剪跨比對(duì)受火后RC梁抗剪和變形性能影響研究★

彭小麗，郭永圣，劉 翔

(江西應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 概述

鋼筋混凝土構(gòu)件遭受火災(zāi)高溫后，會(huì)導(dǎo)致其承載能力和延性的降低，從而影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性能[1-3]。依據(jù)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，鋼筋混凝土梁構(gòu)件的破壞形式應(yīng)設(shè)計(jì)為延性較好的彎曲破壞，而避免出現(xiàn)脆性剪切破壞。但是當(dāng)混凝土梁遭受火災(zāi)高溫后，由于鋼筋強(qiáng)度可恢復(fù)性能較好而混凝土易出現(xiàn)不可恢復(fù)的破壞[5-6]，導(dǎo)致按照彎曲破壞形式設(shè)計(jì)的梁可能會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。由于剪跨比是控制鋼筋混凝土梁破壞形式的關(guān)鍵參數(shù)[7-8]，研究剪跨比對(duì)受火后鋼筋混凝土梁抗剪承載力和變形性能影響，可為火災(zāi)后評(píng)估鋼筋混凝土梁構(gòu)件提供一定的參考。

本文進(jìn)行了兩個(gè)未受火和兩個(gè)受火鋼筋混凝土梁的抗剪性能靜載試驗(yàn)，重點(diǎn)分析研究了剪跨比對(duì)鋼筋混凝土梁抗剪和變形性能的影響。

2 試驗(yàn)方案和設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作了4個(gè)鋼筋混凝土試件，兩個(gè)常溫混凝土梁L1和L2為對(duì)比試件，兩個(gè)經(jīng)ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用1 h的受火梁L3和L4。試驗(yàn)考慮了兩個(gè)剪跨比，L1和L3的剪跨比為2.1，L2和L4的剪跨比為2.7。4個(gè)鋼筋混凝土梁試件的尺寸、配筋率均一致。梁長(zhǎng)度為2.4 m，凈跨為1.8 m、截面為200 mm×300 mm?；炷敛捎肅30，保護(hù)層厚度為25 mm。為了使試件的破壞形式為剪切破壞，箍筋按構(gòu)造要求配置，采用6.5 mm直徑箍筋，間距為200 mm，配箍筋率為0.165%。配置雙層鋼筋縱筋，受拉區(qū)為425，受壓區(qū)為225，受拉區(qū)縱筋配筋率為3.27%。試件的具體參數(shù)如表1所示，尺寸和配筋構(gòu)造如圖1所示。

表1 試件的主要參數(shù)

3 受火試驗(yàn)和靜力加載

3.1 受火試驗(yàn)

對(duì)梁L3和L4先進(jìn)行受火試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和爐內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度如圖2所示。受火試驗(yàn)過程中，根據(jù)試件表面水的狀態(tài)可以分為四個(gè)階段：試件表面水開始溢出、試件表面覆蓋水、覆蓋水沸騰和覆蓋水蒸發(fā)完畢。試驗(yàn)過程中試件出現(xiàn)溢水現(xiàn)象如圖3所示。受火試驗(yàn)后，可以觀察到試件出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，且有崩角現(xiàn)象，梁表面呈淺灰黃色。試件破壞情況如圖4所示。

3.2 靜力加載

試驗(yàn)的加載裝置如圖5所示，試驗(yàn)采用液壓伺服作動(dòng)器加載，通過一個(gè)分配梁來實(shí)現(xiàn)試件的兩點(diǎn)加載。試驗(yàn)的加載制度如下：首先，進(jìn)行預(yù)加載，以2 kN/s的速度加載，直至10 kN來檢查試驗(yàn)儀器是否正常；而后進(jìn)行正式加載，先按照10 kN進(jìn)行加載，當(dāng)鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服后改成位移控制加載，每級(jí)位移幅值為3 mm。最后加載至試件極限荷載的80%后停止加載試驗(yàn)結(jié)束。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)過程與破壞現(xiàn)象

4.1.1 剪跨比λ為2.1的未受火試件L1梁

試驗(yàn)加載至30 kN時(shí)，梁的純彎段出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當(dāng)加載至40 kN時(shí)在剪跨區(qū)出現(xiàn)第一條斜裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當(dāng)加載到115 kN時(shí)，彎曲裂縫和斜裂縫均繼續(xù)發(fā)展，其中最大彎曲裂縫寬度約束0.1 mm，最大斜裂縫寬度為0.28 mm，形成主斜。加載到225 kN時(shí)，主斜裂縫寬度約為1.5 mm，達(dá)到規(guī)程規(guī)定的剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)加載至238 kN時(shí)達(dá)到極限荷載，箍筋出現(xiàn)屈服，縱筋未屈服，主斜裂縫寬度達(dá)到3 mm。最終加載到188 kN，此時(shí)已低于極限荷載80%，最大跨中撓度為16.78 mm，試驗(yàn)結(jié)束。L1梁的裂縫開展如圖6所示，圖6中的數(shù)值為加載的荷載，單位kN。

4.1.2 剪跨比λ為2.7的未受火試件L2梁

試驗(yàn)加載至25 kN時(shí)，在純彎端出現(xiàn)條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當(dāng)加載至35 kN時(shí)，在彎剪段出現(xiàn)第1條剪切裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。斜裂縫出現(xiàn)后，箍筋應(yīng)變迅速增加。當(dāng)加載到120 kN時(shí)，最大彎曲裂縫寬度約為0.16 mm，最大斜裂縫為0.6 mm，形成主斜裂縫。加載到185 kN時(shí)，主斜裂縫寬度約為1.5 mm。加載至201 kN時(shí)達(dá)到極限荷載，主斜裂縫寬度約為7 mm。繼續(xù)加載至極限荷載的80%，最大跨中撓度為21.13 mm，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中箍筋發(fā)生屈服，縱筋未發(fā)生屈服。L2梁的裂縫開展如圖7所示。

4.1.3 剪跨比λ為2.1的受火試件L3梁

試驗(yàn)加載至15 kN時(shí)，純彎端出現(xiàn)第1條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當(dāng)加載至20 kN時(shí)，彎剪段出現(xiàn)第1條斜裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當(dāng)加載至120 kN時(shí)，出現(xiàn)主斜裂縫，裂縫寬度為0.3 mm，此時(shí)箍筋屈服，最大彎曲裂縫寬度為0.1 mm。加載到180 kN時(shí)，主斜裂縫寬度約為1.5 mm。當(dāng)加載至215 kN時(shí)達(dá)到極限荷載，最大斜裂縫寬度為2.5 mm。繼續(xù)加載至極限荷載的80%，最大跨中撓度19.48 mm，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中縱筋未發(fā)生屈服。L3梁的裂縫開展如圖8所示。

4.1.4 剪跨比λ為2.7的受火試件L4梁

試驗(yàn)加載至20 kN時(shí)，純彎端出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，裂縫寬度為0.02 mm。加載至25 kN時(shí)，彎剪段出現(xiàn)第一條斜裂縫，裂縫寬度為0.02 mm。當(dāng)加載至110 kN時(shí)，出現(xiàn)主斜裂縫，裂縫寬度0.6 mm，此時(shí)箍筋出現(xiàn)屈服。當(dāng)加載至146 kN時(shí)，斜裂縫寬度達(dá)到1.5 mm。加載至182 kN時(shí)，達(dá)到極限荷載，主斜裂縫寬度約為5 mm，彎曲裂縫寬度約為0.24 mm。加載至試驗(yàn)結(jié)束，最大跨中撓度為22.64 mm。L4梁的裂縫開展如圖9所示。

4.2 剪跨比對(duì)梁抗剪承載力的影響分析

各試件在不同狀態(tài)下的剪力對(duì)比如表2所示。由表2可知：

1)對(duì)比出現(xiàn)1.5 mm斜裂縫時(shí)梁的剪力Vut，隨著剪跨比的增加，Vut減小。其中未受火梁L2比L1的Vut減小了18%，受火梁L3比L4減小了19%。

2)對(duì)比梁的極限抗剪承載力Vu，同Vut類似，隨著剪跨比的增加，Vu減小。其中未受火梁L2比L1的Vu減小了16%，受火梁L3比L4的減小了14%。

3)相同的剪跨比，受火梁的Vut和Vu比未受火梁均出現(xiàn)降低，其中L3的Vut和Vu比L1分別降低了20%和10%，L4的Vut和Vu比L2分別降低了21%和8%。

表2 試件的主要參數(shù)

此外，各試件的跨中撓度和延性系數(shù)如表1所示。由表1可知：

1)當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，梁的跨中撓度dm隨著剪跨比增加而增大，其中未受火梁L2比L1的dm增加了17%，受火梁L3比L4的增加了17%。

2)相同的剪跨比，受火梁的dm比未受火梁均出現(xiàn)增大，其中L3的dm比L1增加了13%，L4的dm比L2增加了13%。

3)隨著剪跨比的增加，梁的延性系數(shù)μ增大，其中，未受火梁L2的μ比L1增加了41%，受火梁L4的μ比L3增加了11%。

4)相同的剪跨比，受火梁的延性系數(shù)μ比未受火梁均增加。

4.3 剪跨比對(duì)梁彎矩-撓度曲線的影響分析

各試件的彎矩-跨中撓度曲線如圖10所示。由圖10可知由于梁的破壞模型均為剪切破壞，各試件的跨中撓度隨著彎矩的增大基本呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。在相同的跨中撓度的情況下，受火梁的彎矩小于未受火梁，反映了受火后梁的抗彎剛度會(huì)出現(xiàn)降低。剪跨比λ為2.7的L2和L4的極限抗彎和變形能力均大于剪跨比λ為2.1的L1和L3，說明隨著剪跨比增大，梁的變形能力增加。

4.4 梁箍筋應(yīng)變分析

各試件的剪力-箍筋應(yīng)變曲線如圖11所示。由圖11可知，L1和L3(λ為2.1)箍筋應(yīng)變較小，反映了剪跨比較小時(shí)，箍筋對(duì)提高梁抗剪承載力的作用有限。而L2和L4(λ為2.7)，箍筋應(yīng)變較大，反映了隨著剪跨比的增大，箍筋對(duì)梁抗剪承載力的貢獻(xiàn)提高。此外，L2和L4的箍筋應(yīng)變發(fā)展可以分為兩個(gè)階段，第一階段箍筋屈服前箍筋應(yīng)變和剪力呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系且箍筋應(yīng)變較小，第二階段箍筋屈服后隨著剪力的增大箍筋應(yīng)變大幅增大。

4.5 剪跨比對(duì)梁斜裂縫的影響分析

各試件的剪力-斜裂縫曲線如圖12所示。由圖12可知斜裂縫的發(fā)展主要可以分為三個(gè)階段：斜裂縫的微裂階段、斜裂縫的發(fā)展階段和斜裂縫的快速擴(kuò)展階段。在微裂階段(L1和L3的剪力小于200 kN，L2和L4的剪力小于150 kN)，隨著剪力的增大斜裂縫裂縫寬度增加緩慢。在斜裂縫發(fā)展階段(L1和L3的剪力大于200 kN且小于300 kN，L2和L4的剪力大于150 kN且小于280 kN),隨著剪力的增大，裂縫寬度增大明顯。在裂縫快速擴(kuò)展階段(L1和L3的剪力大于300 kN，L2和L4的剪力大于280 kN)，隨著剪力進(jìn)一步增大，斜裂縫快速擴(kuò)展。此外，隨著剪跨比的減小，各階段的臨界剪力均增大。在相同的剪力作用下，受火試件L3(L4)比未受火試件L1(L2)的斜裂縫寬度更大，反映了火災(zāi)后，混凝土抗拉強(qiáng)度降低，試件更易開裂。相關(guān)規(guī)程指出，當(dāng)斜裂縫寬度大于1.5 mm時(shí)，梁即可被認(rèn)定為剪切破壞。由圖12可知，斜裂縫為1.5 mm時(shí)，受火試件L3(L4)比未受火試件L1(L2)的剪力更小。

4.6 梁彎曲裂縫分析

各試件的彎矩-彎曲裂縫寬度曲線如圖13所示。由圖13可知，與斜裂縫不一樣，由于各試件的最終破壞模型是剪切破壞，彎曲裂縫的發(fā)展僅有兩個(gè)階段即微裂階段和裂縫發(fā)展階段。隨著彎矩增大，各試件的彎曲裂縫穩(wěn)步發(fā)展，且剪跨比對(duì)彎曲裂縫發(fā)展的影響不明顯。

5 主要結(jié)論

本文進(jìn)行了兩個(gè)未受火和兩個(gè)受火的鋼筋混凝土梁的抗剪性能靜載試驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

1)梁的抗剪承載力：隨著剪跨比的增加，混凝土梁的Vut(出現(xiàn)1.5 mm斜裂縫時(shí)梁的剪力)和極限抗剪承載力Vu均出現(xiàn)降低。未受火梁L2比L1的Vut和Vu分別減小了18%和16%，受火梁L3比L4的Vut和Vu減小了19%和14%。相同的剪跨比，受火梁的Vut和Vu比未受火梁均出現(xiàn)降低。

2)梁的跨中撓度：達(dá)到極限荷載時(shí)，梁的跨中撓度dm隨著剪跨比增加而增大。相同的剪跨比，受火梁的dm比未受火梁均出現(xiàn)增大。

3)梁的斜裂縫：各試件斜裂縫的發(fā)展主要可以分為三個(gè)階段：斜裂縫的微裂階段、斜裂縫的發(fā)展階段和斜裂縫的快速擴(kuò)展階段。隨著剪跨比的減小，各階段的臨界剪力均增大。在相同的剪力作用下，受火試件比未受火試件的斜裂縫寬度更大。