鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫試驗研究

唐華瑞，韓靈杰，尚亞瓊，王貴春

(1.河南理工大學萬方科技學院 建筑與測繪工程系， 河南鄭州451400；2.鄭州科技學院土木建筑工程學院， 河南鄭州450064；3.鄭州大學土木工程學院， 河南鄭州450001)

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鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫試驗研究

唐華瑞1，韓靈杰2，尚亞瓊1，王貴春3

(1.河南理工大學萬方科技學院 建筑與測繪工程系， 河南鄭州451400；2.鄭州科技學院土木建筑工程學院， 河南鄭州450064；3.鄭州大學土木工程學院， 河南鄭州450001)

摘要：為了進一步了解鋼纖維全輕混凝土梁斜截面的受力性能及其斜裂縫寬度的發(fā)展規(guī)律，制作了18根試驗梁，運用反位試驗加載裝置，采用兩點對稱集中加載的方法，研究了剪跨比λ、鋼纖維摻量ρf和配箍率ρsv3個變量的變化對鋼纖維全輕混凝土斜裂縫寬度的影響。結(jié)果表明：剪跨比過大或者過小對于斜裂縫的發(fā)展都是不利的；鋼纖維摻量的增加可以有效抑制斜裂縫的發(fā)展，減小斜裂縫的寬度；箍筋在試驗梁正常使用階段幾乎不起作用。最后通過對斜裂縫寬度的觀測和分析，將斜裂縫寬度的計算值與試驗值進行對比，提出了鋼纖維全輕混凝土梁的最大斜裂縫的計算公式。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；全輕混凝土；梁；斜裂縫

0引言

在實際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常都是帶裂縫工作，因此，在正常使用階段對于斜裂縫寬度的計算、控制也不容忽視[1]。目前有關(guān)鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土的抗剪強度及裂縫已有研究。逯曄等[2]對不同剪跨比的輕骨料混凝土的破壞形態(tài)和抗剪承載力進行了研究，結(jié)果表明，剪跨比λ為1、2的試件破壞時，在支座縱筋錨固范圍均有明顯的撕裂裂縫，而剪跨比λ為3的輕骨料混凝土試件則沒有，這說明縱筋的銷栓作用隨著剪跨比的增大而逐漸減小。張宏戰(zhàn)等[3]研究了鋼纖維混凝土的抗剪性能，結(jié)果表明，鋼纖維在提高梁斜截面初裂強度和限制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展方面有很大的優(yōu)勢，但在提高受剪承載力方面要低于箍筋。

對于鋼纖維輕骨料混凝土的研究相對來說不是很多，尤其是斜截面受力性能的研究更少。因此，系統(tǒng)地研究鋼纖維全輕混凝土梁裂縫規(guī)律及其寬度計算方法，對于全面了解鋼纖維全輕混凝土梁斜截面的受力性能并確立合理的設(shè)計方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值[4]。

1試驗概況

本試驗研究主要針對全輕混凝土，即粗骨料全部用頁巖陶粒取代，而細骨料則用輕砂。在全輕混凝土中摻入一定量的亂向分布的鋼纖維，形成新型的建筑材料鋼纖維全輕混凝土。試驗采用強度等級為52.5的普通硅酸鹽水泥；采用山東淄博生產(chǎn)的2～20 mm粒徑連續(xù)級配頁巖陶粒為粗骨料，各粒徑陶粒的顆粒級配情況良好，見表1；細骨料為產(chǎn)于山東淄博的頁巖陶砂，陶砂的各項物理力學性能列于表2；鋼纖維為銑削型鋼纖維，其性能指標列于表3。

1.1試驗梁的設(shè)計

本次試驗采用150 mm×400 mm×3200 mm的試驗梁，保護層厚度取25 mm, 剪跨比變化參數(shù)為2.0、2.5、3.0，縱筋采用HRB400級熱軋鋼筋，箍筋采用HPB300級熱軋鋼筋，直徑為6 mm，梁的截面尺寸、剪跨比、配箍率如表4所示，縱筋配筋率為1.64%(2根直徑為25 mm的鋼筋)[5]。

表1　2～20 mm頁巖陶粒的粒徑顆粒級配

表2　陶砂各項物理力學性能

表3　鋼纖維的性能指標

表4　試驗梁的參數(shù)設(shè)計

1.2試驗方法

本次試驗采用反位試驗加載裝置，支架用地錨螺栓整體錨固于反力槽座中[6]。在支架的上端放置鋼梁，通過鋼梁下面固定的千斤頂來施加試驗中所需要的荷載。根據(jù)不同的剪跨比，通過兩個千斤頂上端連接荷載傳感器，而荷載傳感器與東華靜態(tài)應(yīng)變測試儀相連接，以此提供兩個對稱的集中荷載。根據(jù)規(guī)范中每級荷載的確定方法對試件進行加載。

2試驗結(jié)果與分析

混凝土試驗構(gòu)件在試驗中最直觀的表現(xiàn)就是裂縫的發(fā)展，在施加荷載作用下，當構(gòu)件中某一點的主拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂，并且當裂縫與混凝土表面貫穿時就可用肉眼觀測到裂縫[7]。試驗中根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時間、位置、順序以及發(fā)展形態(tài)和速度可以大致判斷構(gòu)件的受力情況。

2.1剪跨比對斜裂縫的影響

在集中荷載作用下，剪跨比對梁抗剪性能的影響很大[8]。圖1描述了在不同剪跨比的條件下斜裂縫的寬度隨荷載增加而變化的情況，其中曲線的斜率表示斜裂縫增加的速度。從圖1中各條曲線可以看出，雖然剪跨比變化在2.0、2.5、3.0，但試驗梁斜截面裂縫寬度的增加速度與剪跨比基本沒有直接的關(guān)系。另外，當斜裂縫寬度達到0.4 mm時，荷載與極限承載力的比值V/Vu隨著剪跨比的變化情況是：當剪跨比λ=2.0、λ=3.0時，同組的兩根試驗梁V/Vu值變化范圍為0.69～0.85，而剪跨比λ=2.5時，同組的兩根試驗梁V/Vu都處于0.75～0.80。由此可知，當鋼纖維全輕混凝土梁在剪壓破壞階段時，剪跨比過大或者過小對于斜裂縫的發(fā)展均是不利的。

2.2鋼纖維摻量對斜裂縫寬度的影響

由于混凝土的抗拉強度很低，只有其抗壓強度的1/10[9],因此，在荷載作用下，當混凝土達到其極限抗拉強度時會開裂產(chǎn)生裂縫，而亂向分布的鋼纖維可以有效抑制混凝土的開裂和裂縫的發(fā)展[10]。

本次試驗主要研究鋼纖維摻量ρf由0%增加至1.6%時斜裂縫的發(fā)展情況。圖2所示為平均斜裂縫寬度隨著鋼纖維摻量變化的情況。由圖2可見，隨著鋼纖維摻量的增加，平均斜裂的寬度逐漸減小。鋼纖維摻量的增加可以有效地抑制混凝土梁斜裂縫的發(fā)展。

圖1斜裂縫寬度隨剪跨比變化的發(fā)展情況

Fig.1The development of inclined crack with the variation ofshear span ratio

圖2平均斜裂縫寬度隨鋼纖維摻量變化的發(fā)展情況

Fig.2The development of average diagonal crack width with the variation of the steel fiber content

圖3為斜裂縫寬度隨荷載的變化曲線。由圖3中可以看出，各曲線斜率基本相同，證明裂縫寬度隨著荷載的增加而增加的速率基本一致。當斜裂縫寬度為0.4 mm時，其荷載值占極限荷載值的百分比沒有很大變化，鋼纖維摻量由0增加至1.2%時，V/Vu值基本保持在0.65～0.75，當鋼纖維摻量ρf=1.6%時，則V/Vu=0.83。由此可見，當達到正常使用極限狀態(tài)時，隨著鋼纖維摻量的增加，裂縫寬度值不斷減小。因此，鋼纖維在抑制裂縫發(fā)展方面效果明顯，對于斜裂縫寬度值要求較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以通過增加鋼纖維的摻量來限制裂縫的發(fā)展。

2.3配箍率對斜裂縫寬度的影響

在斜裂縫出現(xiàn)前箍筋的應(yīng)力很小，主要由混凝土傳遞剪力；斜裂縫出現(xiàn)后，與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)力增大[11]。當配箍率ρsv為0%、0.19%、0.25%時，斜裂縫隨荷載變化的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，配箍率分別為0%、0.19%、0.25%時，3條斜裂縫變化線幾乎重合。由此可見，箍筋在正常使用階段的應(yīng)力很小，對于斜裂縫寬度的影響幾乎可以忽略不計。

綜上所述，影響鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫的發(fā)展情況的因素主要有剪跨比和鋼纖維摻量。當鋼纖維全輕混凝土梁在剪壓破壞階段時，剪跨比過大或者過小對于斜裂縫的發(fā)展均是不利的。鋼纖維在抑制裂縫發(fā)展方面效果明顯，對于斜裂縫寬度值要求較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以通過增加鋼纖維的摻量來限制裂縫的發(fā)展。而箍筋在正常使用階段的應(yīng)力很小，對于斜裂縫寬度的影響幾乎可以忽略不計。

圖3斜裂縫寬度隨荷載的變化曲線

Fig.3The change curve of the inclined crack width with load

圖4斜裂縫寬度隨配箍率的變化圖

Fig.4The change of inclined crack width with the variation of stirrup ratio

3最大斜裂縫寬度計算公式

近幾年，對于混凝土梁的斜截面開裂荷載及抗剪承載力的研究較多，但對于梁的斜截面的最大裂縫寬度的研究相對較少。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中梁的斜裂縫也只規(guī)定了寬度限值，沒有最大斜裂縫寬度的計算公式。而實際工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是帶裂縫工作，在正常使用階段對于斜裂縫寬度的計算、控制也不容忽視。根據(jù)文獻[4]分析得出的斜裂縫寬度的實用計算公式，通過加載過程中對斜裂縫寬度的觀測和分析，將計算值與試驗值進行對比，分析得到的鋼纖維全輕混凝土梁的最大斜裂縫的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

其中，ωweb,max為斜裂縫最大寬度值(mm)；σsv,m為箍筋平均應(yīng)力(MPa);Esv為箍筋的彈性模量(MPa);Vcr為斜截面開裂荷載(kN)；Asv為箍筋的截面面積(mm2)；a,l分別為試驗梁的剪跨和跨長(mm)。

本公式只適用于正常使用階段中斜裂縫的寬度計算。本試驗的實測數(shù)據(jù)與上式計算數(shù)據(jù)對比結(jié)果列于表5中。

表5　試驗梁斜裂縫寬度

圖5　最大斜裂縫實測值與計算值對比圖Fig.5　The measured values of the maximum inclined crack width to the calculated values

依據(jù)文獻[4]中纖維混凝土梁的斜裂縫最大寬度的計算數(shù)值，對比試驗中鋼纖維全輕混凝土梁的斜裂縫最大寬度的實測數(shù)值，可見實測值與計算值的比值大多數(shù)在0.75左右浮動，平均值為0.77，標準差0.13，變異系數(shù)為0.167。

從對比結(jié)果中可以看出，實測數(shù)據(jù)與公式計算值吻合情況良好，如圖5所示。鋼纖維對于斜裂縫寬度的限制作用體現(xiàn)在混凝土的抗拉強度ft中。通過對比分析，可以將式(1)、(2)、(3)作為鋼纖維全輕混凝土梁最大斜裂縫寬度的計算公式。

4結(jié)論與展望

限于試驗條件，本次試驗主要研究了集中荷載作用下鋼纖維全輕混凝土的抗剪性能，得出了有益的結(jié)論。在以后的研究中，將進一步考慮一般荷載作用的情況，并分析鋼纖維長細比等其他參數(shù)對鋼纖維全輕混凝土抗剪性能的影響。

參考文獻：

[1]趙國藩,彭少民,黃承逵.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1999.

[2]逯曄,孫海林,葉列平,等.高強輕骨料混凝土梁抗剪承載力的試驗與計算[C]//第七屆全國輕骨料混凝土學術(shù)研討會論文集.南京：東南大學出版社，2014:454-459.

[3]張宏戰(zhàn),黃承逵,張瑞瑾.鋼纖維高強混凝土箍筋梁抗剪性能試驗[J]. 哈爾濱工業(yè)大學報,2006,38(10):1781-1785.

[4]趙順波,趙國藩.鋼筋鋼纖維混凝土梁斜裂縫寬度計算方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu),1998(7):39-42.

[5]宋麗莎,孫麗.鋼纖維混凝土拌合物工作性能試驗研究[J]. 華北水利水電大學學報,2013,34(1):24-26.

[6]李廣欣.機制砂再生粗骨料混凝土梁受剪性能試驗研究[D]. 鄭州:華北水利水電大學,2013.

[7]FENWICK R C,PAULAY T. Mechanisms of shear resistance of concrete beams[J]. Journal of the Structural Division，1968,94(ST10):2235-2350.

[8]金凌志,張猛.拉—壓桿模型RPC梁抗剪承載力試驗研究[J]. 廣西大學學報(自然科版),2015，40(5):1060-1067.

[9]LUO X,SUN W,ChEN Y N.Steel fiber reinforced high-performence concrete: A study on the mechanical pro- perties and resistance against impact[J]. Materials and Structure,2001,237(34):144-149.

[10]李長永.鋼纖維輕骨料混凝土性能與疊澆梁受彎性能計算方法研究[D]. 鄭州:鄭州大學,2014.

[11]RUSSO G，SOMMA G，MITRI D.Shear strength analysis and prediction for reinforced concrete beams with-out stirrups[J]. Journal of Structural Engineering,2005,131(1):66-74.

[12]李鳳蘭,趙順波,黃承逵.配筋鋼纖維混凝土梁受剪承載力設(shè)計方法研究[J]. 工業(yè)建筑,2003,33(10):66-68.

(責任編輯唐漢民裴潤梅)

收稿日期：2015-12-03；

修訂日期：2016-03-10

基金項目：河南省科技廳科技攻關(guān)項目(14210231050)；河南省高校生態(tài)建筑材料與結(jié)構(gòu)工程科技創(chuàng)新團隊(13ITRTSHN002)

通訊作者：王貴春(1962—)，男，遼寧黑山縣人，鄭州大學教授，工學博士；E-mail: guichunwang@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0635

中圖分類號TU528

文獻標識碼:A

文章編號：1001-7445(2016)03-0635-06

Experimental study on inclined crack of steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams

TANG Hua-rui1，HAN Ling-jie2，SHANG Ya-qiong1，WANG Gui-chun3

(1.Department of Building and Geomatics Engineering,Wanfang College of Science and Technology，Henan Polytechnic University, Zhengzhou 451400,China；2.Department of Civil and Architecture Engineering,Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou 450064, China;3.School of Civil Engineering，Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to further study the mechanical behaviors of inclined section and the development of diagonal crack of steel fiber reinforced lightweight concrete beams, 18 test beams are manufactured and tested using trans loading device and the method of symmetrically concentrated loading at two points. The effects of 3 variables, including shear span ratio λ, the dosage of steel fiber ρf and the ratio of reinforcement ρsv, on the inclined crack width of steel fiber reinforced lightweight concrete are analyzed. The results show that whether the shear span ratio is too large or too small, it is unfavorable for the development of inclined cracks; that the increase of the dosage of steel fiber can effectively control the development of inclined crack and reduce its width; that stirrup has little effect on the test beams. Meanwhile, by observing and analyzing the width of inclined crack, and comparing the calculated results of inclined crack with the test ones, the formula to calculate the maximum inclined crack of the steel fiber reinforced lightweight concrete beam is proposed.

Key words:steel fiber; full-lightweight concrete; beam; inclined crack

引文格式： 唐華瑞，韓靈杰，尚亞瓊,等.鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(3)：635-640.