鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受彎承載力研究

謝 鵬 宇

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

高強(qiáng)混凝土具有耐久性高、強(qiáng)度高、變形小的特點(diǎn)，能適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)向大跨度、強(qiáng)荷載、超高層的發(fā)展。同時(shí)提高構(gòu)件的延性，增加構(gòu)件的抗彎能力和剛度，還可以降低結(jié)構(gòu)的自重。然而高強(qiáng)混凝土的韌性較差,并且當(dāng)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)，其抗拉、抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值卻會(huì)隨之降低，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生不利影響[1,2]。

鋼纖維混凝土是指在混凝土中摻入短鋼纖維重新組合而成的一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料，具有抗裂性好、抗沖擊性強(qiáng)、抗疲勞性優(yōu)異的特點(diǎn)，能夠有效抑制裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中，改善了結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)提高了混凝土結(jié)構(gòu)的延性和強(qiáng)度，多方面優(yōu)化了混凝土的結(jié)構(gòu)性能，因而在工程中具有很大的優(yōu)勢(shì)[3-5]。

隨著建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展，高層、大跨度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和安全要求不斷提高，研究新型高性能建筑材料已經(jīng)成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域的重要課題。鋼纖維高強(qiáng)混凝土具有鋼纖維混凝土和高強(qiáng)混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足建筑領(lǐng)域中高性能材料的要求，具有大范圍應(yīng)用的潛力。但是鋼纖維高強(qiáng)混凝土的研究在國(guó)內(nèi)處于起步階段,在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用較少，只有幾家科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，因此研究鋼纖維高強(qiáng)混凝土材料具有重要意義和價(jià)值[6-8]。

本文根據(jù)林濤的研究數(shù)據(jù)[9]，選擇鋼筋作為配筋材料，根據(jù)鋼纖維高強(qiáng)混凝土的特殊性，通過(guò)相關(guān)影響鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁抗彎性能參數(shù)的研究和分析，提出鋼纖維高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度計(jì)算和鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受彎承載力計(jì)算公式，對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土的發(fā)展及應(yīng)用提供一定借鑒參考意義。

1 試驗(yàn)基本情況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及相關(guān)參數(shù)

本次試驗(yàn)共有25根梁，試驗(yàn)采用鋼纖維具體型號(hào)尺寸如表1所示，試件編號(hào)及配筋情況如表2所示，試驗(yàn)加載裝置圖及梁截面尺寸如圖1所示，其中梁截面高度h=300 mm，寬度b=150 mm，保護(hù)層厚度為25 mm。

表1 鋼纖維特征參數(shù)表

表2 梁試件編號(hào)及配筋情況

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu、抗拉強(qiáng)度f(wàn)t試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土試塊試驗(yàn)結(jié)果

不同直徑鋼筋的屈服強(qiáng)度f(wàn)s和極限強(qiáng)度f(wàn)u試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼筋強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 抗彎承載力計(jì)算

2.1 開(kāi)裂承載力計(jì)算

當(dāng)混凝土梁開(kāi)始工作直至發(fā)生開(kāi)裂破壞之前時(shí)，假設(shè)鋼筋不參與受力，當(dāng)混凝土梁中拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度f(wàn)t時(shí)，此時(shí)壓應(yīng)力為fp，受壓區(qū)高度為x，受拉區(qū)高度為h-x，受力如圖2所示。

(1)

由式(1)解得受壓區(qū)高度x=0.414h，此時(shí)壓應(yīng)力fp=2.119ft，截面開(kāi)裂彎矩為：

Mc=0.283ftbh2

(2)

2.2 極限承載力計(jì)算

根據(jù)本次試驗(yàn)中梁的破壞狀態(tài)，做出以下假定[11]：

1)滿足平截面假定，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可知試件從開(kāi)始加載一直到破壞的過(guò)程中，截面近似保持為平面，符合平截面假定；

2)計(jì)算極限承載力時(shí)應(yīng)計(jì)入鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度；

3)假定鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，在受力時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生相對(duì)滑移；

4)鋼纖維高強(qiáng)混凝土受壓時(shí)假定為線彈性體。

對(duì)鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受壓區(qū)應(yīng)力進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化替代[12]，將受壓區(qū)實(shí)際的曲線應(yīng)力轉(zhuǎn)換為矩形應(yīng)力，則鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁矩形截面受彎計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

根據(jù)力平衡條件可得：

fcubx=fuAs+ftbxt

(3)

其中，x為混凝土等效受壓區(qū)高度；xt為混凝土等效受拉區(qū)高度，取xt=h-1.25x；As為縱向受拉鋼筋橫截面面積。

試件梁的保護(hù)層厚度為25 cm，則混凝土梁的彎矩Mu大小為：

(4)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

表5 開(kāi)裂彎矩計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

3.2 數(shù)據(jù)分析

表6 極限彎矩計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

對(duì)于式(2)取系數(shù)λ1，λ1=0.64，此時(shí)得到修正后開(kāi)裂彎矩Mcx公式：

Mcx=0.283λ1ftbh2=0.18ftbh2

(5)

對(duì)于式(4)取系數(shù)λ2，λ2=1.19，此時(shí)得到修正后極限彎矩Mux公式：

(6)

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁進(jìn)行研究，以不同型號(hào)鋼纖維含量、縱向受拉鋼筋配筋率、混凝土強(qiáng)度等作為變量，提出了適合鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的受彎承載力計(jì)算公式。

2)優(yōu)化后鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁開(kāi)裂彎矩和極限彎矩的試驗(yàn)值理論值之比的平均值均為1.00，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.13和0.05，吻合較好。因此文中修正后的計(jì)算方法可以用于鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁受彎承載力的計(jì)算。