鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

代洪偉 趙燕茹

1. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070 2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051

在工程結(jié)構(gòu)中，混凝土構(gòu)件受扭現(xiàn)象普遍存在，例如懸挑結(jié)構(gòu)雨篷梁等，受扭構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)相對比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時配筋與普通鋼筋混凝土構(gòu)件位置相反，受扭位置混凝土上部鋼筋排布相對密集，一定程度上影響了混凝土的澆筑，同時混凝土由于施工澆筑等原因，使其內(nèi)部具有一定的微裂縫，從而在外力作用下，降低了混凝土的力學(xué)性能。鋼纖維對混凝土基體的增強作用，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了深入的研究，趙國藩等[1]系統(tǒng)研究了混凝土機體中合理的鋼纖維摻入量，研究表明：混凝土中鋼纖維摻入0.5%-2%為宜，摻入量低于0.5%，強度增加不明顯，高于2%混凝土內(nèi)部會出現(xiàn)蜂窩、孔洞等；高丹盈等[2,3]研究了鋼纖維混凝土基本理論以及鋼纖維混凝土設(shè)計與應(yīng)用；代洪偉等等人研究了鋼纖維混凝土配合比設(shè)計及抗壓性能[4]；趙燕茹等對鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件進行了強度試驗與有限元模擬分析[5,6]。本文主要研究鋼纖維的摻入對混凝土抗壓強度與抗扭強度以及破壞形態(tài)的影響。

1 鋼纖維混凝土試驗設(shè)計

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（42.5）；中砂，細度模數(shù)2.79，含泥量1.79%；粗骨料碎石粒徑5mm-20mm,含泥量＜1%；鋼纖維主要性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼纖維性能指標(biāo)

1.2 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計應(yīng)該考慮混凝土耐久性、和易性；同時鋼纖維摻入量一定要經(jīng)濟合理，降低鋼纖維混凝土成本。

本試驗混凝土強度確定為C30，采用絕對體積法用鋼纖維等體積替代部分骨料[8]，最終本試驗的配合比見下表2。

表2 鋼纖維混凝土配合比

1.3 抗壓強度試驗設(shè)計

抗壓強度試驗采用立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，C30混凝土，試件共5組，各組試塊按0%，0.5%，1%，1.5%，2%等體積鋼纖維替代粗骨料，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天后，按規(guī)范要求進行抗壓強度試驗。

1.4 鋼纖維鋼筋混凝土抗扭試驗

1.4.1 構(gòu)件設(shè)計

本次試驗共澆筑14根鋼纖維鋼筋混凝土矩形構(gòu)件，各構(gòu)件的支座約束方式、構(gòu)件長度、截面尺寸、配筋率、構(gòu)件材料機體強度及其加載方式完全相同；其中有6根對比矩形構(gòu)件，既兩根不摻鋼纖維的梁，4根減少箍筋的矩形構(gòu)件，其它8根梁按鋼纖維體積摻量0.5%、1%、1.5%、2%每種制作2根；構(gòu)件的實際長度L=1.2m，構(gòu)件受扭段有效長度為1m；截面尺寸150mm×240mm,試驗構(gòu)件的混凝土設(shè)計強度等級為C30，縱筋和箍筋均采用HPB235鋼筋[9]，構(gòu)件制作按規(guī)定 執(zhí)行。

試驗構(gòu)件配筋：圖1為適筋梁配筋圖；圖2構(gòu)件縱筋配筋與圖1相同，與圖1比較減少兩根箍筋的梁配筋圖。

圖1 適筋梁配筋圖

圖2 減少箍筋構(gòu)件配筋圖

1.4.2 應(yīng)變片的布置

（1）鋼筋應(yīng)變片的布置及編號

構(gòu)件縱筋筋應(yīng)變片主要布置在每根鋼筋1/4、3/4位置鋼筋上，箍筋應(yīng)變片布置在約1/4、1/2、3/4位置箍筋上，見圖3、圖4。

圖3 鋼筋應(yīng)變片編號

圖4 鋼筋應(yīng)變片編號（少筋）

（2）混凝土應(yīng)變片的布置及編號

混凝土應(yīng)變片主要布置在受扭構(gòu)件有效長度1/4、1/2、3/4位置混凝土構(gòu)件表面正面與側(cè)面上，見圖5。

圖5 混凝土應(yīng)變片編號

1.4.3 加載裝置設(shè)計

本試驗設(shè)計了一個實現(xiàn)純扭受力狀態(tài)的加載裝置[10]，圖6（a）所示，兩端按構(gòu)件尺寸設(shè)計，并經(jīng)加工焊接而成金屬盒，左端金屬盒與支架焊接而成固定端約束，右端金屬盒焊接在加載圓盤上，加載盤圖6（b）偏心位置安裝鋼絲繩，千斤頂拉動鋼絲繩對構(gòu)件軸心產(chǎn)生力矩，另一端支座約束處產(chǎn)生約束反力矩，兩端形成一對力偶，圖6（c）所示，從而在構(gòu)件中間段產(chǎn)生扭矩。

圖6 加載裝置簡圖

采用靜力加載方案，利用手動千斤頂分級進行加載，加載數(shù)值通過與傳感器（已標(biāo)定）連接的應(yīng)變儀（型號：TS3860）來控制，從而采集記錄到混凝土、鋼筋的應(yīng)變值。加載需先預(yù)載，待構(gòu)件穩(wěn)定確定無問題后，卸掉預(yù)載，然后分級加載，直至構(gòu)件破壞。加載過程中，及時記錄儀表數(shù)值，觀察試驗試件裂縫開展情況，并用記號筆詳細繪出裂縫的開展順序及分布情況。

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 抗壓強度試驗

2.1.1 受壓構(gòu)件破壞形態(tài)

圖7分別為鋼纖維含量為0%、1.0%、1.5%、2.0%的鋼纖維混凝土試塊受壓破壞形態(tài)圖，從試驗過程發(fā)現(xiàn)：普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件與摻入鋼纖維的混凝土立方體試件破壞形態(tài)與過程有很大的不同，普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在受壓時，荷載達到強度極限值時，試件表面出現(xiàn)一條豎向主裂縫，立即破壞，荷載值迅速降低，失去抵抗破壞能力，具有混凝土脆性破壞特點；從圖7（b）、（c）破壞形態(tài)可以看出，破壞面為45°斜裂縫，具有剪切破壞特征；為當(dāng)混凝土中摻入鋼纖維后，試塊的極限抗壓強度和極限應(yīng)變都有所增長，特別是在荷載達到極限荷載后試件并不立即破壞，而是隨著變形的增長，試塊側(cè)面出現(xiàn)45°斜裂縫，其它表面無明顯裂痕，出現(xiàn)細微裂縫，承載力逐漸下降，當(dāng)試驗中繼續(xù)加載，形成宏觀裂縫而破壞；試塊無明顯碎裂，表現(xiàn)出鋼纖維混凝土“裂而不散”的特點，見圖7。

圖7 不同體積率的鋼纖維混凝土抗壓試塊破壞形態(tài)

2.1.2 受壓試件試驗結(jié)果

本次抗壓強度試驗強度計算方法按下式：

由以上計算方法計算試驗結(jié)果見表3。

由表3可以看出：在混凝土基體中摻入鋼纖維0.5%、1.0%、1.5%、2.0%體積率時，抗壓強度分別提高了5.9%、9.3%、12.8%、14.3%。可以看出抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加有所提高，鋼纖維摻入混凝土基體后，阻止了混凝土裂縫的擴展，從而提高了混凝土的抗裂能力，且隨鋼纖維含量的增加而增加。

由表3可以看出，隨鋼纖維含量的提高，抗壓強度提高的幅度有所下降，說明在基體強度一定的情況下，鋼纖維對混凝土的抗壓性能的提高是有限的。當(dāng)鋼纖維體積率在1.0%-2.0%范圍內(nèi)時，鋼纖維對混凝土抗壓強度的增強作用較好。

表3 試驗處理結(jié)果

2.2 抗扭強度試驗

2.2.1 構(gòu)件破壞過程和破壞形態(tài)

圖8與圖9分別為為鋼纖維含量為0%的對比構(gòu)件L0與鋼纖維含量為1.5%的試驗受扭構(gòu)件L1.5破壞形態(tài)圖。

圖8 L0最終破壞形態(tài)對比試件L0（1.5%）

圖9 L1.5最終破壞形態(tài)對比試件（0%）

從圖8試驗過程和最終破壞形態(tài)可以看出：不摻入鋼纖維混凝土受扭構(gòu)件，在荷載12KN時出現(xiàn)0.1mm寬裂縫；荷載13KN時出現(xiàn)三條間距為30cm－35cm的45°斜裂縫，中部裂縫最寬，為0.5mm；荷載14KN時，裂縫變形增大，構(gòu)件開始喪失承載能力，構(gòu)件最終破壞，裂縫寬度達到1.9mm，肉眼能明顯看出裂縫見出現(xiàn)混凝土碎塊，如圖8所示。

從圖9試驗過程和最終破壞形態(tài)可以看出：摻入鋼纖維含量為1.5%的受扭構(gòu)件，整個破壞過程與步摻入鋼纖維的構(gòu)件破壞形態(tài)有很大的不同；構(gòu)件開裂荷載16KN、破壞荷載24KN，無明顯主裂縫。構(gòu)件出現(xiàn)分布密集的45°斜裂縫，裂縫窄而密，1mm以內(nèi)的裂縫最多，最小0.1mm，局部有鋼纖維被拔出；靠支座端局部最大1.2mm，非主裂縫，分析與端部集中荷載有關(guān)。

鋼纖維混凝土與普通鋼筋混凝土構(gòu)件在破壞形態(tài)上的主要區(qū)別在于極限破壞時構(gòu)件整體上的完整性。此外，鋼纖維混凝土在破壞時不像普通混凝土那樣突然，而是有一個相對平緩的應(yīng)力平臺，這也說明鋼纖維混凝土具有很好的延性。

2.2.2 構(gòu)件承載力

從加載裝置示意圖（圖6）上可以計算出：構(gòu)件所受的扭矩為0.31F，經(jīng)計算構(gòu)件的承載力見表4所示。

從表4可以看出，鋼筋混凝土中摻入鋼纖維后，構(gòu)件的開裂扭矩和極限扭矩都有很大程度的提高，特別是極限扭矩提高幅度更大；構(gòu)件LS0.5、LS1.0、LS1.0盡管減少了箍筋，但是開裂和極限扭矩仍有一定程度的提高，說明鋼纖維對于提高鋼筋混凝土的受扭性能還是很明顯的。

表4 構(gòu)件的承載力

2.2.3 鋼筋荷載—應(yīng)變曲線及其分析

圖10為縱筋荷載—應(yīng)變曲線圖。

從圖10縱向鋼筋荷載—應(yīng)變曲線可以看出：未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程主要包含兩個階段，第一階段是開裂前的階段，該階段構(gòu)件能抵抗破壞荷載；第二階段為荷載達到受扭構(gòu)件出裂荷載后，構(gòu)件迅速失去抵抗能力，直到構(gòu)件破環(huán)。

從圖10可以看出摻入鋼纖維的構(gòu)件破壞過程也主要包含兩個階段，第一階段與未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程類似，荷載應(yīng)變線性變化，但出裂荷載隨鋼纖維含量的增加而顯著提高，說明鋼纖維對受扭構(gòu)件的強度提高明顯；第二階段與未摻鋼纖維的構(gòu)件不同，受扭構(gòu)件在出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維開始發(fā)揮抗裂作用，從而能持續(xù)抵抗荷載，隨鋼纖維的含量增加，破壞荷載也增加。這就表明混凝土構(gòu)件中摻入鋼纖維能有效提高構(gòu)件的抗扭承載力。

圖10 L0、L0.5、L1.0、L1.5、L2.0縱筋應(yīng)變片13反映的荷載—應(yīng)變

4 結(jié)論

（1）混凝土中摻入鋼纖維對混凝土的抗壓強度提高未超過20%，不如抗彎強度提高明顯。

（2）抗扭構(gòu)件受載第一階段與未摻鋼纖維的混凝土受扭構(gòu)件破壞過程類似，荷載應(yīng)變線性變化，但出裂荷載隨鋼纖維含量的增加而顯著提高，說明鋼纖維對受扭構(gòu)件的強度提高明顯；第二階段與未摻鋼纖維的構(gòu)件不同，受扭構(gòu)件在出現(xiàn)裂縫后，鋼纖維開始發(fā)揮抗裂作用，從而能持續(xù)抵抗荷載，隨鋼纖維的含量增加，破壞荷載也增。

（3）混凝土中摻入鋼纖維能有效的抑制鋼筋混凝土受扭構(gòu)件裂縫的過快發(fā)展，另一方面又能促進斜裂縫在更廣的區(qū)域發(fā)展，使得開裂后的構(gòu)件裂縫變細變密，這也是與不摻入鋼纖維鋼筋混凝土受扭構(gòu)件破壞形態(tài)上的最大區(qū)別之處。