混雜纖維高性能混凝土深梁受剪性能試驗

劉勝兵，徐禮華

（1.武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

鋼筋混凝土深梁以其巨大的承載能力，在土木工程中得到越來越廣泛的應用.由于深梁的跨高比較小，在荷載作用下彎矩值較低，而剪力值卻相對較高，其受剪承載力的計算在結(jié)構(gòu)設計中顯得尤為重要.為滿足抗剪要求，深梁高度一般較大，并且需要配置大量的鋼筋，這樣既浪費材料，也給施工增加了難度.高性能混凝土（HPC）具有較高的強度和耐久性，將其應用于深梁結(jié)構(gòu)能較大地提高深梁的承載能力，減小構(gòu)件的尺寸和自重，節(jié)約材料.但主要缺點是仍然沒有改變混凝土的脆性性質(zhì)，并且混凝土強度越高，其脆性越大［1］，這使得深梁剪切破壞時延性更差，不利于結(jié)構(gòu)抗震.混雜纖維混凝土以其優(yōu)良的力學性能，近年來持續(xù)受到各國研究者的關注［2－8］.能否將鋼纖維／聚丙烯纖維混雜摻入高性能混凝土，得到性能更優(yōu)的混凝土：一方面利用混雜纖維增加高性能混凝土的韌性，提高深梁剪切破壞延性；另一方面依靠混雜纖維的增強作用，提高深梁斜截面承載能力，減小分布鋼筋用量，解決配筋過密引起的施工困難等問題.筆者進行了這方面的探討.我國《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38∶2004）對鋼纖維部分增強鋼筋混凝土深梁受剪設計內(nèi)容進行了規(guī)定［9］，但有關混雜纖維高性能混凝土深梁的規(guī)定還是空白.夏冬桃等［10］對鋼／聚丙烯混雜纖維高性能混凝土深梁受彎性能進行了研究，指出混雜纖維能顯著提高高性能混凝土深梁的開裂彎矩和屈服彎矩，同時深梁極限承載力和受彎韌性大幅提高.目前國內(nèi)外對于混雜纖維高性能混凝土深梁受剪性能的研究還鮮有報道，本文采用正交試驗法，設計18組混雜纖維HPC深梁以及2組HPC深梁對比試件，通過靜力試驗研究其受剪性能，以期為《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》增補有關混雜纖維混凝土深梁的內(nèi)容提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

采用正交試驗法，按照《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38∶2004）的有關要求，選用L18（21×37）正交表設計18組鋼－聚丙烯混雜纖維HPC深梁，同時設計了2組不摻纖維的對比深梁.正交設計時考慮的影響因素有鋼纖維體積率、長徑比及類型、聚丙烯纖維體積率、水平及豎向分布鋼筋配筋率等.正交試驗的因素及水平安排詳見表1.

所有深梁截面尺寸均為150mm×500mm，長1040mm，跨高比均為1.6，剪跨比λ＝a／h0＝1，其中a＝h0＝400mm.為防止混凝土發(fā)生局壓破壞，支座及加載點處均設置鋼墊板，墊板寬度均為120mm.為確保深梁發(fā)生剪切破壞，20組深梁下部的0.2 h（h為梁高）范圍內(nèi)均配置了418作為縱向受力鋼筋，分上下兩層布置，配筋率為1.356%，縱向鋼筋的錨固滿足GB50010－2002中的有關規(guī)定.水平及豎向分布鋼筋均采用HPB235鋼筋φ10.深梁相關參數(shù)及受剪試驗結(jié)果見表2.

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

表2 試件參數(shù)及試驗結(jié)果Table 2 Parameters of test specimens and test results

1.2 試驗材料

試驗采用HPC的基體強度為C50，由于鋼纖維和聚丙烯纖維摻量均較低，對HPC原有組分體積變化影響不明顯，故現(xiàn)場配置混雜纖維HPC時，除纖維外其它組分均與基體HPC相同.混雜纖維HPC的材料選用、配合比設計及現(xiàn)場配置等內(nèi)容參見文獻［11］.采用標準試驗方法測得的基體HPC立方體抗壓強度為52.1N／mm2，劈拉強度為3.35N／mm2，鋼筋的力學性能指標見表3.

表3 鋼筋的力學性能指標Table 3 Mechanical properties of steel bar

1.3 加載裝置

試驗在5000kN的壓力試驗機上進行，采用跨中單點集中加載的加載方式.試驗加載裝置見圖1.

圖1 壓力試驗系統(tǒng)Fig.1 Test loading device

1.4 測試內(nèi)容及方法

試驗中需要測試的內(nèi)容及方法：a.布置14個50mm×4mm混凝土電阻應變片量測纖維混凝土應變，見圖2；b.在縱向受力鋼筋中部以及與兩個可能破壞斜截面相交的分布鋼筋上布置3mm×2mm應變片測量鋼筋應變；c.在深梁跨中布置位移計、支座布置百分表以量測跨中撓度及支座沉降；d.采用目測法確定斜截面初裂荷載，以斜截面開裂的前一級荷載作為斜截面初裂荷載；e.采用傳感器記錄深梁受剪極限荷載.

圖2 混凝土應變片布置Fig.2 Location of concrete strain gauges

1.5 失效準則

試驗后期，當油泵機繼續(xù)進油而電子秤讀數(shù)不增加或反而降低，同時位移計讀數(shù)急劇增加時，可以認為試件達受剪極限狀態(tài)，為得到荷載－跨中撓度曲線下降段，此后采用位移加載.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)及破壞過程

所有20組試驗深梁均發(fā)生剪切破壞，其中，除BF1－2－1、DF1－1－1、DF2－2－1、DF1－2－2及DF2－3－2發(fā)生斜壓破壞外，其余混雜纖維HPC深梁及2組對比深梁均發(fā)生劈裂破壞.混雜纖維HPC深梁典型的破壞形態(tài)如圖3所示.除深梁BF2－3－1外，其余混雜纖維HPC深梁均表現(xiàn)為首先在跨中出現(xiàn)豎向彎曲裂縫，裂縫高度隨荷載增加而穩(wěn)步增長，隨后在跨中附近出現(xiàn)新的彎曲裂縫.當荷載增大到接近深梁斜截面開裂荷載時，豎向裂縫發(fā)展緩慢，繼續(xù)增大荷載時，部分彎曲裂縫斜向集中力與加載點方向發(fā)展，同時在深梁支座部位沿加載點方向出現(xiàn)斜裂縫，少數(shù)試件則是在支座和加載點方向的中間部位出現(xiàn)斜裂縫.隨著荷載的進一步增大，深梁彎曲裂縫繼續(xù)緩慢增長，支座和加載點連線方向的斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，同時有新的細小斜裂縫出現(xiàn).當荷載達到斜截面極限承載力時，劈裂破壞的深梁斜裂縫向上延伸至接近集中荷載作用點處，向下延伸到支座處，跨越斜裂縫的鋼纖維和聚丙烯纖維拔出或拉斷，斜裂縫迅速開展形成臨界斜裂縫直至破壞；斜壓破壞的深梁則繼續(xù)出現(xiàn)一些與支座和加載點連線方向大致平行的斜裂縫，直至混凝土被壓碎而破壞.

圖3 混雜纖維HPC深梁破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of hybrid fiber reinforced HPC deep beams

2.2 應變分析

2.2.1 混凝土及縱筋應變 當荷載較小時，混雜纖維HPC深梁斜截面上混凝土及受拉縱筋的應變均較小，與荷載近似呈線性關系，混雜纖維HPC深梁鋼筋應變比對比深梁增長的更為緩慢.斜裂縫出現(xiàn)后，斜截面上混凝土的應變產(chǎn)生突變，受拉縱筋的應變迅速增加，破壞時一般都能屈服.與普通HPC對比深梁相比，混雜纖維HPC有腹筋深梁破壞時縱筋應變有所增大，無腹筋深梁的縱筋應變減小.原因是混雜纖維的摻入使得深梁在縱筋屈服后還能承擔較長時間的荷載，改善了深梁的變形性能，因而破壞時縱筋應變有所增加.而無腹筋深梁摻入混雜纖維后破壞形態(tài)由劈裂破壞變?yōu)樾眽浩茐?，斜壓破壞是由于混凝土的壓潰所致，使得縱筋應變有所減小.

圖4 水平分布鋼筋荷載－應變關系Fig.4 Relationship between load and strain of web horizontal reinforcement

2.2.2 水平及豎向分布鋼筋應變 實測得到的深梁水平分布鋼筋的荷載－應變關系如圖4所示.從加載到出現(xiàn)斜裂縫之前，水平分布鋼筋應變很小.斜裂縫出現(xiàn)后，水平分布鋼筋應變迅速增加，破壞時受拉區(qū)水平分布鋼筋一般都能屈服.與對比深梁C－1相比，深梁BF1－3－2水平分布鋼筋的應變隨荷載的發(fā)展明顯減緩，深梁C－1破壞時水平分布鋼筋SP1的應變?yōu)?，SP2的應變?yōu)?610με；而深梁BF2－2－3破壞時水平分布鋼筋SP1的應變?yōu)椋?02με，SP2的應變?yōu)?250με.原因是裂縫間的混雜纖維承擔了一部分拉力，減小了水平分布鋼筋承擔的拉力所致.

圖5 豎向分布鋼筋荷載－應變關系Fig.5 Relationship between load and strain of web vertical reinforcement

實測得到深梁豎向分布鋼筋的荷載－應變關系如圖5所示.從加載到出現(xiàn)斜裂縫之前，豎向分布鋼筋應變很小.斜裂縫出現(xiàn)后，深梁C－1中穿越斜裂縫的豎向分布鋼筋應變迅速增加，破壞時受拉區(qū)豎向分布鋼筋一般都能屈服，并且豎向分布鋼筋應變一般都小于水平分布鋼筋應變，說明水平分布鋼筋的作用大于豎向分布鋼筋.與對比深梁C－1相比，深梁BF1－3－2及深梁BF2－2－3豎向分布鋼筋的應變隨荷載的發(fā)展明顯減緩，而且開裂后豎向分布鋼筋的應變均低于深梁C－1.原因是裂縫間的混雜纖維承擔了一部分拉力，減小了豎向分布鋼筋承擔的拉力所致.

2.3 荷載－撓度關系

根據(jù)試驗結(jié)果，圖6給出了部分混雜纖維HPC深梁及其對比深梁荷載－撓度曲線.從開始加載到第一條斜裂縫出現(xiàn)以前，荷載－撓度曲線近似呈線彈性關系.開裂前拉力主要由混凝土承擔，鋼纖維和聚丙烯纖維承擔的份額很少.早期微裂縫一旦出現(xiàn)，開裂處混凝土就失去了承擔拉力的能力，跨越微裂縫的鋼纖維和聚丙烯纖維開始發(fā)揮作用，早期主要是聚丙烯纖維發(fā)揮作用，此后鋼纖維承擔拉力的份額逐漸提高.由于混雜纖維增強了深梁的整體抗拉能力，使得深梁斜截面初裂荷載得到提高.深梁宏觀斜裂縫出現(xiàn)后，斜裂縫處混凝土退出工作，拉力主要由彈性模量高的鋼纖維承擔，聚丙烯纖維承擔拉力的份額減少.由圖6可見，混雜纖維的摻入使得無腹筋深梁和有腹筋深梁的極限承載能力顯著提高，剛度明顯增大，而且荷載－撓度曲線的下降段比對比梁平緩，提高了深梁的剪切延性.

圖6 荷載－撓度關系曲線Fig.6 Relationship between load and deflection

2.4 剪切初裂強度及抗剪極限強度

由表2可知，無腹筋深梁BF1－2－1及DF 2－3－2與對比深梁C－2相比，剪切初裂強度分別提高了5.6%和34.9%，平均提高了20.3%，抗剪極限強度分別提高了15.6%和18.8%，平均提高了17.2%；有腹筋深梁BF1－3－2及BF2－2－3與對比深梁C－1相比，剪切初裂強度分別提高了56.3%和83.8%，平均提高了70.1%，抗剪極限強度分別提高了32.5%和35.2%，平均提高了33.9%.

3 結(jié) 語

a.混雜纖維HPC深梁的受剪破壞形態(tài)有劈裂破壞和斜壓破壞兩種模式，HPC無腹筋深梁中混雜摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，可使深梁受剪破壞形態(tài)由劈裂破壞變?yōu)樾眽浩茐?

b.混雜纖維的摻入可使深梁剪切剛度明顯增大，水平及豎向分布鋼筋應變明顯減小，而且深梁荷載－撓度曲線的下降段更為平緩，剪切延性有所提高.

c.混雜摻入適量的鋼纖維及聚丙烯纖維，可使無腹筋深梁剪切初裂強度平均提高20.3%，抗剪極限強度平均提高17.2%；有筋深梁剪切初裂強度平均提高70.1%，抗剪極限強度平均提高33.9%.

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