混雜纖維HPC深梁的剪切變形性能★

劉勝兵

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430073)

0 引言

鋼筋混凝土深梁以其巨大的承載能力，在建筑工程中被廣泛應(yīng)用于肩梁、墻梁、框支梁、剪力墻連梁等構(gòu)件。近年來高性能混凝土(HPC)成為研究者們持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)，但高性能混凝土應(yīng)用于深梁結(jié)構(gòu)仍然無法改變混凝土脆性大、易開裂這一固有缺陷［1，2］?；炷恋淖冃涡阅苁瞧渲匾奈锢砹W(xué)性能之一，直接影響著混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。隨著高層大跨建筑結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)的變形性能(尤其在地震多發(fā)區(qū))在設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外對混凝土受彎構(gòu)件的變形性能非常重視。鋼筋混凝土深梁構(gòu)件極易發(fā)生剪切破壞，而剪切破壞屬于脆性破壞，一旦發(fā)生后果嚴(yán)重，因此對深梁剪切破壞下的變形性能進(jìn)行研究是非常必要的。

采用正交設(shè)計(jì)法，對18組混雜纖維(鋼纖維/聚丙烯纖維)HPC深梁試件和2組普通HPC深梁試件進(jìn)行受剪試驗(yàn)，研究混雜纖維HPC深梁的剪切變形性能，為推廣混雜纖維(鋼纖維/聚丙烯纖維)在混凝土結(jié)構(gòu)深梁中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

采用正交試驗(yàn)法［3］，依據(jù) CECS 38∶2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［4］的有關(guān)要求，選用 L18(21×37)正交表設(shè)計(jì)18組鋼/聚丙烯混雜纖維HPC深梁，同時(shí)設(shè)計(jì)了2組不摻纖維的HPC對比深梁。

正交試驗(yàn)的因素及水平安排詳見表1。

表1 因素水平表

20組深梁截面尺寸均相同，為150 mm×500 mm矩形，長1 040 mm。剪跨比均為1，跨高比均為1.6。按文獻(xiàn)［2］高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的要求及《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)配合比設(shè)計(jì)的規(guī)定，試驗(yàn)采用高性能混凝土的基體強(qiáng)度為C50。水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，石子采用石灰石，粒徑10 mm～20 mm。粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰。沙子細(xì)度模數(shù)2.70，含泥量1%。減水劑采用萘系高效減水劑FDN，減水率不小于10%。采用的基準(zhǔn)高性能混凝土配合比見表2。

采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的基體HPC立方體抗壓強(qiáng)度為52.1 N/mm2，劈拉強(qiáng)度為3.35 N/mm2，鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。所有深梁加載時(shí)均為簡支梁，跨中單點(diǎn)集中加載，試驗(yàn)在5 000 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。深梁相關(guān)參數(shù)及受剪試驗(yàn)結(jié)果參見文獻(xiàn)［5］。

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比試驗(yàn)方案 kg/m3

表3 鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)

2 變形研究

2.1 斜截面破壞形態(tài)

深梁試件的破壞形態(tài)見表4。

表4 深梁試件破壞形態(tài)

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混雜纖維HPC深梁的斜截面開裂荷載較對比深梁明顯提高。普通高性能混凝土有腹筋深梁C-1和無腹筋深梁C-2剪切破壞時(shí)均發(fā)生劈裂破壞。而摻入混雜纖維的HPC無腹筋深梁BF1-2-1和DF2-3-2均發(fā)生了斜壓破壞，說明混雜纖維的加入使無腹筋深梁受剪破壞形態(tài)發(fā)生了改變。摻入混雜纖維的有腹筋深梁BF1-3-2及BF2-2-3，相對于對比深梁C-1，破壞形態(tài)未能發(fā)生改變。主要是由于混凝土中存在的腹筋和混雜纖維相對太多，與混凝土發(fā)生了弱界面效應(yīng)，導(dǎo)致未能改變深梁劈裂破壞形態(tài)，因而HPC深梁中摻入混雜纖維時(shí)可以適當(dāng)降低腹筋用量。

對于未摻纖維的HPC深梁，當(dāng)荷載加至極限荷載的35%左右時(shí)，梁深垂直裂縫停止發(fā)展，剪跨區(qū)內(nèi)有少量新的斜裂縫出現(xiàn)，其中一條斜裂縫已經(jīng)張開，并最終發(fā)展成為臨界斜裂縫。而摻入混雜纖維后，由于跨越深梁斜裂縫的鋼纖維和聚丙烯承擔(dān)了混凝土開裂釋放的拉應(yīng)力，原有的斜裂縫穩(wěn)定地向上或向下延伸，并且有多條新的斜裂縫出現(xiàn)，裂縫細(xì)而密。隨著荷載增大，深梁跨中部位垂直裂縫也不斷向上延伸，在主要的垂直裂縫中間仍不斷有新的細(xì)小裂縫出現(xiàn)。

當(dāng)荷載加至極限荷載的50%左右時(shí)，未摻纖維HPC深梁的臨界斜裂縫已經(jīng)形成，此時(shí)其他斜裂縫并未張開，且不再有新的斜裂縫產(chǎn)生。而摻入混雜纖維的高性能混凝土深梁與主要斜裂縫平行的其他裂縫也穩(wěn)步擴(kuò)展，并仍有新的斜裂縫產(chǎn)生。當(dāng)加至極限荷載時(shí)，深梁的破壞伴隨混凝土破壞“嘭”的一聲巨響，沿臨界斜裂縫兩側(cè)有混凝土碎塊迸出。而摻入混雜纖維后HPC深梁破壞時(shí)發(fā)生較明顯的塑性變形，只聽到輕微的爆裂聲，破壞過程中沒有混凝土碎塊迸出，且與臨界斜裂縫平行的其他裂縫也有不同程度的張開，沿破壞斜截面產(chǎn)生明顯的破碎帶。

2.2 混凝土斜截面應(yīng)變

深梁在跨中集中力作用下，力沿加載點(diǎn)向支座方向傳遞，通過對深梁混凝土表面上垂直于加載點(diǎn)和支座連線方向應(yīng)變片的數(shù)值可以觀察到斜截面混凝土表面部分的應(yīng)變分布。

經(jīng)實(shí)測所得到的普通HPC有腹筋深梁C-1和無腹筋深梁C-2的混凝土斜截面應(yīng)變在各級(jí)荷載作用下沿梁長的分布如圖1所示。

圖1 普通HPC深梁混凝土斜截面應(yīng)變

由圖1可以看出，從加荷到出現(xiàn)斜裂縫之前，混凝土斜截面應(yīng)變與荷載基本呈線性變化。斜截面開裂前有腹筋深梁和無腹筋深梁在同級(jí)荷載下斜截面的應(yīng)變值差不多，說明在開裂前鋼筋和混凝土能夠較好地協(xié)同工作。

實(shí)測得到的混雜纖維HPC深梁的混凝土斜截面應(yīng)變在各級(jí)荷載作用下沿梁長的分布如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)荷載較小時(shí)，混凝土斜截面上的應(yīng)變較小，與荷載基本呈線性變化?；祀s纖維HPC深梁的斜裂縫比HPC對比深梁出現(xiàn)的要晚;當(dāng)斜裂縫出現(xiàn)后，混凝土斜截面上的應(yīng)變也產(chǎn)生突變，但和相同配筋的HPC對比深梁相比，突變明顯變小，原因是斜裂縫產(chǎn)生后，“橋架”于斜裂縫之間的混雜纖維開始發(fā)揮作用，承擔(dān)了一部分拉力，從而使混凝土斜截面上的應(yīng)變減小。

2.3 水平分布鋼筋荷載—應(yīng)變關(guān)系

圖3列出了部分深梁水平分布鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系。由圖3可以看出，從加荷到出現(xiàn)斜裂縫之前，水平分布鋼筋應(yīng)變很小。斜裂縫出現(xiàn)后，水平分布鋼筋應(yīng)變迅速增加，破壞時(shí)受拉區(qū)水平鋼筋一般都能屈服。與深梁C-1相比，深梁BF1-3-2的水平分布鋼筋的應(yīng)變隨荷載的發(fā)展明顯減緩，深梁C-1破壞時(shí)水平分布鋼筋SP1的應(yīng)變?yōu)?，SP2的應(yīng)變?yōu)? 610 με，而與深梁C-1配筋相同的混雜纖維高性能混凝土深梁BF2-2-3破壞時(shí)水平分布鋼筋SP1的應(yīng)變?yōu)?－702 με，SP2的應(yīng)變?yōu)?2 250 με。原因是裂縫間的混雜纖維承擔(dān)了一部分拉力，減小了水平分布鋼筋承擔(dān)的拉力所致。

圖2 混雜纖維HPC深梁混凝土斜截面應(yīng)變

圖3 水平分布鋼筋荷載—應(yīng)變關(guān)系

2.4 豎向分布鋼筋荷載—應(yīng)變關(guān)系

圖4 豎向分布鋼筋荷載—應(yīng)變關(guān)系

圖4列出了部分深梁豎向分布鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系?？梢钥闯?，從加荷到出現(xiàn)斜裂縫之前，豎向分布鋼筋應(yīng)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(yīng)變迅速增加，破壞時(shí)受拉區(qū)豎向鋼筋一般都能屈服，并且豎向鋼筋應(yīng)變一般都小于水平鋼筋應(yīng)變，說明水平鋼筋的作用大于豎向鋼筋。與深梁C-1相比，相同配筋的深梁BF1-3-2的豎向分布鋼筋的應(yīng)變隨荷載的發(fā)展明顯減緩，深梁BF1-3-2開裂后豎向分布鋼筋的應(yīng)變均低于深梁C-1豎向分布鋼筋的應(yīng)變。原因是裂縫間的混雜纖維承擔(dān)了一部分拉力，減小了豎向分布鋼筋承擔(dān)的拉力所致。

3 結(jié)語

1)普通高性能混凝土有腹筋深梁和無腹筋深梁在剪切破壞下均發(fā)生劈裂破壞，而混雜纖維高性能混凝土深梁的剪切破壞有斜壓破壞和劈裂破壞兩種模式。混雜纖維的摻入，使部分深梁的受剪破壞形態(tài)發(fā)生了改變。

2)混雜纖維的摻入使得高性能混凝土深梁斜裂縫的出現(xiàn)變晚，斜截面上混凝土應(yīng)變的突變明顯變小。

3)混雜纖維的摻入使得深梁受剪開裂后水平分布鋼筋和豎向分布鋼筋的應(yīng)變均減小，原因是深梁開裂后裂縫間的混雜纖維承擔(dān)了一部分拉力所致。

［1］丁大鈞.高性能混凝土及其在工程中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］馮乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］朱偉勇.正交與回歸正交試驗(yàn)法的應(yīng)用［M］.沈陽:遼寧人民出版社，1978.

［4］CECS 38:2004，纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］劉勝兵，徐禮華.混雜纖維高性能混凝土深梁受剪性能［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2013，46(3):29-39.