剪跨比對高強(qiáng)混凝土牛腿破壞形態(tài)影響的試驗(yàn)研究

解偉 王昊坤 李樹山

摘 要：本文依據(jù)3個(gè)小剪跨比高強(qiáng)混凝土牛腿構(gòu)件在豎向荷載作用下的受剪破壞試驗(yàn)結(jié)果，對不同剪跨比條件下牛腿構(gòu)件的破壞過程和破壞形態(tài)進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了剪跨比對牛腿構(gòu)件承載能力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，小剪跨比牛腿的破壞形態(tài)可具體分為斜剪破壞和斜壓破壞兩種，剪跨比增大會(huì)導(dǎo)致牛腿的承載能力減小。

關(guān)鍵詞：牛腿;剪跨比;破壞形態(tài);承載力

中圖分類號：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0111-03

Abstract： Based on the shear failure test results of three high-strength concrete corbel members with small shear span ratio under vertical load， the failure process and failure mode of the corbel members with different shear-span ratio were compared and analyzed， and the influence law of shear-span ratio on the bearing capacity of the corbel members was summarized in this paper. The results show that the failure modes of the corbel with small shear-span ratio can be divided into two kinds， namely diagonal shear failure and diagonal compression failure， the increase of shear-span ratio will lead to the decrease of the bearing capacity of the corbel.

Keywords： corbel;shear-span ratio;failure mode;bearing capacity

鋼筋混凝土牛腿作為一種懸臂支撐結(jié)構(gòu)，是橋梁、水工結(jié)構(gòu)中重要的豎向承重構(gòu)件，一旦出現(xiàn)開裂或破壞，將有可能造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故。因長牛腿（剪跨比>1）受力情況近似于懸臂梁，其承載能力可參照懸臂梁計(jì)算，而小剪跨比牛腿（剪跨比<1）多為非受彎構(gòu)件，承載能力分析和計(jì)算相對復(fù)雜，小剪跨比牛腿破壞形態(tài)的研究對其配筋及尺寸設(shè)計(jì)、受剪機(jī)理分析以及承載能力預(yù)測的合理性至關(guān)重要。國內(nèi)外的許多專家學(xué)者針對牛腿的破壞形態(tài)和受力性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究[1-8]，但其中大多數(shù)以普通混凝土為研究對象，小剪跨比高強(qiáng)鋼纖維混凝土牛腿的破壞形態(tài)則有待進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

參照我國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）和《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38—2004），本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作3個(gè)剪跨比（剪跨段長度）分別為0.2（170 mm）、0.3（260 mm）、0.4（340 mm）的小剪跨比牛腿構(gòu)件，其中配置了4C25、配筋率為0.55%、實(shí)測屈服強(qiáng)度為525 MPa的HRB400縱向受拉鋼筋和A14@100、配筋率為0.77%、實(shí)測屈服強(qiáng)度為276 MPa的HPB300水平箍筋，構(gòu)件尺寸、鋼筋及其應(yīng)變片布置情況如圖1所示。所有試件混凝土基體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C60，骨料采用級配均勻、最大粒徑為20mm的碎石和中粗砂，水泥則采用42.5級普通硅酸鹽水泥，鋼纖維采用長為32 mm、直徑為0.75 mm、長徑比為42.7、抗拉強(qiáng)度≥600 MPa的銑削型鋼纖維，混凝土配合比及實(shí)測力學(xué)性能如表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

如圖2所示，試驗(yàn)采用量程為10 000 kN的四柱液壓試驗(yàn)機(jī)，通過自動(dòng)調(diào)平支座在牛腿肩部對稱位置同步施加集中力，支座寬度為160 mm，正式加載前先對試件進(jìn)行預(yù)加載。正式加載階段的加載速度為1kN/s，其中，試件開裂前的每級所加荷載為240 kN，開裂后每級所加荷載為400 kN，每級加載完成后持荷2 min，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。試驗(yàn)主要測試和記錄在各級荷載作用下牛腿構(gòu)件的跨中撓度，正裂縫和斜裂縫可能出現(xiàn)處的混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變，正截面開裂荷載、斜截面開裂荷載和極限荷載，裂縫出現(xiàn)的位置、發(fā)展變化情況和最大寬度。

2 破壞形態(tài)及過程

2.1 破壞形態(tài)

下面對3個(gè)牛腿試件的最終破壞形態(tài)進(jìn)行對比分析。

當(dāng)剪跨比[ah0]=0.2時(shí)，牛腿的破壞形態(tài)為斜剪破壞。如圖3（a）所示，在斜裂縫產(chǎn)生之前，其裂縫形態(tài)及裂縫發(fā)展情況與剪切破壞的特征基本吻合，斜裂縫出現(xiàn)后，裂縫延伸至立柱后并未向立柱內(nèi)部大幅延伸，而是傾向于沿豎直方向發(fā)展。

當(dāng)剪跨比[ah0]≥0.3時(shí)，牛腿的破壞形態(tài)表現(xiàn)為典型的斜壓破壞。如圖3（b）所示，在彎矩作用下，牛腿肩部與立柱交接處出現(xiàn)第一條正裂縫，并向立柱內(nèi)側(cè)緩慢延伸。隨著荷載不斷增大，第一條斜裂縫在加載墊板內(nèi)側(cè)與牛腿立柱下部交接點(diǎn)的連線方向上出現(xiàn)。隨后，在連線方向上又陸續(xù)出現(xiàn)多條細(xì)微密集的斜裂縫，此時(shí)，正截面裂縫不再有明顯發(fā)展。當(dāng)加載值接近極限荷載時(shí)，斜裂縫加速匯聚并伴隨表層混凝土脫落，進(jìn)而形成一條貫通的主斜裂縫，試件達(dá)到極限狀態(tài)而破壞。

2.2 破壞過程

小剪跨比牛腿構(gòu)件的破壞過程大致可分為四個(gè)階段。第一階段，無裂縫。加載伊始，混凝土未開裂，此階段主要由混凝土承擔(dān)外部荷載。第二階段，正截面開裂，正裂縫逐漸發(fā)展。當(dāng)加載至極限荷載的15%～20%時(shí)，在牛腿肩部與立柱交接處會(huì)出現(xiàn)第一條正裂縫，隨著荷載的增加，正裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展，部分試件立柱上部中間位置也會(huì)出現(xiàn)一條豎向裂縫。第三階段，斜截面開裂。當(dāng)加載至極限荷載的20%～35%時(shí)，在主拉應(yīng)力作用下，縱向受拉鋼筋下部區(qū)域出現(xiàn)第一條斜裂縫，大致沿加載板內(nèi)側(cè)與牛腿下部立柱交接點(diǎn)連線方向。第四階段，隨著荷載的不斷增加，混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布不斷進(jìn)行，正裂縫發(fā)展趨緩，斜裂縫不斷出現(xiàn)，沿與主裂縫平行的方向發(fā)展，加載至極限荷載的90%左右時(shí)，斜裂縫迅速擴(kuò)展連通，試件沿斜裂縫破壞。

3 結(jié)果分析

試件的破壞過程表明，相同配筋條件下，牛腿上部縱筋形成的拉桿強(qiáng)度和加載點(diǎn)與牛腿下部連線方向混凝土所形成的斜壓桿強(qiáng)度是影響牛腿承載能力的關(guān)鍵因素。而剪跨比反映的是截面正應(yīng)力（彎矩）與剪應(yīng)力（剪力）的比值，相同荷載條件下，剪跨比越大，正截面彎矩越大，試件破壞后的最大裂縫寬度也隨之增大。同時(shí)，隨著剪跨比的增大，荷載所產(chǎn)生的與斜壓桿方向垂直的拉應(yīng)力也逐漸增大，導(dǎo)致斜壓區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度降低，試件更易被破壞。

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，當(dāng)剪跨比由0.2增大至0.3時(shí)，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展情況有較大差異，破壞形態(tài)也由斜剪破壞轉(zhuǎn)為斜壓破壞。如表3所示，與試件LC-01相比，隨著剪跨比的增大，試件LC-02、LC-03的極限承載力分別減小了8.2%和25.5%。

4 結(jié)論

小剪跨比牛腿的破壞形態(tài)總體表現(xiàn)為剪切破壞，剪跨比由0.2增大到0.3時(shí)，破壞形態(tài)由斜剪破壞轉(zhuǎn)為斜壓破壞。剪跨比是影響牛腿承載能力的重要因素。相同條件下，剪跨比越大，牛腿構(gòu)件的承載能力越小。

參考文獻(xiàn)：

[1]Foster S J，Powell R E，Selim H S.Performance of high strength concrete corbels[J].ACI Structural Journal，1996（5）：555-563.

[2]Hwang S J，Lu W Y，Lee H J.Shear strength prediction for reinforced concrete corbels[J].ACI Structural Journal，2000（4）：543-552.

[3]高俊峰，邱洪興，蔣永生.鋼纖維高強(qiáng)混凝土牛腿計(jì)算方法的探討[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1993（4）：41-46.

[4]高丹盈，趙軍，朱海堂.鋼筋鋼纖維混凝土牛腿受剪承載力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006（2）：100-106.

[5]李樹山，王暉，張鋒劍，等.縱筋焊接錨固型鋼纖維高強(qiáng)混凝土牛腿受剪性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2018（10）：43-46.

[6]解偉，王暉，李樹山.基于拉壓桿模型的牛腿承載力試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2018（3）：98-101.

[7]解偉，王小兵，李樹山，等.鋼筋混凝土牛腿拉壓桿模型受剪承載力分析[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（1）：55-59.

[8]李樹山，高丹盈，解偉.鋼筋混凝土牛腿結(jié)構(gòu)拉壓桿模型及配筋設(shè)計(jì)[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013（1）：36-39.