HRB500高強(qiáng)鋼筋鋼纖維混凝土梁受剪試驗(yàn)和承載力計(jì)算*

卞 祝， 葛清蘊(yùn)

(皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

HRB500級(jí)高性能鋼筋及高強(qiáng)混凝土可較好協(xié)同工作，高強(qiáng)混凝土摻入適量鋼纖維可改善其明顯脆性[1-2]，使得HRB500級(jí)鋼筋和高強(qiáng)度等級(jí)混凝土充分發(fā)揮其高性能。梁受剪破壞呈脆性、預(yù)兆性差，采用鋼纖維高強(qiáng)混凝土及HRB500級(jí)高性能鋼筋是一種優(yōu)化配置。梁斜截面受剪機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，有關(guān)研究方法及承載力計(jì)算公式較難一致，相對(duì)于普通梁，鋼纖維高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土簡支梁在兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載下受剪破壞特征及承載力計(jì)算公式值得研究。結(jié)合試驗(yàn)，分析主要影響因素對(duì)梁受剪承載力的影響，統(tǒng)計(jì)鋼纖維高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土梁受剪承載力實(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式并驗(yàn)證，為相關(guān)研究發(fā)展和應(yīng)用提供一些有效依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試件配筋和加載圖見圖1，試驗(yàn)梁詳細(xì)參數(shù)如表1所示。選用長徑比為48.5的端部帶鉤剪切異型鋼纖維。

圖1 試件配筋及加載圖

*：λ為剪跨比，ρf為鋼纖維體積率，h0為截面有效高度，ρ為縱筋率，ρsv為配箍率

據(jù)試驗(yàn)可知，梁SBF4～SBF5發(fā)生剪壓破壞，梁SBF1～SBF3剪跨區(qū)箍筋被剪斷梁告破壞。試驗(yàn)梁受剪承載力實(shí)測值Vfcu,m見表2。

表2 梁受剪承載力實(shí)測值

2 受剪承載力試驗(yàn)影響因素

2.1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

鋼纖維混凝土強(qiáng)度是影響鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪承載力的重要參數(shù)。由表2知，ρf為0.8%、1.5%和2%時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80的梁受剪承載力相對(duì)于C50梁分別增長31.9%、20.1%、11.6%，可見ρf為定值時(shí)，鋼纖維混凝土強(qiáng)度越高，梁受剪時(shí)剪跨區(qū)混凝土抗壓、抗剪及抗拉能力越大，鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪承載力越高。

2.2 鋼纖維摻量

圖2為混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C50和C80混凝土梁隨鋼纖維摻量改變受剪承載力的變化趨勢。由圖2可知，對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80的梁，鋼纖維摻量為0.8%、1.5%、2%時(shí)梁受剪承載力值相對(duì)于無鋼纖維梁分別提高18.7%、14.5%、15.9%，對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50的梁，鋼纖維摻量為0.8%、1.5%、2%時(shí)梁受剪承載力值相對(duì)于無纖維對(duì)比梁分別提高18.2%、25.4%、41.2%?？梢姡裦≤2%時(shí)，鋼纖維的摻入顯著提高鋼筋混凝土梁受剪承載力，梁受剪承載力隨著鋼纖維摻量的提高而提高。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)受剪承載力的影響

鋼纖維的摻入提高鋼筋混凝土梁抗剪能力，主要體現(xiàn)在鋼纖維提高基體混凝土的強(qiáng)度、抗拉力和變形能力，增強(qiáng)混凝土延性和韌性，混凝土與縱筋、箍筋間的黏結(jié)因鋼纖維摻入而加強(qiáng)，梁整體抗剪素質(zhì)提高。

2.3 箍 筋

由文獻(xiàn)[3]中圖3剪力-箍筋應(yīng)變關(guān)系可知，梁斜截面開裂后箍筋應(yīng)變值突變滯后，突變后隨即持續(xù)增長，逐漸參與抗剪，箍筋發(fā)揮作用。梁破壞時(shí)剪跨區(qū)箍筋平均應(yīng)變達(dá)1 367～1 779 με(C50)及2 194～2 473 με(C80)，如圖3所示，C80系列梁破壞時(shí)，受剪箍筋在裂縫處沿平行于裂縫發(fā)展方向被剪斷，說明梁達(dá)到極限荷載時(shí)箍筋達(dá)到極限應(yīng)變，完全發(fā)揮抗剪性能，可見，混凝土強(qiáng)度等級(jí)更高時(shí)，箍筋抗剪能力發(fā)揮更充分。

(a) C50 (b) C80

圖3主斜裂縫處箍筋形態(tài)

Fig.3Stateofstirrupsatthemaindiagonalcrack

3 鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪承載力計(jì)算模型

3.1 受剪承載力計(jì)算方法

鋼纖維鋼筋混凝土梁發(fā)生剪切破壞是指梁在彎剪復(fù)合作用下，沿剪跨區(qū)臨界斜裂縫發(fā)生的破壞形式。

圖4中Vfcu鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁受剪承載力，Va為骨料咬合力的豎向分量，Va為骨料咬合力的豎向分量，Vd為縱筋銷栓作用產(chǎn)生剪力的豎向分量，Vfv為垂直于斜裂縫鋼纖維抗拔力的豎直分量，Vfc為受壓區(qū)鋼纖維混凝土承擔(dān)的豎向剪力，Vsv為箍筋所承擔(dān)的剪力。

圖4 鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁抗剪模型

圖4為鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁抗剪受力模型，在臨界斜裂縫處建立斜截面各抗剪因素豎向力的平衡方程如下：

Vfcu=Vfc+Va+Vd+Vfv+Vsv

(1)

鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁抗剪受力復(fù)雜，各抗剪分量相互影響，共同參與抗剪。鋼纖維改善混凝土的均勻性和密實(shí)度，提高混凝土的抗剪能力，鋼纖維混凝土與鋼筋的黏結(jié)增強(qiáng)，改善縱筋銷栓作用及箍筋對(duì)混凝土的有效約束，使得Vfc、Va、Vd、Vfv有不同程度提高，單獨(dú)確定各分量Vfc、Va、Vd、Vfv較困難，為簡化計(jì)算，采用Vcf綜合考慮Vfc、Va、Vd、Vfv，即：

Vcf=Vfc+Va+Vd+Vfv

(2)

Vfcu=Vcf+Vsv

(3)

3.1.1 無腹筋梁受剪承載力分析

集中荷載作用下鋼纖維鋼筋混凝土無腹筋梁受剪承載力值大小主要與剪跨比、縱筋率、梁截面尺寸及鋼纖維混凝土強(qiáng)度有關(guān)。剪跨比λ直接影響梁抗剪強(qiáng)度，梁受集中荷載時(shí)，λ為梁破壞截面彎矩剪力之比。受拉縱筋限制交縱筋的斜裂縫發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，阻礙裂縫沿縱筋表面發(fā)生撕裂破壞。

試驗(yàn)表明：鋼纖維增強(qiáng)縱筋銷栓作用，提高縱向鋼筋撕裂面混凝土抗拉強(qiáng)度，梁受剪承載力隨縱筋率提高增長幅度可觀[4]。取有關(guān)于剪跨比λ和縱筋率ρ的梁受剪承載力回歸系數(shù)k2(λ,ρ)，以鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度表達(dá)鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪承載力，得：

Vfcu=Vcf=k2(λ,ρ)fftbh0

(4)

收集國內(nèi)外采用高強(qiáng)混凝土并摻有鋼纖維的無腹筋梁受剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)分析，得受剪承載力回歸系數(shù)如下：

(5)

將式(5)代入式(4)，得高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土無腹筋梁斜截面受剪承載力統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式：

(6)

表3 高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土無腹筋梁實(shí)測值與計(jì)算值的對(duì)比

3.1.2 高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁

(7)

式(7)中，lw為臨界斜裂縫水平投影長度，即Zcotα，受剪承載力主要考慮lw長度范圍內(nèi)箍筋的貢獻(xiàn)，試驗(yàn)測得lw值在353～439 mm，即λh0的系數(shù)在0.68～0.88之間，取lw=0.75λh0。

梁破壞時(shí)，不同箍筋、同肢箍不同位置處的箍筋應(yīng)力不均勻，引入有關(guān)鋼纖維特征參數(shù)的影響系數(shù)k3(λf)，并綜合考慮剪跨區(qū)箍筋應(yīng)力的不均勻性，得到受剪鋼纖維鋼筋混凝土梁即將破壞時(shí)箍筋承擔(dān)的剪力：

(8)

收集國內(nèi)外有關(guān)高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁受剪承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合式(6)統(tǒng)計(jì)分析得到k3(λf)：

k3(λf)=3.78-0.8λf

(9)

將式(6)、式(8)、式(9)代入式(3)，得到高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁抗剪承載力計(jì)算公式：

(10)

式(10)中，λ<1時(shí)，取λ=1；λ>3時(shí)，取λ=3。采用式(10)計(jì)算文獻(xiàn)[5、21-27]中有關(guān)梁受剪承載力計(jì)算值Vfcu,c，并與實(shí)測值Vfcu,m對(duì)比分析，結(jié)果見表4。

表4 鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁實(shí)測值與計(jì)算值的對(duì)比

見表4所列，Vfcu,m/Vfcu,c的平均值為μ=1.131，變異系數(shù)為δ=0.120，Vfcu,c與Vfcu,m吻合較好，離散型較小，可見式(10)能夠很好預(yù)測鋼纖維箍筋梁受剪承載力值。

3.2 實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比

采用式(10)計(jì)算鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土有腹筋梁受剪承載力值，并與實(shí)測值對(duì)比分析，結(jié)果見表5所示。

從表5可以看出，Vfcu,m/Vfcu,c的均值為μ=1.152，變異系數(shù)為δ=0.058，受剪承載力實(shí)測值與計(jì)算值吻合良好?？梢姡?10)能夠很好地預(yù)測高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土有腹筋梁在集中荷載作用下受剪承載力值。

表5 梁受剪承載力實(shí)測值與計(jì)算值的對(duì)比

4 結(jié) 語

隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪承載力提高，箍筋抗剪能力發(fā)揮更充分。ρf≤2%時(shí)，隨ρf增加，鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受剪承載力提高。提出高強(qiáng)鋼纖維鋼筋混凝土梁受剪承載力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

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