高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂試驗(yàn)與受剪開裂剪力的計(jì)算

卞 祝，黃 偉，戈海玉，葛清蘊(yùn)

1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安,237000；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，安徽馬鞍山,243000

高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂試驗(yàn)與受剪開裂剪力的計(jì)算

卞 祝1，黃 偉2，戈海玉1，葛清蘊(yùn)1

1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安,237000；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，安徽馬鞍山,243000

通過高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土簡(jiǎn)支梁抗剪試驗(yàn)，研究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼纖維摻量及箍筋對(duì)試驗(yàn)梁受剪抗裂的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高與鋼纖維的摻入能顯著提高鋼筋混凝土梁受剪抗裂性能，而梁斜截面開裂前箍筋基本不參與抗剪?；趪?guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)，提出了考慮剪跨比、縱筋率和鋼纖維特征參數(shù)的高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并與所收集的相關(guān)公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，所提出的公式計(jì)算值和實(shí)測(cè)值較吻合。

鋼纖維；梁；高強(qiáng)高性能；混凝土強(qiáng)度等級(jí)；受剪開裂剪力

鋼筋和混凝土作為當(dāng)今主要建筑材料，已向高強(qiáng)高性能發(fā)展[1-3]。一些學(xué)者通過鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪試驗(yàn)研究，提出開裂荷載計(jì)算公式[4-8]，但各研究的側(cè)重點(diǎn)不同，結(jié)果很難有普適性，且計(jì)算方法也未統(tǒng)一。鋼纖維的摻入增加梁斜截面受剪機(jī)理的復(fù)雜性，鋼纖維高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土梁受剪抗裂機(jī)理與普通梁相比有何不同，其受剪開裂剪力能否采用普通梁公式計(jì)算，這些問題的存在，使得受剪抗裂的相關(guān)研究具有重要意義。

本文根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和所收集到的相關(guān)梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析影響試驗(yàn)梁抗裂剪力的主要因素，提出高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁抗剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)中的公式進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

試件配筋和加載點(diǎn)位置見圖1，試驗(yàn)梁主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)梁包括HRB500高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁、無鋼纖維對(duì)比梁；同時(shí)，選用長(zhǎng)徑比值48.5、端部帶鉤剪切異型鋼纖維。

圖1 試件配筋及加載圖

表1中，C(common concrete)為普通混凝土，B(bearing)為承載能力，S(shear)為剪切，F(xiàn)(fiber)為纖維，λ為剪跨比，ρf為鋼纖維體積率，h0為截面有效高度，ρ為縱筋率，ρsv為配箍率。

2 開裂剪力影響試驗(yàn)參數(shù)

利用本文提出的試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)開裂剪力值Vfcr,m，運(yùn)用現(xiàn)行規(guī)程[9]計(jì)算得開裂剪力值，結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

2.1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

由表2可以看出，SBC2受剪斜截面開裂剪力值比梁SBC1提高15.2%，梁SBF1～SBF3開裂剪力值比梁SBF4～SBF6分別提高10.9%、89.2%、49.7%，可見鋼纖維摻量為定值時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，梁開裂剪力均有一定程度的增大。混凝土抗拉強(qiáng)度隨其強(qiáng)度等級(jí)的增加而增加，梁斜截面開裂剪力也隨之增加，這在摻入鋼纖維的混凝土梁上表現(xiàn)得更顯著。

表2 梁計(jì)算剪力和實(shí)測(cè)剪力值

2.2 鋼纖維摻量

根據(jù)圖2所示的梁開裂剪力值隨著鋼纖維摻量增加變化趨勢(shì)，對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50系列梁，梁SBF4、SBF5、SBF6開裂剪力值比梁SBC1分別提高18.2%、-2.3%、28.0%；梁SBF1、SBF2、SBF3開裂剪力值比梁SBC2提高13.8%、60.5%、66.5%。因此，摻入鋼纖維能顯著提高鋼筋混凝土梁的抗裂性能，且能改善高強(qiáng)混凝土的脆性。初步分析SBF5梁數(shù)據(jù)由試驗(yàn)誤差所致。

圖2 對(duì)開裂剪力影響

由試驗(yàn)可知，梁SBF6開裂時(shí)剪力為84.5 kN，此時(shí)剪壓區(qū)箍筋應(yīng)變值并未立即突變，直到剪力增長(zhǎng)到123.5～147.0 kN。其他鋼纖維梁試驗(yàn)有同樣的現(xiàn)象。梁斜截面受剪剪跨區(qū)受力最大，鋼纖維鋼筋混凝土梁隨外荷載的增加，內(nèi)部首先出現(xiàn)微裂縫，跨越微觀裂縫的鋼纖維可承擔(dān)一部分剪力，阻滯微觀裂縫發(fā)展為肉眼可見裂縫。鋼纖維混凝土梁比無纖維對(duì)比試驗(yàn)梁延遲出現(xiàn)斜裂縫，開裂剪力值增大。鋼纖維混凝土梁開裂后，剪壓區(qū)亂向分布的鋼纖維使得梁內(nèi)力重分布的能力提高，跨越裂縫的鋼纖維承擔(dān)剪力并將基傳向未開裂的混凝土，此時(shí)內(nèi)力重分布充分而平穩(wěn)，箍筋參與抗剪有效推遲。

2.3 箍筋

圖3為剪力—剪跨區(qū)箍筋應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線。由圖可知，各梁剪跨區(qū)開裂時(shí)對(duì)應(yīng)箍筋應(yīng)變值較小，為32～38 με，斜截面開裂前，箍筋基本未參與梁抗剪。

圖3 剪力-箍筋應(yīng)變關(guān)系

梁剪跨區(qū)受力較大處混凝土達(dá)到極限抗拉應(yīng)變，使得梁內(nèi)初始微裂縫發(fā)展為宏觀裂縫而宣告受剪開裂。鋼纖維本身比表面積大，亂向分布在混凝土中產(chǎn)生有效粘結(jié)，能顯著限制微觀裂縫發(fā)展，從而提高梁抗裂剪力。與鋼纖維相比，箍筋與基體混凝土間粘結(jié)能約束混凝土。但由于箍筋表面光滑、直徑小、間距較大，只能約束其周圍有限范圍內(nèi)的混凝土，對(duì)整個(gè)剪跨區(qū)混凝土裂縫調(diào)節(jié)能力較弱，限制剪跨區(qū)混凝土微裂縫的開展遠(yuǎn)不比鋼纖維，鋼纖維的摻入使得箍筋對(duì)梁受剪抗裂的貢獻(xiàn)比更小。也有文獻(xiàn)[7]表明，其他變量相同時(shí)，提高配箍率對(duì)鋼纖維混凝土梁抗裂剪力值的影響甚微。

3 高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪抗裂剪力計(jì)算方法

3.1 開裂剪力計(jì)算方法

簡(jiǎn)支梁在兩點(diǎn)對(duì)稱加載下受剪開裂時(shí)，對(duì)應(yīng)支座剪力為梁開裂剪力值。鋼纖維鋼筋混凝土梁開裂剪力主要影響因素有混凝土強(qiáng)度、鋼纖維種類和摻量、梁截面尺寸(有效高度)、剪跨比、縱筋率等。對(duì)于鋼纖維鋼筋混凝土無腹筋梁斜截面的抗裂，基本不存在尺寸效應(yīng)[10]，配置箍筋可在一定程度限制其在有效影響范圍內(nèi)裂縫開展，使截面有效高度值對(duì)梁抗裂影響不大。根據(jù)前面的分析可知，開裂前剪跨區(qū)箍筋應(yīng)力不大，因此，有箍筋鋼纖維混凝土梁開裂剪力不考慮尺寸效應(yīng)和箍筋貢獻(xiàn)。對(duì)于鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度，通過制作標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行量測(cè)可得，無試塊時(shí)，可采用規(guī)程[9]規(guī)定的公式計(jì)算：

fft=ft(1+αtλf)

(1)

鋼纖維對(duì)混凝土整體增強(qiáng)已受到研究者的一致認(rèn)可，梁抗裂性能隨著縱筋率的增大而提高[5]，有文獻(xiàn)考慮受拉縱筋含量對(duì)梁受剪開裂剪力影響[11]，但縱筋率ρ和剪跨比λ對(duì)梁抗裂影響很難定量，因此本文建立關(guān)于λ及ρ的梁開裂剪力系數(shù)k1(λ,ρ)并進(jìn)行研究。

綜上所述，配有高強(qiáng)高性能鋼筋和高強(qiáng)鋼纖維混凝土的梁抗剪開裂剪力影響因素包括梁截面尺寸(寬度和有效高度)、鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度fft、縱筋率ρ和剪跨比λ，則有計(jì)算公式如下：

(2)

式中，vfcr、Vfcr為鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪開裂強(qiáng)度(MPa)及開裂剪力(kN)。

對(duì)所收集的國(guó)內(nèi)外94根鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪開裂強(qiáng)度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到k1(λ,ρ)的表達(dá)式如下：

(3)

式(3)和式(1)中均考慮鋼纖維的增強(qiáng)抗裂作用，實(shí)際澆筑鋼纖維混凝土?xí)r存在振搗密實(shí)困難，可適當(dāng)降低增強(qiáng)幅度，并在95%保證率基礎(chǔ)上考慮方便實(shí)用，調(diào)整式(3)得到：

(4)

將式(4)代入式(2)，得到高強(qiáng)高性能鋼筋鋼纖維混凝土梁在兩點(diǎn)集中荷載下開裂剪力經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

式中，λ<1時(shí)，取λ=1；λ>3時(shí)，取λ=3。采用式(5)計(jì)算文獻(xiàn)[5，7，12-14]中梁受剪開裂荷載理論值Vfcr,c，統(tǒng)計(jì)分析剪跨比λ分別在1～3、3～4時(shí)梁受剪開裂剪力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值，詳見表3。

表3 梁開裂剪力值對(duì)比

由表3可見，當(dāng)1≤λ≤3時(shí)，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.065，變異系數(shù)δ=0.275；當(dāng)3≤λ≤4時(shí)，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.419，變異系數(shù)δ=0.634。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合，式(5)能夠較好地預(yù)測(cè)剪跨比為1≤λ≤3高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力值。

3.2 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

采用本文所提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(5)計(jì)算試驗(yàn)梁受剪開裂剪力值，如圖4和表4所示，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.198,變異系數(shù)δ=0.135，可見式(5)能夠較好地預(yù)測(cè)兩點(diǎn)集中加載的情況下高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力值。

圖4 試驗(yàn)梁受剪開裂剪力統(tǒng)計(jì)分析

3.3 開裂剪力計(jì)算公式對(duì)比分析

公式(6)～(10)為收集鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪開裂剪力公式[4-8]。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，βcr為鋼纖維增強(qiáng)系數(shù)，對(duì)剪切異型鋼纖維取0.33。

表4 試驗(yàn)梁受剪開裂剪力統(tǒng)計(jì)分析

采用式(5)以及公式(6)～(10)計(jì)算本文試驗(yàn)梁受剪開裂剪力值并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖5、圖6。由圖可見，當(dāng)ρ=0.8%時(shí)，公式(6)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合；公式(7)(8)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比偏大，不安全；公式(9)(10)開裂計(jì)算剪力過小，公式保守，本文公式(5)對(duì)梁開裂剪力值整體預(yù)測(cè)較好。

圖5 C50梁開裂剪力值

圖6 C80梁開裂剪力值

4 結(jié) 語

根據(jù)以上試驗(yàn)分析，可得到以下結(jié)論：

(1)鋼纖維混凝土梁抗裂剪力隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。

(2)鋼纖維的摻入能顯著改善梁整體受剪抗裂性能。鋼纖維體積率ρf≤2%時(shí)，高強(qiáng)高性能鋼筋鋼纖維混凝土梁受剪抗裂剪力值隨著ρf的增加而增加，箍筋在梁剪跨區(qū)開裂前基本未參與抗剪。

(3)提出高性能鋼筋高強(qiáng)鋼纖維混凝土梁受剪開裂剪力經(jīng)驗(yàn)公式，考慮了梁受剪主要影響因素以及縱筋率影響，能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)采用高強(qiáng)高性能鋼筋和高強(qiáng)鋼纖維混凝土的簡(jiǎn)支梁斜截面受剪抗裂剪力值，計(jì)算值與相關(guān)文獻(xiàn)和本文試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)值吻合較好。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.08.032

2016-01-12

皖西學(xué)院校青年項(xiàng)目“鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受剪性能研究”(WXZQ1413)。

卞祝(1987-)，女，安徽六安人，碩士，助教，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU

A

1673-2006(2016)08-0118-04