玄武巖筋與鋼筋梁受彎性能試驗(yàn)對(duì)比分析

王 凱

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

玄武巖筋材料與傳統(tǒng)鋼筋材料相比，抗拉承載力顯著提高、耐腐蝕能力強(qiáng)且自重較小，不失為一種理想的鋼筋替代建材。但其抗拉彈性模量較小，僅為鋼筋材料的1/5～1/4，同等力下筋材的變形更大，不易滿足工程正常使用；另外玄武巖筋應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系為一條斜線，無受力屈服階段，屬脆性破壞。

單煒等[1]對(duì)玄武巖筋與混凝土材料的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了滑移本構(gòu)關(guān)系的理論模型；朱紹鐵[2]通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究了不同配筋率與混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁體受彎性能的影響；榮天時(shí)[3]通過對(duì)玄武巖筋梁體的抗彎性能與抗剪性能研究證實(shí)了玄武巖復(fù)合筋可以部分替代鋼筋在建材中使用；范小春等[4]對(duì)不同鋼纖維摻量與配筋率的試驗(yàn)梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)，探討了梁表面裂縫分形維數(shù)與荷載等級(jí)、鋼纖維體積摻量、配筋率及跨中撓度之間的關(guān)系；孫朋永等[5]通過有限元模型不斷調(diào)整玄武巖筋配筋率，解決梁體撓度過大及裂縫發(fā)展過快的問題；甘怡等[6]通過有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力玄武巖筋梁體的裂縫、撓度與承載力指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。

本文采用室內(nèi)模型梁體加載試驗(yàn)手段，對(duì)普通鋼筋梁體、玄武巖筋梁體以及混合配筋梁體的受力響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)加載工況下梁體撓度、筋材應(yīng)力應(yīng)變、梁體平截面變化、裂縫開展等規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)置4片模型梁，梁體長度L=4 000 mm，截面尺寸b×h=460 mm×230 mm，參數(shù)見表1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ土杭案鳒y(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖見圖1。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

表1 模型梁具體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中為準(zhǔn)確得到梁體的開裂荷載，梁體開裂前按每3 kN為一個(gè)臺(tái)階，梁體開裂后每5 kN一個(gè)臺(tái)階，直至模型梁體加載破壞。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

對(duì)于模型梁L2，當(dāng)荷載增加到15 kN時(shí)，跨中純彎段首先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，寬度不足0.1 mm，同時(shí)伴隨梁體撓度陡增；荷載增大，純彎段逐漸出現(xiàn)多條豎向裂縫，且裂縫寬度與長度發(fā)展較快；當(dāng)荷載增加至45 kN時(shí)，跨中加載點(diǎn)外范圍出現(xiàn)斜裂縫，并且隨著荷載的增加逐漸向加載點(diǎn)位置擴(kuò)展；當(dāng)加載至95 kN時(shí)，剪壓區(qū)主斜裂縫貫穿至分配梁加載點(diǎn)，此時(shí)跨中純彎段豎向裂縫已發(fā)展至混凝土受壓區(qū)，裂縫高度幾乎不再增加，寬度略有增加，此后主斜裂縫寬度發(fā)展加快，寬度逐漸超過純彎段內(nèi)豎向裂縫寬度；當(dāng)加載至130 kN時(shí)，斜裂縫寬度已達(dá)到8 mm，持載過程中壓區(qū)混凝土壓潰且梁體下?lián)厦黠@，梁體破壞，見圖3。

3.2 荷載-撓度曲線

荷載-撓度曲線見圖4，模型梁L1加載過程中撓度變化分級(jí)明顯。試驗(yàn)荷載為0 kN～21 kN時(shí)，梁體未開裂，此階段撓度變化值占比3.75%；試驗(yàn)荷載為22 kN～85 kN，混凝土開裂階段，此階段撓度變化值占比30.6%；試驗(yàn)荷載為86 kN～110 kN，鋼筋屈服階段。

模型梁L2荷載-撓度曲線分為兩個(gè)線性階段。試驗(yàn)荷載為0 kN～15 kN時(shí)，梁體未開裂，對(duì)應(yīng)撓度值占比4.1%；此后開裂荷載直至梁體加載破壞，荷載位移曲線并未發(fā)生明顯拐點(diǎn)，曲線趨勢(shì)較玄武巖筋應(yīng)力應(yīng)變曲線相似，呈線性增大。由于玄武巖筋彈性模量僅為鋼筋的1/5～1/4，混凝土開裂后玄武巖筋梁體撓度發(fā)展更快。L3與L4則與兩者規(guī)律相差不大。

3.3 梁體平截面應(yīng)變情況

以各試驗(yàn)?zāi)Ｐ土簶O限荷載為標(biāo)準(zhǔn)，每0.1倍極限荷載為單位，測(cè)量模型梁體跨中不同截面高度處梁體表面應(yīng)變的分布情況，驗(yàn)證玄武巖筋梁體受彎變形平截面假定符合情況。各模型梁平截面應(yīng)變分布見圖5。

普通鋼筋梁體L1，當(dāng)試驗(yàn)加載值不大于0.7倍極限荷載，模型梁跨中截面應(yīng)變分布均能滿足平截面假定；玄武巖筋梁體L2，加載值不大于0.4倍極限荷載時(shí)，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定；對(duì)于混合配筋梁體L3，加載值不大于0.5倍極限荷載時(shí)，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定；對(duì)于小直徑玄武巖筋梁體L4，加載值不大于0.3倍極限荷載時(shí)，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定。

3.4 筋體材料應(yīng)變分析

通過圖6中各模型梁筋材加載條件下應(yīng)變曲線線型可看出，對(duì)于普通鋼筋混凝土梁，其鋼筋應(yīng)變曲線較為平緩，同梁體撓度曲線線型類似；對(duì)于玄武巖筋梁體，其筋材應(yīng)變變化呈兩階段折線線型，由玄武巖筋材應(yīng)變特性大致推算出梁體破壞時(shí)玄武巖筋應(yīng)變值約為12 000～14 000微應(yīng)變，約占玄武巖筋極限微應(yīng)變(約20 000)的60%～70%。

對(duì)于混合配筋梁體，可以看出普通鋼筋與玄武巖筋荷載-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本相同，既未表現(xiàn)出普通鋼筋應(yīng)變曲線中屈服平臺(tái)線型，也未呈現(xiàn)出玄武巖筋應(yīng)變曲線線型增加直至破壞的態(tài)勢(shì)，表明混合配筋條件下兩種筋體受荷過程中基本能夠協(xié)同變形、共同受力。

3.5 裂縫開展情況

在相同荷載作用條件下，玄武巖筋模型梁的撓度發(fā)展更快速，對(duì)應(yīng)梁體裂縫的發(fā)生與發(fā)展也較普通鋼筋梁體快速；各模型梁體不同荷載作用下裂縫寬度與數(shù)量變化曲線如圖7所示。

普通鋼筋梁體，曲線分布形式與荷載撓度曲線類似，屈服時(shí)梁體裂縫最大寬度約為0.25 mm且發(fā)展較慢，裂縫寬度變化不大，數(shù)量顯著增多。模型梁L2開裂荷載較小且梁體開裂后裂縫寬度發(fā)展較快，荷載增加至約1/2倍極限荷載時(shí)，裂縫最大寬度不變，數(shù)量持續(xù)增長；繼續(xù)加載直至達(dá)到梁體極限荷載，主裂縫寬度突增，梁體破壞。

模型梁L3裂縫寬度與數(shù)量曲線變化趨勢(shì)綜合了鋼筋梁體與玄武巖筋梁體，裂縫寬度發(fā)展近似線性。小直徑玄武巖筋模型梁L4裂縫寬度變化曲線與L2梁類似，裂縫寬度增加較快，且梁體破壞階段裂縫寬度幾乎無平臺(tái)變化段；小直徑梁體裂縫數(shù)量增加的更快，梁體破壞時(shí)裂縫數(shù)量最多。

4 結(jié)語

1)結(jié)構(gòu)破壞形式：模型梁L1受彎破壞，模型梁L2，L3剪壓破壞，模型梁L4呈現(xiàn)受彎破壞。卸載后玄武巖筋梁體撓度變形回升明顯。

2)撓度發(fā)展規(guī)律：普通鋼筋梁體荷載-撓度曲線基本可分為三個(gè)階段，鋼筋屈服前梁體撓度發(fā)展占比總撓度約30%～40%；玄武巖筋梁體荷載-撓度曲線呈兩階段線性變化，梁體開裂后玄武巖筋梁體撓度發(fā)展更快。

3)平截面應(yīng)變：玄武巖筋梁體較普通鋼筋梁體更快地進(jìn)入非平截面應(yīng)變階段，混合配筋梁體進(jìn)入非平截面應(yīng)變階段要延遲于純玄武巖筋梁體。

4)筋體材料應(yīng)變情況：玄武巖筋筋材應(yīng)變變化呈兩階段折線線型，伴隨梁體開裂筋材應(yīng)變存在明顯拐點(diǎn)。

5)裂縫發(fā)展情況：不同筋材的梁體破壞階段裂縫寬度與數(shù)量有所差異，等配筋率條件下，玄武巖筋梁體裂縫較密，且加載前期裂縫平均寬度較普通鋼筋大，加載后期裂縫平均寬度較普通鋼筋小。