摻入不同尺寸鋼纖維的高強(qiáng)混凝土深梁抗剪性能

馬煜東 馬愷澤 魏慧 劉伯權(quán)

(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安710064)

深梁為跨高比小于2的簡支單跨梁或跨高比小于2.5的多跨連續(xù)梁，是建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程中重要的承重構(gòu)件之一。普通混凝土深梁是工程中較為常見的構(gòu)件，但其承載能力較低，不能滿足某些工程條件下的使用。隨著基建工程的快速發(fā)展，高性能混凝土構(gòu)件在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中占據(jù)了愈來愈重要的地位。高強(qiáng)混凝土深梁雖然擁有較高的強(qiáng)度，但延性較差，在拉應(yīng)力或沖擊荷載作用下易發(fā)生脆性破壞，限制了其在工程中的應(yīng)用范圍。而在高強(qiáng)混凝土中摻入纖維可以使其性能得到改善，由于纖維的存在，基體的早期開裂受到阻礙，材料的變形韌性得到提高，其破壞模式由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有訹1- 2]。

國內(nèi)外學(xué)者對單一或多種混雜纖維混凝土材料及構(gòu)件性能進(jìn)行了研究。Adebar等[3]和Lawler等[4]發(fā)現(xiàn)纖維可以有效的抑制構(gòu)件在加載初期微裂縫的發(fā)展，并減小裂縫最終的寬度。趙軍等[5]對鋼纖維混凝土深梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了鋼纖維體積率、剪跨比及縱筋配筋率對其剪切承載力的影響。徐禮華等[6]運(yùn)用有限元軟件ANSYS對鋼纖維混凝土深梁進(jìn)行了非線性分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。Shah[7]分析了鋼纖維混凝土深梁，發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土的流動(dòng)性較差，但可以為構(gòu)件提供更高的承載力。Kulkarni等[8]對比研究了聚丙烯纖維、鋼纖維和玻璃纖維對深梁性能的影響，他們發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以提高混雜纖維混凝土的和易性，而包含鋼纖維和玻璃纖維的混雜纖維混凝土深梁擁有更高的強(qiáng)度。夏廣政等[9- 10]進(jìn)行了混雜纖維高性能混凝土深梁抗彎及抗剪性能試驗(yàn)，研究兩種不同類型的纖維摻量及分布鋼筋配筋率等對高性能混凝土深梁抗剪能力的影響。結(jié)果表明，混雜纖維對高性能混凝土深梁抗彎及抗剪承載能力及延性改善效果顯著。Balgude[11]通過試驗(yàn)研究了無腹筋鋼纖維混凝土深梁的剪切性能，結(jié)果表明鋼纖維可以一定程度上充當(dāng)無腹筋深梁的抗剪微筋，控制裂縫的發(fā)展，提高深梁的承載能力和變形能力；但隨著鋼纖維含量的增大，深梁承載能力的提升程度越來越不明顯。張志金等[12]通過無腹筋玄武巖纖維混凝土深梁的剪切性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維特征參數(shù)的增大，深梁的破壞形態(tài)逐漸由斜壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧魤浩茐摹?/p>

以上試驗(yàn)分析表明，將不同類型的纖維混雜摻入高強(qiáng)混凝土中，可以充分發(fā)揮不同類型纖維的混合效應(yīng)，提升混凝土基體的各項(xiàng)性能，得到性能更優(yōu)的深梁構(gòu)件。而在諸多纖維種類中，鋼纖維與高強(qiáng)混凝土有著較好的協(xié)同工作性[13- 14]，混合鋼纖維對高強(qiáng)混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度有明顯的提升作用，同時(shí)也能改善材料的韌性，混凝土超高性能的實(shí)現(xiàn)與混合鋼纖維的使用有著密不可分的關(guān)系[15]。盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在混雜纖維混凝土及其構(gòu)件的研究上取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于混合鋼纖維混凝土深梁的研究仍較少，對其抗剪性能及相關(guān)承載力計(jì)算的研究也不夠深入。鑒于此，文中對1個(gè)高強(qiáng)混凝土深梁和4個(gè)混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)，分析了鋼纖維體積摻量和分布鋼筋配筋率對其抗剪性能的影響規(guī)律，并在考慮混合鋼纖維協(xié)同工作效應(yīng)條件下，對混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁的抗剪承載力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，旨在為其在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

表1 試件參數(shù)

圖1 HFDB- 2配筋

1.2 材料性能

試驗(yàn)選用文獻(xiàn)[13]提出的混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比，原材料如下：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，硅灰，一級特細(xì)粉煤灰，S95礦粉，西卡JH型聚羧酸高性能減水劑；Bekaert鋼纖維，長鋼纖維為長度30 mm、直徑0.55 mm的端彎型纖維，短鋼纖維為長度13 mm、直徑0.20 mm的平直型纖維。材料配合比如表2所示，實(shí)測力學(xué)性能如表3所示。其中，fcu和ft分別為混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度。鋼筋采用HRB400，不同型號鋼筋實(shí)測力學(xué)指標(biāo)如表4所示。

表2 混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比

表3 混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能

表4 鋼筋力學(xué)性能

1.3 試驗(yàn)裝置及測試內(nèi)容

試驗(yàn)在5 000 kN的長柱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載裝置如圖2所示。加載速度為0.1 mm/min，直至試件承載力下降到極限荷載的85%結(jié)束。在深梁縱向鋼筋和分布鋼筋預(yù)埋鋼筋應(yīng)變片并在支座和跨中布置位移計(jì)，量測布置如圖3所示。試驗(yàn)中，采用ZBL-F101裂縫觀測儀量測裂縫寬度；同時(shí)，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，與試驗(yàn)加載同步采集位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖2 加載裝置

圖3 量測布置

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件HSDB- 1加載至180 kN時(shí)，跨中底部首先出現(xiàn)垂直受彎裂縫；增加荷載至301 kN，左側(cè)出現(xiàn)第1條受剪斜裂縫，并向集中荷載作用點(diǎn)和支座處延伸，由于高強(qiáng)混凝土的脆性，斜裂縫數(shù)量較少且寬度迅速增加。隨著荷載的增大，深梁左側(cè)破壞程度不斷加劇，并形成主裂縫，其寬度不斷增加。荷載達(dá)到極限荷載后，承載力迅速下降，試件破壞。HSDB- 1破壞形態(tài)如圖4(a)所示。

試件HFDB- 1加載至313 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)第1條垂直受彎裂縫。當(dāng)加載到657 kN時(shí)，受剪斜裂縫在梁右側(cè)出現(xiàn)，同時(shí)跨中右側(cè)出現(xiàn)兩條垂直裂縫。隨著荷載繼續(xù)增加，左側(cè)出現(xiàn)斜裂縫，而右側(cè)斜裂縫密集出現(xiàn)，呈現(xiàn)出向加載點(diǎn)聚攏的態(tài)勢，并伴隨有纖維拔出的聲音。由于纖維的作用，右側(cè)主裂縫發(fā)展較為緩慢，試件裂縫較HSDB- 1更密集；達(dá)到極限荷載后，主斜裂縫緩慢擴(kuò)展，繼續(xù)加載直至試件破壞。HFDB- 1破壞形態(tài)如圖4(b)所示。

試件HFDB- 2加載至844 kN時(shí)，右側(cè)出現(xiàn)第1條受剪斜裂縫，此階段裂縫較多出現(xiàn)在跨中下部，表現(xiàn)為已有裂縫附近出現(xiàn)細(xì)小裂紋。隨荷載的增加，斜裂縫緩慢發(fā)展，并伴有纖維拔出的聲音。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，深梁右側(cè)斜裂縫較明顯，上部裂縫基本聚攏于加載點(diǎn)下方，整個(gè)梁面裂縫呈放射狀分布在加載點(diǎn)與支座中間區(qū)域，裂縫細(xì)密。HFDB- 2破壞形態(tài)如圖4(c)所示。

試件HFDB- 3加荷至392 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)兩條垂直短裂縫；加荷至761 kN時(shí)，試件兩側(cè)均出現(xiàn)受剪斜裂縫，此后裂縫發(fā)育主要表現(xiàn)為受剪區(qū)域繼續(xù)出現(xiàn)新的細(xì)斜裂縫，在右側(cè)形成一條明顯的主剪斜裂縫；接近極限荷載時(shí)，荷載出現(xiàn)停滯，細(xì)密裂紋持續(xù)出現(xiàn)，并伴隨有密集的纖維拔出的聲音；繼續(xù)加載右側(cè)主裂縫增寬，荷載達(dá)到極限荷載后下降緩慢。HFDB- 3破壞形態(tài)如圖4(d)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

試件HFDB- 4加載至685 kN時(shí)，左側(cè)出現(xiàn)細(xì)密斜裂縫；斜裂縫延伸較有腹筋梁迅速。隨著荷載的增加，左側(cè)斜裂縫持續(xù)向上延伸，寬度逐漸增加，纖維不斷拔出，達(dá)到極限荷載后，深梁承載力并未出現(xiàn)迅速下降，但左側(cè)受剪斜裂縫不斷擴(kuò)展，HFDB- 4最終破壞形態(tài)如圖4(e)所示。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，HSDB- 1、HFDB- 4發(fā)生斜壓破壞，HFDB- 1、HFDB- 2、HFDB- 3發(fā)生彎剪破壞。由于鋼纖維的摻入，試件剪切斜裂縫的初裂荷載得到提高，斜裂縫發(fā)展速度減慢，裂縫數(shù)量明顯增多。試件最終破壞均以彎曲裂縫基本穩(wěn)定、剪切裂縫不斷擴(kuò)展，承載力下降至破壞水平而結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-撓度曲線

試件的荷載-撓度曲線如圖5所示。斜裂縫出現(xiàn)之前，所有試件的荷載-撓度曲線呈現(xiàn)線性；當(dāng)斜裂縫出現(xiàn)后，高強(qiáng)混凝土深梁的曲線斜率降低，試件剛度開始下降，而混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁的曲線仍近似以原有斜率繼續(xù)發(fā)展，剛度基本保持不變；隨著裂縫的發(fā)展，鋼纖維“橋聯(lián)”作用減弱，荷載-撓度曲線開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，試件剛度及承載力開始下降；在達(dá)到峰值荷載后，高強(qiáng)混凝土深梁的承載能力及剛度急劇下降，而混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁在此后的一段時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出良好的持荷能力，變形能力顯著提高。對比HFDB- 2與HFDB- 1、HFDB- 3，纖維含量從1%增至2%或分布鋼筋配筋率從0.34%增至0.68%時(shí)，試件的承載能力及剛度得到了明顯的提高，后期持荷能力更為明顯，剛度下降更為緩慢。對比HFDB- 1與HFDB- 4，兩者的曲線在前中期相近，但在加載后期，HFDB- 1的曲線下降更為緩慢。在承載力方面，鋼纖維作為混凝土基體中的“微筋”，可以替代深梁中的分布鋼筋，保證深梁的承載能力；但在加載后期，由于纖維的拔出，HFDB- 4的承載能力和剛度會快速下降，變形能力降低。

圖5 荷載-撓度曲線

2.2 承載能力及變形能力分析

試件的承載能力及變形能力如表5所示，Vc、Vp、Vu分別為試件的剪切初裂荷載、峰值荷載和極限荷載，Δc、Δp、Δu分別為相應(yīng)的跨中撓度。從表中可以看出，試件的初裂荷載、峰值荷載和極限荷載均隨著混合鋼纖維含量和分布鋼筋配筋率的增加而增大。與HSDB- 1相比，HFDB- 1、HFDB- 2的初裂荷載提高了118.2%和180.2%，峰值荷載提高66.8%和111.8%；混合鋼纖維含量從0%提升至1%時(shí)，試件承載能力的提升程度相對較高。與HFDB- 2相比，HFDB- 3、HFDB- 4的初裂荷載降低了9.8%和18.8%，峰值荷載降低9.9%和19.6%。

表5 剪切初裂荷載及極限荷載

試件的變形能力隨著混合鋼纖維含量的增大而增大。與HSDB- 1相比，HFDB- 1、HFDB- 2的跨中撓度在初裂狀態(tài)下增大了105.5%和126.3%，在極限狀態(tài)下增大了54.3%和69.1%。隨著分布鋼筋配筋率的增大，試件的變形能力呈先增大后降低的趨勢，但下降程度較小。與HFDB- 4相比，HFDB- 3的跨中撓度在初裂及極限狀態(tài)下提升了32.9%和28.1%；與HFDB- 3相比，HFDB- 2的跨中撓度在初裂及極限狀態(tài)下降低了6.7%和2.8%。

2.3 鋼筋應(yīng)變分析

試件鋼筋隨荷載變化情況如圖6所示。由圖6(a)、圖6(b)可知，在出現(xiàn)斜裂縫之前，分布鋼筋應(yīng)變較小，且與荷載近似呈線性關(guān)系。斜裂縫出現(xiàn)后，高強(qiáng)混凝土深梁斜截面裂縫處分布鋼筋的應(yīng)變突然增大，且應(yīng)變值增長較快；而在混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁中，由于鋼纖維有效的限制了斜裂縫的擴(kuò)展，分擔(dān)了部分網(wǎng)筋的拉力，斜截面裂縫處分布鋼筋的應(yīng)變增加相對緩慢。從圖中可以看出，HFDB- 2中網(wǎng)筋應(yīng)變的分布較HFDB- 1與HFDB- 3中的更小，這表明混合鋼纖維含量和網(wǎng)筋配筋率的增大在抑制斜裂縫擴(kuò)展、分擔(dān)網(wǎng)筋拉力方面有較為顯著的作用。

圖6 鋼筋隨荷載變化情況

由如圖6(c)可知，在豎向裂縫出現(xiàn)前，縱筋應(yīng)變增加緩慢，且近似與荷載呈線性關(guān)系。豎向裂縫出現(xiàn)后，由于鋼纖維對裂縫的抑制作用及對拉力的貢獻(xiàn)，混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁中縱筋的應(yīng)變增加相對緩慢；且鋼纖維含量和網(wǎng)筋配筋率越大，應(yīng)變增長速率越慢。

2.4 鋼纖維對高強(qiáng)混凝土深梁增強(qiáng)機(jī)理分析

由于現(xiàn)階段施工條件等的限制，混凝土基體本質(zhì)上是一種內(nèi)部有缺陷的材料，存在著細(xì)小的孔及細(xì)微裂縫；在加載過程中，其會進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土的基本原理是將兩種鋼纖維合理組合摻入高強(qiáng)混凝土中，發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)，提高或改善原單一種類鋼纖維混凝土的若干性能。不同尺寸的鋼纖維混合使用時(shí)，纖維數(shù)量比單一纖維混凝土?xí)幸欢ǖ脑黾?，且纖維在混凝土基體中處于亂向分布狀態(tài)，有極大的概率會跨越基體中原有的裂縫和小孔，抑制其發(fā)展，降低混凝土基體原有缺陷的影響。

在加載過程中，短纖維主要起到對混凝土基體的增強(qiáng)作用，緩和裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，阻止與延緩宏觀裂縫在基體中的擴(kuò)展，作為增強(qiáng)基體的“微筋”存在，能有效提高構(gòu)件的抗裂能力。當(dāng)構(gòu)件局部產(chǎn)生較大裂縫時(shí)，長纖維由于端部帶有彎鉤，抗拔出性能優(yōu)異，可以在構(gòu)件承載過程中耗散更多能量，進(jìn)一步延緩裂縫的擴(kuò)展；同時(shí)，“橋架”裂縫之間的長鋼纖維承擔(dān)并傳遞了裂縫處的拉力，降低了裂縫截面上的鋼筋應(yīng)力。兩種纖維在構(gòu)件破壞過程中協(xié)同工作，在不同層次和不同階段限制斜裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，跨越斜裂縫的鋼纖維承擔(dān)了部分剪力，緩和了抗剪鋼筋的應(yīng)力；鋼纖維的存在也改善了混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能，提高了鋼筋的銷栓作用；同時(shí)，剪壓區(qū)混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的強(qiáng)度和極限應(yīng)變也得到提升，防止混凝土過早被壓潰而導(dǎo)致破壞。值得注意的是，混合鋼纖維的摻入不會從根本上改變深梁受剪的基本特征和機(jī)理，但卻提高了深梁的受剪性能。

3 深梁受剪承載力分析

與普通混凝土深梁相比，HFRC深梁性能的提高主要得益于高強(qiáng)混凝土的采用和鋼纖維的摻入。故以普通混凝土深梁抗剪承載力計(jì)算公式為基礎(chǔ)，分別考慮高強(qiáng)混凝土和鋼纖維的增強(qiáng)作用，對構(gòu)件的抗剪承載力公式進(jìn)行推導(dǎo)。對于普通混凝土深受彎構(gòu)件的抗剪承載力，我國現(xiàn)行規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[16]給出了相關(guān)的計(jì)算公式，集中荷載下：

(1)

該式包括了短梁在內(nèi)的深受彎構(gòu)件的抗剪承載力計(jì)算，當(dāng)l0//h=5時(shí)，與一般梁的抗剪承載力計(jì)算公式相銜接，當(dāng)l0/h≤2時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)樯盍菏芗舫休d力計(jì)算公式，即為

(2)

式中，ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，b為構(gòu)件寬度，h0為構(gòu)件截面有效高度，fyh為構(gòu)件水平鋼筋抗拉強(qiáng)度，Ash為構(gòu)件上部0.8 h范圍內(nèi)水平鋼筋的截面面積，Sv為水平分布鋼筋的豎向間距。

以往的研究表明，高強(qiáng)混凝土比普通混凝土有更高的強(qiáng)度，其與縱向鋼筋之間的黏結(jié)力更大，協(xié)同工作效應(yīng)更好。參考文獻(xiàn)[10]的研究，在式(1)中的第1項(xiàng)和第2項(xiàng)分別引入修正系數(shù)α、β來考慮高強(qiáng)混凝土的影響，其中α=1.8，β=1。

根據(jù)之前的試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，兩種鋼纖維配比的不同會對混凝土的增強(qiáng)效果產(chǎn)生一定的弱化，考慮到這一特性，為使計(jì)算公式與單纖維混凝土深梁的計(jì)算公式相銜接，可令：

m+n=1

(3)

則高強(qiáng)混凝土纖維抗剪承載力計(jì)算公式為

(4)

對于纖維參與系數(shù)m、n，其值受纖維摻量及纖維種類的影響，根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，將相關(guān)參數(shù)帶入式(3)和式(4)，通過回歸分析，得出m=0.63，n=0.37。另選取劉勝兵等[10]、Madan等[18]的試驗(yàn)結(jié)果，對計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，如表6所示。

表6 抗剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為0.99，標(biāo)準(zhǔn)差為0.053，變異系數(shù)為0.054，符合較好。

4 結(jié)論

進(jìn)行了鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁抗剪性能試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1)由于鋼纖維在裂縫處的“橋聯(lián)”作用，混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁的裂縫更為細(xì)密，發(fā)展速度緩慢；在加載過程中表現(xiàn)出更大的剛度，在峰值荷載時(shí)的持荷能力優(yōu)異。

(2) 混合鋼纖維的存在及其含量的增大可以明顯提升試件的承載能力和變形能力；分布鋼筋配筋率的增大可以提升試件的承載能力，但試件的變形能力隨其增大呈先增大后輕微降低的趨勢。

(3) 加載過程中，短鋼纖維主要起到對混凝土基體的增強(qiáng)作用，抑制裂縫的出現(xiàn)，提高構(gòu)件的抗裂能力；長鋼纖維主要延緩裂縫的擴(kuò)展，傳遞并承擔(dān)裂縫處的剪力，緩解抗剪鋼筋的應(yīng)力，進(jìn)一步提升構(gòu)件的承載能力和變形能力?；旌箱摾w維的摻入并不會從根本上改變深梁受剪的基本特征和機(jī)理，但卻提高了深梁的受剪性能。

(4) 基于現(xiàn)行規(guī)范，在考慮兩種不同尺度的鋼纖維協(xié)同工作效應(yīng)條件下，對混合鋼纖維高強(qiáng)混凝土深梁的抗剪承載力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可供工程設(shè)計(jì)參考。