受拉.而對于縱向構(gòu)造鋼筋，梁頂、梁底和跨中截面鋼筋都處于受拉狀態(tài)，且應(yīng)變明顯增大，說明隨著鋼纖維的加入，增大了構(gòu)造鋼筋參與受力的程度.

4)進入破壞階段以后，由于鋼纖維體積率的不同，各個試件中縱向鋼筋的最終受力應(yīng)變情況也有較大區(qū)別.在鋼纖維體積率較小的試件中，直至試件破壞縱向鋼筋也沒有達到屈服;而隨著鋼纖維體積率的增加，縱向鋼筋在破壞階段達到屈服.這是由于鋼纖維體積率較小時，裂縫發(fā)展不太充分，縱向鋼筋的作用沒有得到充分發(fā)揮.隨著鋼纖維體積率的增加，試件表面形成較密的裂縫體系，使縱筋的作用得到有效發(fā)揮.

圖5 連梁縱向鋼筋應(yīng)變圖

2.2 箍筋應(yīng)變分析

正向加載時，不同鋼纖維體積率試件中穿過斜裂縫的箍筋的應(yīng)變變化情況如圖6所示.其中系列1為鋼纖維體積率1.5%試件中的箍筋應(yīng)變，系列2為未摻加鋼纖維試件中的箍筋應(yīng)變.由圖6可知，系列1和系列2有基本相同的應(yīng)變變化趨勢，在未出現(xiàn)斜裂縫的時候，箍筋應(yīng)變很小，隨著裂縫的出現(xiàn)，箍筋應(yīng)變會突然增大，最后跨越臨界斜裂縫的箍筋會隨著裂縫的發(fā)展發(fā)生屈服.

圖6 試件臨界裂縫處箍筋應(yīng)變情況

比較系列1和系列2可以得到，由于鋼纖維的加入，箍筋應(yīng)變的變化趨勢有所不同.當荷載為140 kN時，普通混凝土試件的箍筋應(yīng)變明顯增大，而鋼纖維混凝土試件箍筋在荷載接近240 kN時才出現(xiàn)明顯的增大趨勢.這主要是由于亂向分布的鋼纖維均勻分布于試件的各個部位，當試件開裂以后，跨越裂縫的鋼纖維發(fā)揮優(yōu)異的橋架作用，在承擔荷載的同時，還能把裂縫兩端的應(yīng)力向周圍混凝土中傳遞;由于鋼纖維數(shù)量較多，幾乎試件所有截面的混凝土都參與受力，形成了典型的混凝土多縫開裂狀態(tài)，在整個試件表面產(chǎn)生交叉斜裂縫網(wǎng)格體系，使跨越裂縫的箍筋應(yīng)變大大減小.同時，也使箍筋的延性得到了充分的發(fā)揮.

3 側(cè)向位移分析

各試件在加載過程中在連梁同一側(cè)4個測點的位移變化情況如圖7所示.在荷載較小時，試件側(cè)向位移沿梁長近似呈線性分布.隨著荷載的增加和裂縫的出現(xiàn)，由于彎矩和剪力的作用，側(cè)向位移分布曲線呈現(xiàn)出接近倒S形分布特征，這和梁的彎曲變形截然不同，反映出試件以跨中截面為反彎點的受力狀態(tài).同時，側(cè)向位移分布從線性到非線性的變化，反映了連梁中裂縫開展及剛度等的變化情況.

隨著荷載的增加，裂縫逐漸開展，連梁剛度不斷下降，且隨著荷載的增加剛度下降程度增大.通過對圖7中各試件位移變化圖的比較可見，隨著試件中鋼纖維體積率的增加，在相同荷載作用下，試件的側(cè)向位移有所減小，但破壞時的極限位移明顯增大，使試件的破壞延性有所改善.

圖7 連梁隨荷載相對位移變化圖

4 結(jié)語

1)鋼纖維體積率影響著鋼筋混凝土連梁中縱向鋼筋的應(yīng)變變化.當連梁處于破壞階段時，鋼纖維對裂縫的限制作用使縱向鋼筋的抗拉作用得到有效發(fā)揮.

2)鋼纖維的加入，明顯降低了同級荷載下跨越裂縫的箍筋應(yīng)變，并顯著提高了箍筋的極限應(yīng)變.

3)鋼纖維的加入，明顯降低了試件在同級荷載作用下的側(cè)向位移，并顯著增大了試件的極限位移，改善了試件的破壞延性.

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