不同配筋形式的簡支梁在小剪跨比受力狀態(tài)下破壞形態(tài)的試驗(yàn)研究

李紅霞,葉 敬

(1.貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司,貴州貴陽550006;2.貴州大學(xué),貴州貴陽550003)

國內(nèi)外的諸多試驗(yàn)表明簡支梁在小剪跨比受力狀態(tài)下發(fā)生的破壞形態(tài)基本都是斜壓破壞,斜壓破壞屬于脆性破壞,并且破壞發(fā)生在剪跨區(qū)段。目前解決小剪跨比受力狀態(tài)的方式有三種,即①增大梁截面;②加腋;③加密箍筋。這些方式雖然是目前解決問題的方式,但都存在一定的不足。本文根據(jù)斜壓破壞的特點(diǎn),充分利用斜壓破壞的高承載力,采用理論分析結(jié)合試驗(yàn)研究的方法,通過改變配筋方式增加剪跨段的延性,即利用“揚(yáng)長避短”的方法來解決小剪跨比簡支梁發(fā)生斜壓破壞的脆性問題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 斜壓破壞特點(diǎn)

眾所周知,斜壓破壞具有高的承載力(圖1),只是延性差(圖2),只要采取一定的措施也許就能“揚(yáng)長避短”。從斜壓破壞的形式不難看出,當(dāng)λ=1時(shí)(λ為剪跨比),裂縫與豎直方向呈45°角,隨著 λ的減小,夾角會(huì)越來越小,箍筋的銷栓作用也會(huì)越來越小,腰筋的銷栓作用越來越明顯[1],顯然箍筋在斜壓破壞中所發(fā)揮的作用不如腰筋大。因此本文試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^改變配筋方式來增加剪跨段的延性,解決小剪跨比受力狀態(tài)下簡支梁斜截面出現(xiàn)易斜壓脆性破壞的問題。

1.2 不同剪跨比下的主應(yīng)力跡線

從圖3[2]不同剪跨比簡支梁的主應(yīng)力跡線可以看出,剪跨比越小支座點(diǎn)與加載點(diǎn)的主拉應(yīng)力跡線趨于水平,主壓應(yīng)力趨于垂直,短斜柱現(xiàn)象越明顯。由于混凝土抗壓能力遠(yuǎn)高于抗拉能力,根據(jù)不同剪跨比下的主應(yīng)力跡線圖得到思路,形成了剪跨段增設(shè)水平鋼筋抵抗拉應(yīng)力以及在形成短斜柱的剪跨段增設(shè)水平箍筋進(jìn)行區(qū)域約束的改變配筋方式的設(shè)計(jì)理念。

圖1 斜截面破壞F0-f曲線(F0為承載力、f為撓度)

圖2 斜壓破壞狀態(tài)

圖3 剪跨比λ=2、λ=1、λ=1/2主應(yīng)力跡線圖

1.3 試件設(shè)計(jì)

為消除影響混凝土的抗剪承載力的其他因素,在試件的設(shè)計(jì)中,通過以下措施來實(shí)現(xiàn):

(1)采用同一個(gè)混凝土標(biāo)號(hào)的混凝土C25,使混凝土強(qiáng)度對(duì)所有試件的影響相同;

(2)采用相同的截面尺寸150 mm×300 mm,使截面尺寸對(duì)所有試件的影響相同;

(3)采用相同的截面形狀——矩形截面,使截面形狀對(duì)所有試件的影響相同;

(4)采用相同的箍筋直徑與間距,使箍筋對(duì)所有試件的影響相同;

(5)采用相同的受拉主筋與架立筋,使縱筋的銷栓作用對(duì)所有試件的影響相同;

(6)在試驗(yàn)過程中三根試驗(yàn)梁采用相同的剪跨比1.1,使剪跨比對(duì)所有試件的影響相同。

1.4 試驗(yàn)方案

試件梁一(BM-1)的設(shè)計(jì)思想:按照普通的鋼筋混凝土梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

試件梁二(BM-2)的設(shè)計(jì)思想:諸多文獻(xiàn)提到了縱筋率[3]對(duì)梁的抗剪機(jī)理和抗剪承載力影響不容忽視,尤其有文獻(xiàn)提到了將縱筋從集中布置梁底變成分布于梁腹的情況。當(dāng)梁的高度比較大時(shí)按照構(gòu)造要求一般都配置腰筋。試件梁二在梁腹部配置兩道梁腹縱筋,研究腰筋對(duì)梁的抗剪性能的影響。

試件梁三(BM-3)的設(shè)計(jì)思想:根據(jù)斜壓破壞的特點(diǎn):①斜壓破壞是三種斜截面破壞中斜截面承載力最大的;②斜壓破壞時(shí),混凝土被腹剪斜裂縫分割成若干個(gè)斜向短柱而破壞,破壞是突然發(fā)生的;③發(fā)生斜壓破壞時(shí),當(dāng)達(dá)到峰值荷載的時(shí)候,跨中撓度不大,破壞后荷載會(huì)迅速下降,表明它屬于脆性破壞類型。利用縱筋對(duì)混凝土的銷栓作用、箍筋的套箍作用和區(qū)域約束的概念[4],在梁腹配置一道梁腹縱筋,在剪跨段配置橫向箍筋-腰箍,對(duì)剪跨段進(jìn)行橫向區(qū)域約束。各試件設(shè)計(jì)尺寸見圖4。

圖4 試件設(shè)計(jì)圖

2 試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)采用靜力加載方法[5],加載儀器采用100 t手動(dòng)千斤頂加載,并通過分配梁在試驗(yàn)梁上的對(duì)稱位置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)等值、同步的集中力,兩集中力分別通過固定支座和滾動(dòng)支座傳至試驗(yàn)梁。分配梁安裝在試驗(yàn)梁上,加載點(diǎn)與簡支支座處放有120 mm×180 mm×18 mm鋼墊板。墊板與試件梁間為傳力均勻鋪有一層細(xì)沙。

試驗(yàn)為破壞試驗(yàn),加載到承載力試驗(yàn)荷載計(jì)算值的90%以后,為求得精確的破壞荷載值,每級(jí)加載值取短期荷載值的5%,按每級(jí)10 kN進(jìn)行加載,持續(xù)時(shí)間5 min,記錄梁的破壞現(xiàn)象。

破壞準(zhǔn)則:試驗(yàn)后期,當(dāng)千斤頂繼續(xù)加載時(shí)而顯示荷載的儀器讀數(shù)不增加反而降低,同時(shí)位移計(jì)讀數(shù)急劇增加時(shí),可以認(rèn)為試件失效。試驗(yàn)加載裝置圖見圖5。

圖5 加載裝置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 初裂荷載及位置

三試件梁初裂裂縫位置均出現(xiàn)在純彎段,具體開裂荷載如表1。

理論值采用文獻(xiàn)[6]中所提供的公式:

其中:Mcr為開裂彎矩;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為矩形截面的寬度;h為截面高度;σs為受拉鋼筋應(yīng)力;a為受拉鋼筋重心至受拉區(qū)邊緣距離;xc為中和軸至受壓區(qū)邊緣距離。計(jì)算其開裂彎矩Mcr為5.77 kN·m。

表1 試件梁初裂荷載表

結(jié)合試驗(yàn)過程以及試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論:①在試件開裂前的預(yù)載階段及開裂前的加載過程,結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行了調(diào)整。②從鋼筋應(yīng)變計(jì)的數(shù)值來看,箍筋、腰筋與腰箍參與工作,起到很好的約束作用,而不僅僅是底部受拉鋼筋參與抗裂工作。因?yàn)?盡管初裂裂縫出現(xiàn)在純彎段抗拉能力最薄弱處,但由于內(nèi)部的重組調(diào)整,腹筋與腰筋起到了很好的約束作用,所以使得開裂荷載比計(jì)算值提高了。

由此得出:改變配筋方式是可以改變梁的初裂荷載的。

3.2 極限承載力

對(duì)試件梁BM-1,根據(jù)文獻(xiàn)[7]公式:

其中:vcs為構(gòu)件截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值;λ為計(jì)算截面的剪跨比;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為矩形截面的寬度;h0為截面的有效高度;fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積;s為沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距。

按照以上公式計(jì)算出vcs為77.8 kN,按照最小截面尺寸限值本次實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的hw/b≤4根據(jù)文獻(xiàn)[7]公式V≤0.25βcfcbh0(其中hw為截面的腹板高度,對(duì)矩形截面取有效高度;βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù),當(dāng)混凝土強(qiáng)度低于C50時(shí)取1.0;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)計(jì)算出的斜截面承載力為141.6 kN。各試件梁實(shí)測極限荷載見表2。

表2 抗剪承載力計(jì)算值與實(shí)測值表

試件開裂后,簡支梁中軸以下混凝土退出工作,鋼筋抗拉。從試驗(yàn)的結(jié)果來看,常規(guī)配筋的試件梁一的極限承載力基本符合規(guī)范最小截面尺寸限值。

加兩道腰筋的試件梁二的極限承載力超出規(guī)范最小截面尺寸限值近50%。

加一道腰筋剪跨區(qū)加腰箍的試件梁三的極限承載力超出規(guī)范最小截面尺寸限值近30%。從相應(yīng)的鋼筋應(yīng)變計(jì)數(shù)值來看,腰筋對(duì)提高簡支梁的極限承載力有很大作用。

3.3 撓 度

從表3、圖6中可以得出結(jié)論:試件梁一、試件梁二表現(xiàn)出明顯的脆性特征,當(dāng)荷載增加到極限荷載,荷載迅速下降,撓度迅速增大,這種破壞形態(tài)在工程中是盡量避免的。試件梁三在破壞過程中有很明顯的撓度變形,承載力下降并不是急劇的,變形很大然而承載力下降很小,表現(xiàn)出很好的延性。

圖6 三根試件梁的荷載-撓度曲線比較圖

3.4 破壞形態(tài)

試件梁一:隨著荷載的增加出現(xiàn)在純彎段的裂縫開展趨緩,剪跨段裂縫發(fā)展迅速,破壞形態(tài)與斜壓破壞相同(見圖7)。

圖7 試件梁一破壞圖

試件梁二:隨著荷載的增加出現(xiàn)在純彎段的裂縫開展趨緩,剪跨段裂縫發(fā)展迅速,破壞形態(tài)與斜壓破壞相同,最終剪跨段混凝土先純彎段被壓潰(見圖8)。

試件梁三:隨著荷載的增加盡管剪跨段出現(xiàn)斜裂縫,但其開展緩慢,純彎段裂縫發(fā)展迅速,破壞形態(tài)與剪壓破壞相同。破壞避開剪跨段發(fā)生在純彎段,且具有較大的殘余承載力,構(gòu)件有明顯的延性性能(見圖9)。

從表3、圖6、圖7、圖8、圖9可以得出:(1)僅根據(jù)截面高度按照規(guī)范設(shè)置腰筋只能提高其極限承載力不能改變其破壞形態(tài);(2)配置腰箍能有效的改善小剪跨比受力狀態(tài)的簡支梁剪跨段的延性。

圖8 試件梁二破壞圖

圖9 試件梁三破壞圖

4 結(jié) 語

目前,在工程應(yīng)用中解決梁處于小剪跨比受力狀態(tài)的方法有三種:(1)加腋法。該方法有時(shí)會(huì)影響到房屋的使用功能及美觀,有時(shí)會(huì)把出現(xiàn)在梁端的塑性區(qū)轉(zhuǎn)移到柱中。(2)增大梁截面。該方法不但會(huì)使得剪跨比更小,而且不符合設(shè)計(jì)概念中的強(qiáng)梁弱柱理念。(3)在剪跨區(qū)加密箍筋。梁端本身鋼筋較密,加密箍筋很難保證節(jié)點(diǎn)區(qū)域澆筑質(zhì)量。

通過按照剪跨區(qū)的應(yīng)力跡線特征改變配筋方式進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:在不顯著增加施工難度的前提下改變配筋形式可以提高構(gòu)件的開裂荷載與極限承載力,改善構(gòu)件的延性性能,有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,從根本上解決構(gòu)件在剪切作用下的脆性問題。

[1]東南大學(xué),天津大學(xué),同濟(jì)大學(xué)合編.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:49-119.

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