解偉 王昊坤 李樹山

摘 要：本文依據(jù)3個小剪跨比高強混凝土牛腿構(gòu)件在豎向荷載作用下的受剪破壞試驗結(jié)果，對不同剪跨比條件下牛腿構(gòu)件的破壞過程和破壞形態(tài)進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了剪跨比對牛腿構(gòu)件承載能力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，小剪跨比牛腿的破壞形態(tài)可具體分為斜剪破壞和斜壓破壞兩種，剪跨比增大會導(dǎo)致牛腿的承載能力減小。

關(guān)鍵詞：牛腿;剪跨比;破壞形態(tài);承載力

中圖分類號：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0111-03

Abstract： Based on the shear failure test results of three high-strength concrete corbel members with small shear span ratio under vertical load， the failure process and failure mode of the corbel members with different shear-span ratio were compared and analyzed， and the influence law of shear-span ratio on the bearing capacity of the corbel members was summarized in this paper. The results show that the failure modes of the corbel with small shear-span ratio can be divided into two kinds， namely diagonal shear failure and diagonal compression failure， the increase of shear-span ratio will lead to the decrease of the bearing capacity of the corbel.

Keywords： corbel;shear-span ratio;failure mode;bearing capacity

鋼筋混凝土牛腿作為一種懸臂支撐結(jié)構(gòu)，是橋梁、水工結(jié)構(gòu)中重要的豎向承重構(gòu)件，一旦出現(xiàn)開裂或破壞，將有可能造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故。因長牛腿（剪跨比>1）受力情況近似于懸臂梁，其承載能力可參照懸臂梁計算，而小剪跨比牛腿（剪跨比<1）多為非受彎構(gòu)件，承載能力分析和計算相對復(fù)雜，小剪跨比牛腿破壞形態(tài)的研究對其配筋及尺寸設(shè)計、受剪機理分析以及承載能力預(yù)測的合理性至關(guān)重要。國內(nèi)外的許多專家學(xué)者針對牛腿的破壞形態(tài)和受力性能進(jìn)行了大量的試驗和理論研究[1-8]，但其中大多數(shù)以普通混凝土為研究對象，小剪跨比高強鋼纖維混凝土牛腿的破壞形態(tài)則有待進(jìn)一步研究。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

參照我國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）和《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 38—2004），本試驗共設(shè)計制作3個剪跨比（剪跨段長度）分別為0.2（170 mm）、0.3（260 mm）、0.4（340 mm）的小剪跨比牛腿構(gòu)件，其中配置了4C25、配筋率為0.55%、實測屈服強度為525 MPa的HRB400縱向受拉鋼筋和A14@100、配筋率為0.77%、實測屈服強度為276 MPa的HPB300水平箍筋，構(gòu)件尺寸、鋼筋及其應(yīng)變片布置情況如圖1所示。所有試件混凝土基體設(shè)計強度為C60，骨料采用級配均勻、最大粒徑為20mm的碎石和中粗砂，水泥則采用42.5級普通硅酸鹽水泥，鋼纖維采用長為32 mm、直徑為0.75 mm、長徑比為42.7、抗拉強度≥600 MPa的銑削型鋼纖維，混凝土配合比及實測力學(xué)性能如表1、表2所示。

1.2 試驗方法及內(nèi)容

如圖2所示，試驗采用量程為10 000 kN的四柱液壓試驗機，通過自動調(diào)平支座在牛腿肩部對稱位置同步施加集中力，支座寬度為160 mm，正式加載前先對試件進(jìn)行預(yù)加載。正式加載階段的加載速度為1kN/s，其中，試件開裂前的每級所加荷載為240 kN，開裂后每級所加荷載為400 kN，每級加載完成后持荷2 min，記錄試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。試驗主要測試和記錄在各級荷載作用下牛腿構(gòu)件的跨中撓度，正裂縫和斜裂縫可能出現(xiàn)處的混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變，正截面開裂荷載、斜截面開裂荷載和極限荷載，裂縫出現(xiàn)的位置、發(fā)展變化情況和最大寬度。

2 破壞形態(tài)及過程

2.1 破壞形態(tài)

下面對3個牛腿試件的最終破壞形態(tài)進(jìn)行對比分析。

當(dāng)剪跨比[ah0]=0.2時，牛腿的破壞形態(tài)為斜剪破壞。如圖3（a）所示，在斜裂縫產(chǎn)生之前，其裂縫形態(tài)及裂縫發(fā)展情況與剪切破壞的特征基本吻合，斜裂縫出現(xiàn)后，裂縫延伸至立柱后并未向立柱內(nèi)部大幅延伸，而是傾向于沿豎直方向發(fā)展。

當(dāng)剪跨比[ah0]≥0.3時，牛腿的破壞形態(tài)表現(xiàn)為典型的斜壓破壞。如圖3（b）所示，在彎矩作用下，牛腿肩部與立柱交接處出現(xiàn)第一條正裂縫，并向立柱內(nèi)側(cè)緩慢延伸。隨著荷載不斷增大，第一條斜裂縫在加載墊板內(nèi)側(cè)與牛腿立柱下部交接點的連線方向上出現(xiàn)。隨后，在連線方向上又陸續(xù)出現(xiàn)多條細(xì)微密集的斜裂縫，此時，正截面裂縫不再有明顯發(fā)展。當(dāng)加載值接近極限荷載時，斜裂縫加速匯聚并伴隨表層混凝土脫落，進(jìn)而形成一條貫通的主斜裂縫，試件達(dá)到極限狀態(tài)而破壞。

2.2 破壞過程

小剪跨比牛腿構(gòu)件的破壞過程大致可分為四個階段。第一階段，無裂縫。加載伊始，混凝土未開裂，此階段主要由混凝土承擔(dān)外部荷載。第二階段，正截面開裂，正裂縫逐漸發(fā)展。當(dāng)加載至極限荷載的15%～20%時，在牛腿肩部與立柱交接處會出現(xiàn)第一條正裂縫，隨著荷載的增加，正裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展，部分試件立柱上部中間位置也會出現(xiàn)一條豎向裂縫。第三階段，斜截面開裂。當(dāng)加載至極限荷載的20%～35%時，在主拉應(yīng)力作用下，縱向受拉鋼筋下部區(qū)域出現(xiàn)第一條斜裂縫，大致沿加載板內(nèi)側(cè)與牛腿下部立柱交接點連線方向。第四階段，隨著荷載的不斷增加，混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布不斷進(jìn)行，正裂縫發(fā)展趨緩，斜裂縫不斷出現(xiàn)，沿與主裂縫平行的方向發(fā)展，加載至極限荷載的90%左右時，斜裂縫迅速擴展連通，試件沿斜裂縫破壞。

3 結(jié)果分析

試件的破壞過程表明，相同配筋條件下，牛腿上部縱筋形成的拉桿強度和加載點與牛腿下部連線方向混凝土所形成的斜壓桿強度是影響牛腿承載能力的關(guān)鍵因素。而剪跨比反映的是截面正應(yīng)力（彎矩）與剪應(yīng)力（剪力）的比值，相同荷載條件下，剪跨比越大，正截面彎矩越大，試件破壞后的最大裂縫寬度也隨之增大。同時，隨著剪跨比的增大，荷載所產(chǎn)生的與斜壓桿方向垂直的拉應(yīng)力也逐漸增大，導(dǎo)致斜壓區(qū)混凝土抗壓強度降低，試件更易被破壞。

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，當(dāng)剪跨比由0.2增大至0.3時，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展情況有較大差異，破壞形態(tài)也由斜剪破壞轉(zhuǎn)為斜壓破壞。如表3所示，與試件LC-01相比，隨著剪跨比的增大，試件LC-02、LC-03的極限承載力分別減小了8.2%和25.5%。

4 結(jié)論

小剪跨比牛腿的破壞形態(tài)總體表現(xiàn)為剪切破壞，剪跨比由0.2增大到0.3時，破壞形態(tài)由斜剪破壞轉(zhuǎn)為斜壓破壞。剪跨比是影響牛腿承載能力的重要因素。相同條件下，剪跨比越大，牛腿構(gòu)件的承載能力越小。

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