鋼纖維全輕混凝土梁斜截面開裂荷載試驗(yàn)研究

唐華瑞， 韓靈杰 ，尚亞瓊

(1. 鄭州工商學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451400；2.鄭州科技學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

鋼纖維全輕混凝土梁斜截面開裂荷載試驗(yàn)研究

唐華瑞1， 韓靈杰2，尚亞瓊1

(1. 鄭州工商學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451400；2.鄭州科技學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

為進(jìn)一步研究鋼纖維全輕混凝土梁斜截面開裂荷載的影響因素及計(jì)算公式，運(yùn)用反位試驗(yàn)加載裝置，采用兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載的方法，對(duì)18根試驗(yàn)梁進(jìn)行試驗(yàn)，并分析了剪跨比λ、鋼纖維摻量ρf對(duì)鋼纖維全輕混凝土開裂剪應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：隨著剪跨比的增大，鋼纖維全輕混凝土斜截面開裂時(shí)的剪應(yīng)力不斷減?。划?dāng)鋼纖維摻量增加時(shí)，鋼纖維全輕混凝土剪應(yīng)力隨之增加。同時(shí)將混凝土抗剪開裂荷載的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，推導(dǎo)出適合鋼纖維全輕混凝土梁開裂荷載的計(jì)算公式。

鋼纖維；全輕混凝土；梁；斜截面；開裂荷載

實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常都是帶裂縫工作，在正常使用階段對(duì)斜截面開裂荷載的計(jì)算、控制不容忽視[1]。目前，對(duì)于鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土的開裂性能已有研究：文獻(xiàn)[2]中，對(duì)全輕混凝土梁斜截面的受剪承載力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：其破壞形態(tài)與普通混凝土梁的破壞形態(tài)基本相同，但是全輕混凝土的破壞是以骨料的破壞為主，骨料強(qiáng)度是混凝土強(qiáng)度的決定因素，全輕混凝土梁的開裂荷載與配筋率及破壞形態(tài)有關(guān)，隨著箍筋的增加，抗剪開裂荷載明顯增加，剪壓與斜拉破壞的抗剪極限荷載相差較大。文獻(xiàn)[3]通過(guò)研究鋼纖維混凝土抗剪性能表明：鋼纖維在提高梁斜截面初裂強(qiáng)度和限制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展方面有很大的優(yōu)勢(shì)，以鋼纖維取代部分箍筋來(lái)改善梁的變形性能，推遲斜裂縫的出現(xiàn)和限制斜裂縫的發(fā)展是有效可行的。

目前鋼纖維全輕混凝土梁的研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)斜截面開裂荷載的研究更少。因此，系統(tǒng)地研究鋼纖維全輕混凝土梁斜截面開裂荷載，對(duì)于全面了解其斜截面的受力性能并確立合理的設(shè)計(jì)方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 試驗(yàn)概況

在全輕混凝土中摻入一定量亂向分布的鋼纖維，形成新型的建筑材料——鋼纖維全輕混凝土[5]。本試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為52.5的普通硅酸鹽水泥；粗骨料為山東淄博生產(chǎn)的2～20 mm粒徑連續(xù)級(jí)配頁(yè)巖陶粒；細(xì)骨料為山東淄博生產(chǎn)的頁(yè)巖陶砂；鋼纖維摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%，其性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼纖維的性能指標(biāo)

本次試驗(yàn)采用150 mm×400 mm×3 200 mm的試驗(yàn)梁，保護(hù)層厚度取25 mm,剪跨比分別為2.0、2.5、3.0，縱筋采用HRB400級(jí)熱軋鋼筋，箍筋采用HPB300級(jí)熱軋鋼筋，直徑為6 mm，梁的配箍率分別為0.25%、0、0.19%，縱筋配筋率為1.64%(兩根直徑為25 mm的鋼筋)[6]。

本次試驗(yàn)運(yùn)用反位試驗(yàn)加載裝置，采用兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載的方法對(duì)試驗(yàn)梁施加試驗(yàn)所需的荷載。

2 斜截面開裂時(shí)剪應(yīng)力分析

混凝土梁的開裂是由于混凝土的主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限抗拉強(qiáng)度所致。因此，影響鋼纖維全輕混凝土梁開裂性能的主要因素就是混凝土的抗拉強(qiáng)度[7]。

剪應(yīng)力計(jì)算公式為：

(1)

式中： τcr——剪應(yīng)力,MPa； Vcr——斜截面開裂荷載,kN； b——試驗(yàn)梁梁寬，mm； h0——截面的有效高度，mm。

表2列出了試驗(yàn)梁的開裂荷載實(shí)測(cè)值。

表2 各試驗(yàn)梁開裂荷載實(shí)測(cè)值

注：LC2.0-0.25-0.8-1中第1個(gè)數(shù)據(jù)表示剪跨比，第2個(gè)數(shù)據(jù)表示配箍率，第3個(gè)數(shù)據(jù)表示鋼纖維摻量，第4個(gè)數(shù)據(jù)表示試驗(yàn)梁的編號(hào)。

2.1 剪跨比與開裂時(shí)剪應(yīng)力的關(guān)系

圖1反映了試驗(yàn)梁開裂時(shí)，平均剪應(yīng)力與剪跨比的關(guān)系，隨著剪跨比的增大，剪應(yīng)力不斷減小。產(chǎn)生這種情況的原因有：一是鋼纖維對(duì)于試驗(yàn)梁剪跨段的剪應(yīng)力雖有一定的增強(qiáng)作用，但是由于隨著剪跨比的增加，混凝土的拉應(yīng)力也相應(yīng)增加，而鋼纖維對(duì)于混凝土的增強(qiáng)作用逐漸減弱[8]；二是混凝土的受壓會(huì)抑制裂縫的開裂，當(dāng)剪跨比較小時(shí)，混凝土的壓應(yīng)力對(duì)于斜裂縫的開裂抑制作用較明顯，會(huì)提高混凝土斜截面的開裂荷載。所以，隨著剪跨比的增加，斜截面混凝土的壓應(yīng)力逐漸減小，開裂荷載也隨之減小。

圖1 剪跨比與開裂時(shí)剪應(yīng)力的關(guān)系 圖2 鋼纖維體積率與開裂剪應(yīng)力的關(guān)系

2.2 鋼纖維摻量與開裂時(shí)剪應(yīng)力的關(guān)系

圖2反映了開裂時(shí)的剪應(yīng)力隨著鋼纖維摻量變化而變化的情況，當(dāng)鋼纖維摻量增加時(shí)，剪應(yīng)力也隨之增加。這是由于鋼纖維的存在使梁內(nèi)部形成一個(gè)橋架，鋼纖維長(zhǎng)細(xì)比越大，橋架作用越明顯，鋼纖維的存在可以阻止梁內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，從而起到提高試驗(yàn)梁開裂荷載的作用。

3 開裂荷載計(jì)算公式

鋼纖維全輕混凝土梁抗剪的開裂，主要是由于外荷載作用時(shí)，在彎剪區(qū)腹部的混凝土的主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土開裂[9]。因此，混凝土的抗拉強(qiáng)度是影響鋼纖維全輕混凝土梁開裂荷載的主要因素。

眾多研究表明，鋼纖維的加入對(duì)混凝土的抗裂作用影響明顯。加載初期，試驗(yàn)梁未出現(xiàn)裂縫，處于彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變基本上呈正比增長(zhǎng)；隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土的拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到全輕混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，由于有鋼纖維的摻入，亂向分布的鋼纖維開始發(fā)揮其作用，承受一部分拉應(yīng)力，從而限制了混凝土的開裂，使開裂荷載有所增加，起到提高全輕混凝土抗裂性能的作用[10]。由此可見，鋼纖維全輕混凝土抗剪開裂荷載的公式中，必須體現(xiàn)鋼纖維對(duì)開裂荷載的提高作用。

查閱文獻(xiàn)可知，抗剪開裂荷載計(jì)算公式中，鋼纖維抗裂作用的體現(xiàn)有兩種方法：一種是鋼纖維對(duì)混凝土部分開裂荷載的貢獻(xiàn)作用，以(1+βcrλf)的系數(shù)來(lái)表示，開裂荷載公式中第一部分，用基體混凝土的抗剪開裂荷載來(lái)計(jì)算，暫不考慮鋼纖維的作用，在此基礎(chǔ)上，乘以鋼纖維的加入所產(chǎn)生的影響系數(shù)[11]。第二種方法是將鋼纖維的作用效果考慮進(jìn)基體混凝土的抗拉強(qiáng)度中去，由于受剪開裂的主要機(jī)理就是混凝土的拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，而鋼纖維的摻入也是通過(guò)提高全輕混凝土的抗拉強(qiáng)度，來(lái)提高開裂荷載，因此，也可將鋼纖維的作用直接體現(xiàn)在全輕混凝土的抗拉強(qiáng)度中。

文獻(xiàn)[12]中，考慮國(guó)內(nèi)外研究者的鋼纖維混凝土梁斜截面開裂剪力值，通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，系統(tǒng)研究了鋼筋鋼纖維混凝土梁的開裂荷載計(jì)算公式，公式為：

(2)

式中：Vcr——斜截面開裂荷載，kN； ft——抗拉強(qiáng)度,MPa； b——試驗(yàn)梁梁寬，mm； h0——截面的有效高度，mm； λ ——剪跨比。

表3 鋼纖維全輕混凝土梁開裂荷載計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

試件編號(hào)b/mmh0/mmλft/MPaρsv/%計(jì)算值/kN實(shí)測(cè)值/kN實(shí)測(cè)值/計(jì)算值LC2.5-0.25-1.2-11303672.53.40.2581.02901.11LC2.5-0.25-1.2-21503522.53.40.2589.66850.95LC2.5-0.25-1.6-11503622.53.70.25100.34900.90LC2.5-0.25-1.6-21803722.53.70.25123.741050.85LC3.0-0.19-0.8-114437433.20.1978.75600.76LC3.0-0.19-0.8-215238233.20.1984.90750.88

鋼纖維全輕混凝土梁開裂荷載計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見表3。由表3可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值平均為0.947，變異系數(shù)為0.142，由此可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中公式計(jì)算值相關(guān)性好。因此，文獻(xiàn)[12]的開裂荷載計(jì)算公式作為鋼纖維全輕混凝土梁的開裂荷載計(jì)算公式是可行的。

公式中對(duì)梁的開裂荷載起決定作用的就是混凝土的抗拉強(qiáng)度值，而其抗拉強(qiáng)度值與鋼纖維摻量有密不可分的關(guān)系：隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度不斷提高。眾多試驗(yàn)表明：在混凝土還沒有開裂階段，混凝土的拉應(yīng)力不斷增加，而箍筋的應(yīng)力幾乎為零，可以忽略不計(jì)，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力不斷增加時(shí)，開裂裂縫處由于有鋼纖維的限制，拉應(yīng)力有一部分由鋼纖維來(lái)承擔(dān)，以此來(lái)提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，而箍筋應(yīng)力始終很小，箍筋對(duì)于開裂荷載的作用可以忽略不計(jì)。由此可知，要提高鋼纖維全輕混凝土梁的開裂荷載，可以增加鋼纖維的摻量來(lái)提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，而配箍率的變化對(duì)于開裂荷載的影響幾乎為零。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究結(jié)果表明：隨著剪跨比的增大，鋼纖維全輕混凝土斜截面開裂時(shí)的剪應(yīng)力不斷減??；隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維全輕混凝土剪應(yīng)力隨之增加，鋼纖維全輕混凝土梁斜截面開裂斜裂縫寬度有減小的趨勢(shì)；當(dāng)混凝土即將開裂時(shí)，箍筋的應(yīng)力很小，很難起到抗裂的作用，配箍率的變化對(duì)于其開裂荷載的影響幾乎為零。

限于試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)主要研究了集中荷載作用下鋼纖維全輕混凝土斜截面開裂性能，得出了有益的結(jié)論。在以后的研究中，將進(jìn)一步考慮鋼纖維種類，鋼纖維的長(zhǎng)細(xì)比等其他性能對(duì)鋼纖維全輕混凝土斜截面抗剪性能的影響。

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

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Experimental study on inclined section cracking load of steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams

TANG Hua-rui1, HAN Ling-jie2, SHANG Ya-qiong1

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouTechnologyandBusinessUniversity,Zhengzhou451400,China;2.DepartmentofCivilandArchitectureEngineering,ZhengzhouUniversityofScienceandTechnology,Zhengzhou450064,China)

In order to further study the influence factors of the oblique section of steel fiber concrete beam light cracking load and calculation formula, by using reverse test loading device and the method of two symmetrical concentrated loads, 18 experimental beams are made in this test to the effect of shear stress of contrast variable shear span ratio, steel fiber content changes of lambda Rho f on steel fiber light concrete cracking. The results show that the shear stress decreases with the increase of shear span ratio, and the shear stress increases with the increase of steel fiber content. At the same time, by comparing the practical calculation of concrete shear cracking load and the cracking load test of steel fiber light concrete, a formula for cracking load of steel fiber light concrete beam is proposed.

steel fiber; full-lightweight concrete; beam; inclined section; cracking load

2016-10-24

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(142102310536)

唐華瑞(1984—)，女，河南滎陽(yáng)人，碩士，講師。

1674-7046(2017)01-0036-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.007

TU375

A