大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁抗剪性能試驗

吳方伯+李鈞+鄧?yán)?岳建武+周緒紅

摘要：進(jìn)行了4根大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁在集中荷載作用下的抗剪性能試驗，對其主要受力過程、開裂荷載、破壞特征及抗剪承載力進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：試驗密肋薄腹梁的主要受力過程及破壞特征與普通有腹筋梁相似；有預(yù)制底板的試件開裂荷載和極限荷載比無預(yù)制底板的試件大，預(yù)制底板的存在還提高了試件的抗彎剛度和整體工作性能；通過分析4根試件抗剪承載力試驗結(jié)果及破壞特征可知，受剪箍筋能否得到充分利用，在很大程度上取決于主斜裂縫的位置及傾角等因素；通過承載力的試驗值與各主要規(guī)范計算值進(jìn)行對比可知，由于各規(guī)范考慮因素及側(cè)重程度不同，抗剪承載力計算值相差較大，中國規(guī)范和德國規(guī)范計算值與試驗值比值最小，美國規(guī)范和英國規(guī)范比值最大。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；密肋薄腹梁；抗剪性能；破壞特征；開裂荷載；極限荷載

中圖分類號：TU378.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著大型起重、運(yùn)輸機(jī)械的應(yīng)用，鋼筋混凝土樓蓋特別是室外地下車庫、大型倉儲廠房、工業(yè)廠房等樓蓋所承受的移動集中荷載越來越大，同時此類房屋樓蓋的跨度也在不斷增大。本文所研究的密肋薄腹梁主要用于此類大荷載、大跨度的工業(yè)與民用建筑樓蓋結(jié)構(gòu)中，樓蓋主要由現(xiàn)澆頂板、現(xiàn)澆密肋和空心箱體組成，當(dāng)樓蓋厚度尺寸較大時，可以將樓蓋中的現(xiàn)澆密肋看成密肋薄腹梁，而對于此類密肋薄腹梁的斜截面抗剪問題，各國鮮見相關(guān)研究報道。中國相關(guān)技術(shù)規(guī)程《裝配箱混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 207—2010）[1]、《現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 268—2012）[2]規(guī)定其抗剪承載力應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）（以下簡稱中國規(guī)范）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算，但是文獻(xiàn)[3]，[4]中的研究表明，中國規(guī)范公式也存在截面尺寸效應(yīng)考慮不足和縱筋率小于1.0%的情況下可能偏于不安全等問題。對于本文所研究的大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁的斜截面抗剪問題，采用中國規(guī)范抗剪承載力計算公式的安全性和適用性值得進(jìn)行研究?；诖?，本文進(jìn)行4根大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁在豎向集中荷載作用下的受剪性能試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試驗設(shè)計了4根大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁試件，現(xiàn)澆試件和預(yù)制底板混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級均為C35，密肋薄腹梁縱向受力鋼筋、箍筋以及預(yù)制底板受力鋼筋均采用HRB400三級鋼筋，現(xiàn)澆頂板采用HPB300一級鋼筋，空心箱體側(cè)壁采用10 mm厚硅鈣板，試件設(shè)計的基本參數(shù)見表1，試件平面布置、尺寸及配筋見圖1，其中，a為肋梁寬度，b為箱體高度，c為肋梁高度。

1.2 材料力學(xué)性能試驗

試件在湖南大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)實驗室內(nèi)制作完成，試件澆筑時現(xiàn)場制作3個標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，其均在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)，試驗前對混凝土立方體試塊進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果及相關(guān)強(qiáng)度換算結(jié)果見表2，同時對試件中采用的鋼筋進(jìn)行材性試驗，結(jié)果見表3。

1.3 測點布置與加載方案

在試件跨中、四分點及支座部位布置百分表，量

測試件各測點撓度，撓度測點B1～B10布置如圖2所示。在試件跨中縱筋、剪跨區(qū)箍筋上粘貼應(yīng)變片量測鋼筋應(yīng)變變化情況；在試件跨中截面、空心箱體預(yù)制底板等部位布置混凝土應(yīng)變片量測各測點混凝土應(yīng)變變化情況；采用裂縫觀測儀量測裂縫寬度。

試驗加載按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）[5]的規(guī)定進(jìn)行。在正式加載前，為檢查測量儀器及加載設(shè)備的工作狀態(tài)，首先進(jìn)行預(yù)加載。正式加載時，每級荷載加載10～15 min，待試件的變形、裂縫發(fā)展基本穩(wěn)定后，采集鋼筋、混凝土應(yīng)變及撓度數(shù)據(jù)，描繪和記錄在每級荷載作用下裂縫的開展及分布情況，量測試件的最大裂縫寬度。試驗加載裝置及加載現(xiàn)場分別如圖3，4所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 主要受力過程及破壞特征

在加載初期，各試件首先均在跨中部位出現(xiàn)第1條豎向彎曲裂縫，隨著荷載的增加，跨中兩邊陸續(xù)出現(xiàn)多條較短的彎曲裂縫；隨著荷載繼續(xù)增大，原有彎曲裂縫開始向斜向發(fā)展為彎剪裂縫，部分試件腹部開始出現(xiàn)中間較寬、兩端較窄的腹剪裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的85%，其中1條彎剪裂縫快速發(fā)展形成主斜裂縫，裂縫寬度迅速增大，裂縫的一端向加載點附近的受壓區(qū)發(fā)展，另一端擴(kuò)展至梁底縱筋位置處后再沿縱筋向支座處發(fā)展。試件達(dá)到極限荷載時，主斜裂縫基本貫穿整個截面，縱向受拉鋼筋尚未屈服，中下部與主裂縫相交的箍筋大多屈服，剪壓區(qū)混凝土被壓碎。圖5，6分別為試件破壞時的裂縫分布及裂縫形態(tài)。

2.2 荷載-跨中撓度曲線

各試件的實測荷載-跨中撓度曲線如圖7所示，其中，荷載不包括試件及加載設(shè)備自重。由圖7可見，試件開裂前的荷載-跨中撓度曲線呈線彈性，開裂后荷載-跨中撓度曲線斜率發(fā)生偏轉(zhuǎn)，之后隨著荷載繼續(xù)增加，曲線斜率不斷降低，直至試件達(dá)到極限荷載而發(fā)生破壞。從圖7還可以看出，在整個受力過程中，試件KXB-1，KXB-2，KXB-3兩肋跨中測點撓度變化基本一致，試件ML-1在加載后期兩肋跨中撓度出現(xiàn)明顯偏差，說明有預(yù)制底板的密肋薄腹梁試件在外荷載作用下兩肋的協(xié)同受力性能更好。

2.3 開裂荷載及抗剪承載力

表4為各試件的開裂荷載、極限荷載等相關(guān)試驗結(jié)果。由表4可以看出：除預(yù)制底板外其他設(shè)計參數(shù)完全相同的試件KXB-1的開裂荷載和極限荷載均比試件ML-1的大，開裂荷載及極限荷載分別提高了59.33%和54.15%，結(jié)合第2.2節(jié)試件荷載-跨中撓度曲線分析結(jié)果可知，預(yù)制底板的存在提高了試件的抗彎剛度及協(xié)同兩肋共同工作的受力性能，對提高試件的抗裂性能和抗剪承載力非常有利；

試件ML-1，KXB-1，KXB-2的開裂荷載及極限荷載均表現(xiàn)出一般規(guī)律性，但是試件KXB-3的開裂荷載和極限荷載比試件KXB-2的小，結(jié)合第2.1節(jié)試件的破壞特征及表4中主斜裂縫傾角可以看出，前3個試件在破壞前裂縫發(fā)展較為充分，主斜裂縫傾角較小，與主斜裂縫相交的箍筋數(shù)量多，受剪腹筋利用充分，而對于試件KXB-3，試件破壞時，裂縫發(fā)展相對較少，主斜裂縫傾角較大，達(dá)到53.45°，導(dǎo)致與之相交的箍筋數(shù)量少，受剪箍筋利用不充分。

3 試驗值與規(guī)范計算值對比分析

由于鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪機(jī)理非常復(fù)雜[6-7]，各國規(guī)范計算公式有較大差別，考慮的因素也不盡相同，至今還沒有得出統(tǒng)一的計算公式。本文將試件抗剪承載力的試驗值與采用材料實測強(qiáng)度按各國規(guī)范公式的計算值進(jìn)行分析比較。表5為各國規(guī)范公式的主要考慮因素，表6為各國規(guī)范的抗剪承載力試驗值和規(guī)范計算值，表7為各試件抗剪承載力試驗值與各規(guī)范計算值的比值。

由表6可以看出，除試件KXB-3的試驗值比中國規(guī)范和德國規(guī)范的計算值小約13%外，其他試件試驗值均比規(guī)范計算值大，由于考慮因素及側(cè)重程度不同，各國規(guī)范抗剪承載力計算結(jié)果相差較大。由表7可以看出，中國規(guī)范和德國規(guī)范計算值與試驗值比值最小，抗剪承載力平均值分別為1.258和1.175，美國規(guī)范和英國規(guī)范比值最大，抗剪承載力平均值分別為2.144和1.902，其他規(guī)范比值居中，表明各國規(guī)范計算公式的安全度不同。同時考慮縱筋率和尺寸效應(yīng)的英國規(guī)范、歐洲規(guī)范和澳大利亞規(guī)范計算結(jié)果比未考慮其影響的中國規(guī)范和德國規(guī)范安全度更高。對于本文所研究的縱筋率較小（約為1%）的大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁試件，各試件試驗值與主要考慮混凝土強(qiáng)度、縱筋率、配箍率及受壓翼緣影響的中國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）[14]計算值比值為1.564，從安全性和適用性的角度考慮，針對本文所研究的大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁構(gòu)件在進(jìn)行系統(tǒng)試驗及理論研究之前，建議采用中國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）[14]公式進(jìn)行抗剪承載力計算。4 結(jié) 語

（1）本文所研究的大尺寸鋼筋混凝土密肋薄腹梁在集中荷載作用下的主要受力過程及破壞特征與普通有腹筋梁相似，有預(yù)制底板的試件KXB-1的開裂荷載和極限荷載比無預(yù)制底板的試件ML-1大，開裂荷載和極限荷載分別提高了59.33%和54.15%，預(yù)制底板的存在提高了試件的抗彎剛度及協(xié)同兩肋共同工作的受力性能，對提高試件的抗裂性能和抗剪承載力作用明顯。

（2）通過分析4根試件抗剪承載力試驗值及破壞特征可知，在考慮箍筋的抗剪作用時，需要考慮并不是剪跨段內(nèi)所有箍筋都能達(dá)到其屈服強(qiáng)度和得到充分利用，受剪箍筋的作用在很大程度上取決于主斜裂縫的位置及傾角等因素。

（3）由于考慮因素及側(cè)重程度不同，各國規(guī)范抗剪承載力計算結(jié)果相差較大，中國規(guī)范和德國規(guī)范計算值與試驗值比值最小，抗剪承載力平均值分別為1.258和1.175，美國規(guī)范和英國規(guī)范比值最大，抗剪承載力平均值分別為2.144和1.902，其他規(guī)范比值居中，表明各國規(guī)范計算公式的安全度不同。

（4）對于本文所研究的大尺寸鋼筋混凝土密肋

薄腹梁試件在進(jìn)行系統(tǒng)試驗及理論研究之前，從安全性和適用性的角度考慮，建議采用中國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）中的公式進(jìn)行抗剪承載力計算。

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