劉勝兵，徐禮華

（1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

鋼筋混凝土深梁以其巨大的承載能力，已廣泛應(yīng)用于肩梁、墻梁、剪力墻連梁、框支梁等構(gòu)件.近年來各國研究者已開始將高性能混凝土（HPC）應(yīng)用于深梁結(jié)構(gòu)，但仍然沒能改變混凝土結(jié)構(gòu)脆性大、易開裂的特點(diǎn)［1］.深梁的斜截面抗裂驗(yàn)算是結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)階段的重要內(nèi)容［2］.已有研究［3－7］表明，鋼／聚丙烯混雜纖維混凝土具有良好的抗拉能力，將其應(yīng)用于深梁結(jié)構(gòu)或許能有效提高其抗裂度.目前國內(nèi)外對于鋼／聚丙烯混雜纖維HPC深梁的研究尚處于起步階段，而有關(guān)混雜纖維HPC深梁抗裂度的研究更是鮮有報(bào)道.本文采用正交設(shè)計(jì)法，通過對18組混雜纖維HPC深梁試件以及2組普通HPC深梁試件進(jìn)行受剪試驗(yàn)，研究混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂性能，提出混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度的計(jì)算公式，以期為《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》增補(bǔ)有關(guān)混雜纖維混凝土深梁的內(nèi)容提供參考.

1 試驗(yàn)概況

采用正交試驗(yàn)法，按照《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38：2004）［8］的有關(guān)要求，選用 L18（21×37）正交表設(shè)計(jì)18組鋼／聚丙烯混雜纖維HPC深梁，同時設(shè)計(jì)了2組不摻纖維的對比深梁.正交設(shè)計(jì)時考慮的影響因素有鋼纖維體積率、長徑比及類型、聚丙烯纖維體積率、水平及豎向分布鋼筋配筋率等.正交試驗(yàn)的因素及水平安排詳見表1.

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

20組深梁剪跨比λ＝a／h0＝1，其中a＝h0＝400mm，跨高比均取1.6，截面均為150mm×500 mm矩形截面，長1040mm.混雜纖維高性能混凝土的材料選用、配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場配置等內(nèi)容參見文獻(xiàn)［9］.采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的基體HPC立方體抗壓強(qiáng)度為52.1N／mm2，劈拉強(qiáng)度為3.35N／mm2，鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)見表2.所有試驗(yàn)深梁均為簡支深梁，加載試驗(yàn)在5000kN的壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用跨中單點(diǎn)集中加載的靜力加載裝置.深梁相關(guān)參數(shù)及受剪試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表2 鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of steel bar

表3 試件參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Parameters of test specimens and test results

2 斜截面抗裂度

2.1 混雜纖維對深梁斜截面抗裂度的影響

由表3可知，摻入體積率1.0%鋼纖維和0.055%聚丙烯纖維的無腹筋深梁BF1－2－1以及體積率為1.5%鋼纖維和0.110%聚丙烯纖維的無腹筋深梁DF2－3－2，與對比深梁C－2相比，剪切初裂強(qiáng)度分別提高了5.6%和34.9%；摻入體積率1.5%鋼纖維和0.110%聚丙烯纖維的有腹筋深梁BF1－3－2以及體積率為1.0%鋼纖維和0.165%聚丙烯纖維的有腹筋深梁BF2－2－3，與對比深梁C－1相比，剪切初裂強(qiáng)度分別提高了56.3%和83.8%.說明摻入鋼／聚丙烯混雜纖維可顯著提高高性能混凝土深梁的斜截面抗裂度.

根據(jù)各因素所做的深梁剪切初裂強(qiáng)度試驗(yàn)成果，采用直觀分析法進(jìn)行分析如表4.由表4可以看出，各因素對深梁斜截面抗裂度的影響順序依次為D（鋼纖維長徑比）＞C（聚丙烯纖維體積率）＞B（鋼纖維外形）＞A（鋼纖維體積率）＞E（水平分布鋼筋配筋率）＞F（豎向分布鋼筋配筋率）.

表4 深梁剪切初裂強(qiáng)度直觀分析計(jì)算表Table 4 Intuitive analysis of diagonal cracking strength

2.2 單一因素對深梁斜截面抗裂度的影響

2.2.1 鋼纖維體積率的影響 在相關(guān)各因素不變的條件下，只改變鋼纖維體積率，可得到圖1.由圖1可以看出，HPC深梁斜截面抗裂度與鋼纖維體積率近似呈線性關(guān)系.當(dāng)鋼纖維體積率從0.5%增加到1.5%時，深梁的斜截面抗裂度提高了15.1%.

圖1 鋼纖維體積率對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of the volume fraction of steel fiber on diagonal cracking strength

2.2.2 鋼纖維類型的影響 在相關(guān)各因素不變的條件下，只改變鋼纖維類型，可得到圖2.從圖2可以看出，波紋形鋼纖維對HPC深梁斜截面抗裂度的影響更明顯，主要是由于波紋形鋼纖維的表面存在較多波紋，在開裂前與混凝土粘結(jié)能力更強(qiáng)，因此抗裂效果更好.

2.2.3 鋼纖維長徑比的影響 為研究鋼纖維長徑比對HPC深梁斜截面抗裂度的影響，在相關(guān)各因素不變的條件下，改變鋼纖維長徑比，可得到直方圖3.由圖3可以看出，鋼纖維長徑比從30增加到50時，深梁斜截面抗裂度提高了21.2%，當(dāng)長徑比從50增大到70時斜截面抗裂度降低了11%.原因是長徑比為50的鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)力更強(qiáng)，不易拔出，有效抑制了微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展.

圖2 鋼纖維類型對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of types of steel fiber on diagonal cracking strength

圖3 鋼纖維長徑比對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of the aspect ratio of steel fiber on diagonal cracking strength

2.2.4 聚丙烯纖維體積率的影響 同理，聚丙烯纖維體積率變化對HPC深梁斜截面抗裂度的影響，如圖4.可見，當(dāng)聚丙烯纖維體積率從0.055%增加到0.110%時，深梁斜截面抗裂度提高了19.5%；當(dāng)聚丙烯纖維體積率從0.110%增加到0.165%時，斜截面抗裂度降低了10.1%.表明聚丙烯纖維體積率為0.110%時對深梁斜截面抗裂度增強(qiáng)效果最好，纖維體積率過大效果反而降低.

圖4 聚丙烯纖維體積率對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of the volume fraction of polypropylene fiber on diagonal cracking strength

2.2.5 水平分布鋼筋配筋率的影響 按同樣的試驗(yàn)方法，可有圖5所示，當(dāng)水平分布鋼筋配筋率從0增加到0.581%時，深梁的斜截面抗裂度降低了4.2%，當(dāng)配筋率從0.581%增大到0.872%時，斜截面抗裂度降低了3.83%，在試驗(yàn)誤差范圍以內(nèi).說明水平分布鋼筋對深梁斜截面抗裂度的影響較小，分析原因主要是混凝土深梁斜裂縫出現(xiàn)前，鋼筋與混凝土作為一個整體共同承擔(dān)拉力，水平鋼筋的抗拉作用得不到充分發(fā)揮，這與普通混凝土深梁的試驗(yàn)結(jié)果是一致的.

圖5 水平分布鋼筋配筋率對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of the ratio of web horizontal reinforcement on diagonal cracking strength

2.2.6 豎向分布鋼筋配筋率的影響 同理，圖6是豎向分布鋼筋配筋率的變化對深梁斜截面抗裂度的影響.由圖6可見，隨著豎向分布鋼筋配筋率的提高，深梁斜截面抗裂度先增大后減?。划?dāng)豎向分布鋼筋配筋率從0增加到0.581%時，斜截面抗裂度提高了4.8%；而當(dāng)豎向分布鋼筋配筋率從0.581%增加到0.872%時，斜截面抗裂度降低了5.1%.豎向分布鋼筋對提高混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度不明顯，原因是在斜裂縫即將出現(xiàn)時，豎向分布鋼筋的應(yīng)力不大，同時豎向分布鋼筋的直徑小且光滑，間距也較大，對斜裂縫上混凝土應(yīng)力重分布的調(diào)節(jié)作用和抑制微裂縫開展的作用很小，難以起到抗裂作用.

圖6 豎向分布鋼筋配筋率對剪切初裂強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of the ratio of web vertical reinforcement on diagonal cracking strength

2.3 混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度計(jì)算公式

由前述分析可知，在影響混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度的因素中，聚丙烯纖維的作用是相當(dāng)明顯的，但同時影響程度并不與聚丙烯纖維體積率呈線性關(guān)系.因此，不單獨(dú)考慮聚丙烯纖維的增強(qiáng)作用，而是將聚丙烯纖維和鋼纖維的作用作為整體共同考慮.試驗(yàn)所考慮的三種體積摻量中，體積率為0.110%的聚丙烯纖維對HPC深梁斜截面抗裂度的增強(qiáng)效果最明顯.同時文獻(xiàn)［10］指出，混雜纖維混凝土中摻入體積率為0.110%的聚丙烯纖維時，對深梁抗彎性能提高幅度最大.因此，建議實(shí)際工程中聚丙烯的體積率可取在0.055%～0.110%之間.為反映聚丙烯纖維對HPC深梁斜截面抗裂度的提高作用，并考慮與我國現(xiàn)行《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38：2004）相銜接，混雜纖維HPC深梁的斜截面開裂剪力計(jì)算方法可考慮在鋼纖維部分增強(qiáng)鋼筋混凝土深梁斜截面開裂剪力的基礎(chǔ)上乘以一提高系數(shù)β.于是，混雜纖維高性能混凝土深梁斜截面開裂剪力可表達(dá)為

式中Vfcr為按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的深梁剪力值，Vcr為按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的普通高性能混凝土深梁剪力值，β為混雜纖維的增強(qiáng)系數(shù)，φf＝hf／h，hf為受拉區(qū)混雜纖維配置高度，h為全截面高度，λf為鋼纖維含量特征值，λf＝ρflf／df，ρf為鋼纖維體積率，lf為鋼纖維長度，df為鋼纖維直徑或等效直徑.

摒棄聚丙烯纖維體積率為0.165%時各深梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，經(jīng)線性擬合，得到β＝1.16，標(biāo)準(zhǔn)差為0.06.

3 結(jié) 語

a.摻入適量的鋼／聚丙烯混雜纖維后，無腹筋深梁斜截面抗裂度提高幅度可達(dá)34.9%，有腹筋深梁斜截面抗裂度提高幅度可達(dá)83.8%.

b.影響混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度的各因素排序?yàn)镈（鋼纖維長徑比）＞C（聚丙烯纖維體積率）＞B（鋼纖維類型）＞A（鋼纖維體積率）＞E（水平分布鋼筋配筋率）＞F（豎向分布鋼筋配筋率）.

c.基于現(xiàn)行規(guī)范提出的與鋼纖維部分增強(qiáng)鋼筋混凝土深梁相銜接的混雜纖維HPC深梁斜截面抗裂度計(jì)算公式形式簡單，可供工程設(shè)計(jì)參考.

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