金凌志,李月霞,李 麗1,,張 猛

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室;2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

HRB500級鋼筋RPC簡支梁受剪抗裂強度試驗研究

金凌志1，2,李月霞2,李 麗1,2,張 猛2

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室;2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

為研究高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁的受剪抗裂性能,以縱筋率、配箍率、鋼筋等級和剪跨比等為參數(shù),對6根不同高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁進行受剪抗裂性能試驗研究,分析縱筋率、配箍率、鋼筋等級、剪跨比、混凝土抗拉強度等參數(shù)對高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁斜截面抗裂強度的影響規(guī)律。在試驗數(shù)據(jù)和前人研究的基礎(chǔ)上,提出了高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁的斜截面抗裂計算模型和抗裂強度計算公式。

HRB500級鋼筋;活性粉末混凝土;簡支梁;斜截面;抗裂強度

普通混凝土的抗拉強度極低,小于C80混凝土,其抗拉強度不超過3.11 N/mm[1]。因此,普通混凝土在較小的拉應(yīng)力作用下容易開裂,從而給人產(chǎn)生一種不安全感?；钚苑勰┗炷?簡稱RPC)具有高強度、高韌性和高耐久性,其中摻加的鋼纖維增加了RPC的強度和韌性[2],因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在高強度的活性粉末混凝土中配置高強鋼筋,兩者相互結(jié)合共同工作[3],能充分發(fā)揮自身的材料性能,明顯提高承載力并具有良好的抗裂性能,可應(yīng)用于大跨度橋梁、高層建筑和特種結(jié)構(gòu)等,從而取得良好的社會經(jīng)濟效益。

有關(guān)混凝土構(gòu)件的抗裂研究,美國Narayanan[4]對集中荷載作用下矩形鋼纖維鋼筋混凝土簡支梁展開抗裂性能試驗研究,剖析了鋼筋鋼纖維混凝土梁斜截面抗裂性能和計算方法,獲得了鋼筋鋼纖維混凝土梁斜截面開裂剪力的計算公式。澳大利亞EI-Niema[5]對43根鋼筋凝土矩形梁和T形梁進行了抗剪強度試驗研究,表明斜截面的剪切開裂荷載是由最大抗拉強度決定的,而最大抗拉強度主要由水平應(yīng)力和垂直切應(yīng)力組成,同時也研究了混凝土、縱筋、箍筋、截面形式對抗拉強度的貢獻。國內(nèi)趙順波等人[6]通過對鋼筋鋼纖維混凝土梁斜截面的抗裂試驗研究,對截面高度、縱向受拉鋼筋、箍筋、剪跨比、鋼纖維含量特征值等參數(shù)進行了分析,提出了斜截面抗裂度的計算模型和公式。天津大學(xué)戎賢[7]對24根高強度鋼筋混凝土梁進行了抗裂度試驗研究,分析了加載方式、混凝土強度、鋼筋強度對鋼筋混凝土梁的開裂、裂縫寬度等的影響,表明鋼筋強度應(yīng)與混凝土強度相匹配,提高抗裂度才明顯;在荷載較大的情況下,提高箍筋配筋率可以起到相同的效果。

為研究高強鋼筋活性粉末混凝土的抗裂度,筆者通過對集中荷載作用下的HRB500級高強鋼筋RPC簡支梁的抗剪試驗,分析這種新型混凝土材料結(jié)構(gòu)的抗裂受力機理及影響因素,基于試驗和前人的研究成果,提出高強鋼筋活性粉末混凝土的抗裂模型和計算公式,為高強鋼筋活性粉末混凝土在土木工程領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

基于試驗的可行性,考慮了縱筋率、配箍率、鋼筋等級和剪跨比等的影響,制備了6根高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁。為測得混凝土劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度,與試驗梁澆筑同時澆筑6個100 mm×100 mm×100 mm立方體和6個100 mm×100 mm×150 mm棱柱體。其配比見表1。

試驗梁截面尺寸及主要參數(shù)縱筋配筋率、鋼筋等級、配箍率和剪跨比等詳表2。

表1 RPC質(zhì)量配比

表2 試驗梁基本參數(shù)

1.2 加載方案

試驗采用簡支支座,加載方式采用兩點對稱集中加載。加載設(shè)備采用液壓加載系統(tǒng),量程100 t,主要由儲油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和閥門通過高壓油管連接而成。如圖1,圖2所示。

1—反力架;2—傳感器;3—千斤頂;4—分配梁;5—縱向鋼筋應(yīng)變片;6—箍筋應(yīng)變片;7—剪跨區(qū)混凝土應(yīng)變片;8—純彎區(qū)混凝土應(yīng)變片;9—混凝土應(yīng)變花,10—百分表

圖2 試驗加載圖

1.3 測試內(nèi)容

混凝土的應(yīng)變值由通過剪壓區(qū)內(nèi)支座與加載點連線上,均勻粘貼的應(yīng)變片,以及梁底面、側(cè)面均勻粘貼的應(yīng)變片,通過應(yīng)變測試儀DH3818讀取。箍筋應(yīng)變主要由支座與加載點的連線與箍筋相交處的應(yīng)變片,通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測得?？v筋應(yīng)變主要由剪跨區(qū)受力縱筋均勻粘貼的應(yīng)變片,通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測得。斜裂縫通過JC-10微調(diào)旋鈕20倍讀數(shù)顯微鏡觀察得到。

2 試驗現(xiàn)象分析

斜裂縫通常分為彎剪型斜裂縫和腹剪型斜裂縫,彎剪型裂縫由梁底部彎曲拉應(yīng)力引起的豎向裂縫發(fā)展而來,腹剪型裂縫主要由梁高中部處的剪應(yīng)力而產(chǎn)生。

1)梁LJ001。集中荷載為135 kN時,梁跨中受力縱筋位置處首先出現(xiàn)肉眼不可見的受彎垂直微裂縫,裂縫寬度小于0.01 mm;集中荷載達到175 kN時,剪跨區(qū)的垂直微裂縫發(fā)展為彎剪斜裂縫,與此同時,跨中受力縱筋位置處的垂直微裂縫不斷增多且不斷變寬,最大寬度可達到0.02 mm。但是剪跨區(qū)斜裂縫條數(shù)不多,垂直裂縫較少,長度較長,發(fā)展緩慢,如圖3-a所示。

2)梁LJ002。集中荷載為160 kN時,加載點下方出現(xiàn)細(xì)微裂縫,集中力達到170 kN時,剪跨區(qū)截面中和軸偏下的一個小區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)一條寬度為0.01 mm的斜裂縫。隨著荷載的加大,剪跨區(qū)形成一條清晰的主斜裂縫,跨中垂直裂縫較少,詳見圖3-b。

3)梁LJ003。集中荷載為170 kN時,跨中出現(xiàn)垂直微裂縫,荷載增加到180 kN,剪跨區(qū)中和軸偏下位置出現(xiàn)一條主要斜裂縫。隨荷載的增加,斜裂縫較多,跨中垂直裂縫較少,長度較短,裂縫發(fā)展較為緩慢,詳見圖3-c。

4)梁LJ004。集中荷載為180 kN時,梁跨中受力縱筋位置處出現(xiàn)垂直微裂縫,同時在剪跨區(qū)中和軸偏下位置出現(xiàn)一條主要斜裂縫,寬度0.01 mm,隨荷載的增加,斜裂縫細(xì)而多,加載點附近的混凝土被壓碎,垂直裂縫較少,長度較長,詳見圖3-d。

5)梁LJ005。集中荷載為140 kN時,跨中純彎段首先出現(xiàn)垂直微裂縫,裂縫極小;當(dāng)加載達到185 kN時,剪跨區(qū)的垂直裂縫發(fā)展成為彎剪斜裂縫,跨中純彎段裂縫條數(shù)增加不多,裂縫發(fā)展情況與LJ001相差不多大,詳見圖3-e。

6)梁LJ006。集中荷載為140 kN時,跨中梁底部出現(xiàn)垂直微裂縫,隨荷載的緩慢增加,支座底部附近出現(xiàn)平行的垂直裂縫,裂縫寬度較大,約為0.02 mm,當(dāng)荷載增加到180 kN時,剪跨區(qū)內(nèi)出現(xiàn)幾條平行的斜裂縫,荷載繼續(xù)增大,這些斜裂縫發(fā)展成為主斜裂縫,詳見圖3-f。

圖3 試件LJ001-LJ006裂縫形式

3 斜截面抗裂度影響因素分析

斜裂縫主要由混凝土的劈拉應(yīng)力所造成。與普通鋼筋混凝土相似,高強鋼筋活性粉末混凝土梁最危險截面的最大劈拉應(yīng)力由混凝土拉應(yīng)力、縱筋拉應(yīng)力、箍筋拉應(yīng)力、鋼纖維拉應(yīng)力貢獻。筆者從剪跨比、箍筋率、縱筋率和鋼筋等級等參數(shù),分析RPC受剪梁抗裂強度的影響因素,試驗梁受剪裂縫開裂時的實測數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗梁受剪裂縫開裂時實測數(shù)據(jù)一覽

3.1 剪跨比

由表3可看出,LJ002與LJ006相比,隨著剪跨比的增大,彎曲微裂縫和斜裂縫出現(xiàn)時的剪力都降低。同時由圖3-b和圖3-f可看出,LJ006由于剪跨比較小,在梁腹部出現(xiàn)腹剪型斜裂縫,隨著荷載增大,腹剪型裂縫向梁底蔓延,形成彎剪型裂縫,繼而向支座發(fā)展,形成可見的斜裂縫。而剪跨比較大的LJ002,裂縫首先在梁底形成一段垂直于梁底的彎曲裂縫,即彎剪型斜裂縫,隨著荷載增加,彎剪型斜裂縫向支座延伸,形成一條主斜裂縫。

從受力角度分析,梁在集中荷載作用下同時產(chǎn)生壓應(yīng)力場和拉應(yīng)力場,截面上部壓應(yīng)力場表現(xiàn)明顯,下部拉應(yīng)力場顯著[10]。加載點附近,壓應(yīng)力場強度大,不僅能有效抑制斜裂縫的開展,還可以提高梁截面的抗剪強度。因此當(dāng)RPC梁的剪跨區(qū)長度較小時,壓應(yīng)力場強度表現(xiàn)顯著,梁上部斜裂縫出現(xiàn)較晚,破壞時寬度比較小。而對于剪跨比較大的LJ006,壓應(yīng)力場效應(yīng)削弱,抗裂強度減小,梁上部裂縫出現(xiàn)較早,而且裂縫較寬。

3.2 箍筋

LJ002，LJ003，LJ004,ρsv從0%增加到0.745%,彎曲及剪切微裂縫出現(xiàn)時所對應(yīng)的剪力隨配箍率的增大而增大,ρsv從0%增加到0.447%,開裂剪力有所提高,ρsv從0.447%增長到0.745%,開裂剪力提高不多。由此可以認(rèn)為箍筋對梁斜截面抗裂度的影響很小[11-12],這是因為箍筋只對核心區(qū)混凝土有約束作用,對混凝土表面的約束作用則并不明顯,在微裂縫開展之前,箍筋應(yīng)力幾乎為零,對裂縫的開展沒有發(fā)揮抑制作用。

3.3 縱筋

LJ001與LJ002相比,隨著縱筋率的提高,彎曲微裂縫開裂剪力提高,而斜裂縫開裂剪力變化不大。對比圖3-a和圖3-b,就裂縫形態(tài)看,縱筋率大的LJ002垂直微裂縫多而密,而縱筋率較小的LJ001垂直微裂縫較少且裂縫間距較大?？v筋伸入支座具有錨固作用,限制了支座斜裂縫的開展。梁底部的垂直微裂縫出現(xiàn)后,縱筋受拉發(fā)揮銷栓作用,抑制了梁底部垂直微裂縫的蔓延,所以縱筋率較高的梁LJ002底部垂直裂縫多而密,且長度較短。但在剪跨區(qū)內(nèi),兩者的斜裂縫情況基本相同。縱筋率的提高對彎曲型微裂縫的抑制作用大于對斜裂縫的約束作用。

3.4 縱筋鋼筋等級

隨著鋼筋等級的提高,彎曲微裂縫所對應(yīng)開裂剪力提高比較多,而斜裂縫開裂剪力基本不變。從圖3-e和3-f裂縫表象看,鋼筋等級越高,裂縫條數(shù)越多,裂縫長度變化不大。說明鋼筋等級越高,初始裂縫開展越晚,與混凝土的粘結(jié)性能越好,高強鋼筋與高性能混凝土具有比較好的協(xié)同工作能力。

4 斜截面抗裂強度模型和抗裂強度公式的推導(dǎo)

4.1 抗裂強度模型

經(jīng)典的斷裂力學(xué)理論主要應(yīng)用于金屬材料斷裂領(lǐng)域,重點研究金屬材料微裂縫尖端附近微小的塑性區(qū)應(yīng)力場、應(yīng)變場和能量釋放率等,以觀察微裂縫的形成和開展情況。Neville[13]最先將斷裂力學(xué)理論應(yīng)用于混凝土,繼而Kaplan[14]第一次將斷裂力學(xué)的概念引用到混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,以研究混凝土的斷裂和韌度。借鑒這種理論,荷載較小時裂縫尚未出現(xiàn),可將高強鋼筋RPC簡支梁看做均質(zhì)彈性體分析,裂縫開展前,試驗梁處于線彈性狀態(tài)。這樣就可用材料力學(xué)知識求解開裂截面的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。梁截面的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的分布如圖4所示。

注:實線為主壓應(yīng)力,虛線為主拉應(yīng)力

由材料力學(xué)可知,任一截面的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ可按下列公式計算:

(1)

式中:I0為換算截面的慣性矩;y為所求應(yīng)力點到中和軸的距離;S0為所求應(yīng)力點的一側(cè)對換算截面形心軸的面積距;b為梁的寬度。

主應(yīng)力可由正應(yīng)力、剪應(yīng)力求得:

(2)

當(dāng)危險點截面的彎曲拉應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ共同作用所構(gòu)成的主拉應(yīng)力σtp超過混凝土的抗拉強度pt時,梁底受力縱筋附近處出現(xiàn)的第一條微裂縫與主拉應(yīng)力相垂直。試驗梁可能出現(xiàn)的裂縫如圖5所示。

圖5 可能出現(xiàn)的裂縫

4.2 抗裂強度計算公式的推導(dǎo)

在剪跨區(qū)內(nèi)受力縱筋附近選取微裂縫最初的一點A,假設(shè)微裂縫離支座的距離為x=ma,y=nh,則斜裂縫出現(xiàn)點A單元的應(yīng)力情況:

(3)

(4)

式中:

將A點的正應(yīng)力和剪應(yīng)力代入到公式(2)得到A點的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力:

(5)

冪級數(shù)展開公式:

(6)

當(dāng)

則：

(7)

對公式(7)中含有λ2和λ4在λ∈[1,3]內(nèi)求平均值,則:

(8)

因此,

(9)

則RPC開始出現(xiàn)裂縫時,當(dāng)σtp=prt時,開裂荷載為:

(10)

式中:prt=vtpt,prt為塑性抗拉強度;vt為混凝土抗拉有效系數(shù);pt為混凝土單軸抗拉強度

C1,C2由試驗初裂的位置確定,可采用求平均值的方法求得,計算結(jié)果見表4。在鋼纖維混凝土中混凝土抗拉有效系數(shù)[15-16](vt)可以取0.8。

表4 試驗實測C1，C2值

(11)

由表4的數(shù)據(jù),代到公式(10),可以得到高強鋼筋活性粉末混凝土簡支梁的開裂公式:

當(dāng)λ>3時,取λ=3；當(dāng)λ<1時,λ=1.

5 結(jié)論

1)與普通混凝土梁相似,混凝土的開裂是危險點截面在彎曲拉應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ共同作用所構(gòu)成的主拉應(yīng)力σtp超過混凝土的抗拉強度pt決定的,高強鋼筋RPC簡支梁斜裂縫一般由梁底縱筋合力點附近首次出現(xiàn)的彎曲微裂縫發(fā)展而來。

2)剪跨比、配箍率、縱筋率、受力縱筋等級等因素對高強鋼筋RPC簡支梁的受剪抗裂度都有一定的影響。隨剪跨比的加大,加載點附近壓應(yīng)力流大,抗裂強度高,裂縫開展緩慢;而增大配箍率,斜截面抗裂度提高不明顯;縱筋能有效拉結(jié)混凝土,與混凝土粘成一個整體,所以隨著鋼筋等級的提升,斜截面抗裂度隨之增大。高強鋼筋與高性能混凝土具有良好的協(xié)同工作能力,延緩裂縫的出現(xiàn),提高構(gòu)件的正常使用功能。

3)依據(jù)斷裂學(xué)理論及材料力學(xué)知識,受剪混凝土梁同時存在壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,當(dāng)危險點截面彎曲拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用所構(gòu)成的主拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時,梁底受力縱筋附近將率先產(chǎn)生與主拉應(yīng)力相垂直的微裂縫。

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(編輯：賈麗紅)

Research on the Shear Crack Strength of Reactive Power Concrete Simply Supported Beams with HRB500 Grade Steel

JIN Lingzhi1，2,LI Yuexia2,LI Li1,2，ZHANG Meng2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004，China)

In order to study the shear crack resistance performance of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement,with the longitudinal reinforcement ratio,stirrup ratio,shear span ratio,steel grade and so on as the parameters,the research on shear crack resistance performance was carried out by 6 different simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement.The influence law of inclined section crack resistance strength was studied by the longitudinal reinforcement ratio,stirrup ratio,steel grade,shear span ratio,tensile strength of concrete,steel fiber volume content and other factors of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement.On the basis of experimental data and previous research,the inclined section crack calculation model and the shearing strength calculation formula of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement are put forward.

grade HRB500 reinforcement;reactive powder concrete;simply supported beam;diagonal section;shear cracking strength

2014-08-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51368013);廣西重點實驗基金項目(11-cx-04)

金凌志(1959-),女,湖南雙峰人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事新型混凝土材料結(jié)構(gòu)研究,(Tel)18176391635

李麗(1980-),女,黑龍江齊齊哈爾人,碩士,講師,主要從事預(yù)應(yīng)力及活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)研究，(Tel)18176391635

1007-9432(2015)01-0075-06

TU375.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.015