唐華瑞，韓靈杰，尚亞瓊，王貴春

(1.河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院 建筑與測(cè)繪工程系， 河南鄭州451400；2.鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 河南鄭州450064；3.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南鄭州450001)

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鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫試驗(yàn)研究

唐華瑞1，韓靈杰2，尚亞瓊1，王貴春3

(1.河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院 建筑與測(cè)繪工程系， 河南鄭州451400；2.鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 河南鄭州450064；3.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南鄭州450001)

摘要：為了進(jìn)一步了解鋼纖維全輕混凝土梁斜截面的受力性能及其斜裂縫寬度的發(fā)展規(guī)律，制作了18根試驗(yàn)梁，運(yùn)用反位試驗(yàn)加載裝置，采用兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載的方法，研究了剪跨比λ、鋼纖維摻量ρf和配箍率ρsv3個(gè)變量的變化對(duì)鋼纖維全輕混凝土斜裂縫寬度的影響。結(jié)果表明：剪跨比過(guò)大或者過(guò)小對(duì)于斜裂縫的發(fā)展都是不利的；鋼纖維摻量的增加可以有效抑制斜裂縫的發(fā)展，減小斜裂縫的寬度；箍筋在試驗(yàn)梁正常使用階段幾乎不起作用。最后通過(guò)對(duì)斜裂縫寬度的觀測(cè)和分析，將斜裂縫寬度的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，提出了鋼纖維全輕混凝土梁的最大斜裂縫的計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；全輕混凝土；梁；斜裂縫

0引言

在實(shí)際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常都是帶裂縫工作，因此，在正常使用階段對(duì)于斜裂縫寬度的計(jì)算、控制也不容忽視[1]。目前有關(guān)鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土的抗剪強(qiáng)度及裂縫已有研究。逯曄等[2]對(duì)不同剪跨比的輕骨料混凝土的破壞形態(tài)和抗剪承載力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，剪跨比λ為1、2的試件破壞時(shí)，在支座縱筋錨固范圍均有明顯的撕裂裂縫，而剪跨比λ為3的輕骨料混凝土試件則沒(méi)有，這說(shuō)明縱筋的銷栓作用隨著剪跨比的增大而逐漸減小。張宏戰(zhàn)等[3]研究了鋼纖維混凝土的抗剪性能，結(jié)果表明，鋼纖維在提高梁斜截面初裂強(qiáng)度和限制斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但在提高受剪承載力方面要低于箍筋。

對(duì)于鋼纖維輕骨料混凝土的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很多，尤其是斜截面受力性能的研究更少。因此，系統(tǒng)地研究鋼纖維全輕混凝土梁裂縫規(guī)律及其寬度計(jì)算方法，對(duì)于全面了解鋼纖維全輕混凝土梁斜截面的受力性能并確立合理的設(shè)計(jì)方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[4]。

1試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)研究主要針對(duì)全輕混凝土，即粗骨料全部用頁(yè)巖陶粒取代，而細(xì)骨料則用輕砂。在全輕混凝土中摻入一定量的亂向分布的鋼纖維，形成新型的建筑材料鋼纖維全輕混凝土。試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為52.5的普通硅酸鹽水泥；采用山東淄博生產(chǎn)的2～20 mm粒徑連續(xù)級(jí)配頁(yè)巖陶粒為粗骨料，各粒徑陶粒的顆粒級(jí)配情況良好，見(jiàn)表1；細(xì)骨料為產(chǎn)于山東淄博的頁(yè)巖陶砂，陶砂的各項(xiàng)物理力學(xué)性能列于表2；鋼纖維為銑削型鋼纖維，其性能指標(biāo)列于表3。

1.1試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用150 mm×400 mm×3200 mm的試驗(yàn)梁，保護(hù)層厚度取25 mm, 剪跨比變化參數(shù)為2.0、2.5、3.0，縱筋采用HRB400級(jí)熱軋鋼筋，箍筋采用HPB300級(jí)熱軋鋼筋，直徑為6 mm，梁的截面尺寸、剪跨比、配箍率如表4所示，縱筋配筋率為1.64%(2根直徑為25 mm的鋼筋)[5]。

表1　2～20 mm頁(yè)巖陶粒的粒徑顆粒級(jí)配

表2　陶砂各項(xiàng)物理力學(xué)性能

表3　鋼纖維的性能指標(biāo)

表4　試驗(yàn)梁的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用反位試驗(yàn)加載裝置，支架用地錨螺栓整體錨固于反力槽座中[6]。在支架的上端放置鋼梁，通過(guò)鋼梁下面固定的千斤頂來(lái)施加試驗(yàn)中所需要的荷載。根據(jù)不同的剪跨比，通過(guò)兩個(gè)千斤頂上端連接荷載傳感器，而荷載傳感器與東華靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀相連接，以此提供兩個(gè)對(duì)稱的集中荷載。根據(jù)規(guī)范中每級(jí)荷載的確定方法對(duì)試件進(jìn)行加載。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土試驗(yàn)構(gòu)件在試驗(yàn)中最直觀的表現(xiàn)就是裂縫的發(fā)展，在施加荷載作用下，當(dāng)構(gòu)件中某一點(diǎn)的主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開(kāi)裂，并且當(dāng)裂縫與混凝土表面貫穿時(shí)就可用肉眼觀測(cè)到裂縫[7]。試驗(yàn)中根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、位置、順序以及發(fā)展形態(tài)和速度可以大致判斷構(gòu)件的受力情況。

2.1剪跨比對(duì)斜裂縫的影響

在集中荷載作用下，剪跨比對(duì)梁抗剪性能的影響很大[8]。圖1描述了在不同剪跨比的條件下斜裂縫的寬度隨荷載增加而變化的情況，其中曲線的斜率表示斜裂縫增加的速度。從圖1中各條曲線可以看出，雖然剪跨比變化在2.0、2.5、3.0，但試驗(yàn)梁斜截面裂縫寬度的增加速度與剪跨比基本沒(méi)有直接的關(guān)系。另外，當(dāng)斜裂縫寬度達(dá)到0.4 mm時(shí)，荷載與極限承載力的比值V/Vu隨著剪跨比的變化情況是：當(dāng)剪跨比λ=2.0、λ=3.0時(shí)，同組的兩根試驗(yàn)梁V/Vu值變化范圍為0.69～0.85，而剪跨比λ=2.5時(shí)，同組的兩根試驗(yàn)梁V/Vu都處于0.75～0.80。由此可知，當(dāng)鋼纖維全輕混凝土梁在剪壓破壞階段時(shí)，剪跨比過(guò)大或者過(guò)小對(duì)于斜裂縫的發(fā)展均是不利的。

2.2鋼纖維摻量對(duì)斜裂縫寬度的影響

由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，只有其抗壓強(qiáng)度的1/10[9],因此，在荷載作用下，當(dāng)混凝土達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)開(kāi)裂產(chǎn)生裂縫，而亂向分布的鋼纖維可以有效抑制混凝土的開(kāi)裂和裂縫的發(fā)展[10]。

本次試驗(yàn)主要研究鋼纖維摻量ρf由0%增加至1.6%時(shí)斜裂縫的發(fā)展情況。圖2所示為平均斜裂縫寬度隨著鋼纖維摻量變化的情況。由圖2可見(jiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，平均斜裂的寬度逐漸減小。鋼纖維摻量的增加可以有效地抑制混凝土梁斜裂縫的發(fā)展。

圖1斜裂縫寬度隨剪跨比變化的發(fā)展情況

Fig.1The development of inclined crack with the variation ofshear span ratio

圖2平均斜裂縫寬度隨鋼纖維摻量變化的發(fā)展情況

Fig.2The development of average diagonal crack width with the variation of the steel fiber content

圖3為斜裂縫寬度隨荷載的變化曲線。由圖3中可以看出，各曲線斜率基本相同，證明裂縫寬度隨著荷載的增加而增加的速率基本一致。當(dāng)斜裂縫寬度為0.4 mm時(shí)，其荷載值占極限荷載值的百分比沒(méi)有很大變化，鋼纖維摻量由0增加至1.2%時(shí)，V/Vu值基本保持在0.65～0.75，當(dāng)鋼纖維摻量ρf=1.6%時(shí)，則V/Vu=0.83。由此可見(jiàn)，當(dāng)達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，裂縫寬度值不斷減小。因此，鋼纖維在抑制裂縫發(fā)展方面效果明顯，對(duì)于斜裂縫寬度值要求較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以通過(guò)增加鋼纖維的摻量來(lái)限制裂縫的發(fā)展。

2.3配箍率對(duì)斜裂縫寬度的影響

在斜裂縫出現(xiàn)前箍筋的應(yīng)力很小，主要由混凝土傳遞剪力；斜裂縫出現(xiàn)后，與斜裂縫相交的箍筋應(yīng)力增大[11]。當(dāng)配箍率ρsv為0%、0.19%、0.25%時(shí)，斜裂縫隨荷載變化的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，配箍率分別為0%、0.19%、0.25%時(shí)，3條斜裂縫變化線幾乎重合。由此可見(jiàn)，箍筋在正常使用階段的應(yīng)力很小，對(duì)于斜裂縫寬度的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

綜上所述，影響鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫的發(fā)展情況的因素主要有剪跨比和鋼纖維摻量。當(dāng)鋼纖維全輕混凝土梁在剪壓破壞階段時(shí)，剪跨比過(guò)大或者過(guò)小對(duì)于斜裂縫的發(fā)展均是不利的。鋼纖維在抑制裂縫發(fā)展方面效果明顯，對(duì)于斜裂縫寬度值要求較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以通過(guò)增加鋼纖維的摻量來(lái)限制裂縫的發(fā)展。而箍筋在正常使用階段的應(yīng)力很小，對(duì)于斜裂縫寬度的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

圖3斜裂縫寬度隨荷載的變化曲線

Fig.3The change curve of the inclined crack width with load

圖4斜裂縫寬度隨配箍率的變化圖

Fig.4The change of inclined crack width with the variation of stirrup ratio

3最大斜裂縫寬度計(jì)算公式

近幾年，對(duì)于混凝土梁的斜截面開(kāi)裂荷載及抗剪承載力的研究較多，但對(duì)于梁的斜截面的最大裂縫寬度的研究相對(duì)較少?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中梁的斜裂縫也只規(guī)定了寬度限值，沒(méi)有最大斜裂縫寬度的計(jì)算公式。而實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是帶裂縫工作，在正常使用階段對(duì)于斜裂縫寬度的計(jì)算、控制也不容忽視。根據(jù)文獻(xiàn)[4]分析得出的斜裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算公式，通過(guò)加載過(guò)程中對(duì)斜裂縫寬度的觀測(cè)和分析，將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，分析得到的鋼纖維全輕混凝土梁的最大斜裂縫的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

其中，ωweb,max為斜裂縫最大寬度值(mm)；σsv,m為箍筋平均應(yīng)力(MPa);Esv為箍筋的彈性模量(MPa);Vcr為斜截面開(kāi)裂荷載(kN)；Asv為箍筋的截面面積(mm2)；a,l分別為試驗(yàn)梁的剪跨和跨長(zhǎng)(mm)。

本公式只適用于正常使用階段中斜裂縫的寬度計(jì)算。本試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與上式計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果列于表5中。

表5　試驗(yàn)梁斜裂縫寬度

圖5　最大斜裂縫實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖Fig.5　The measured values of the maximum inclined crack width to the calculated values

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中纖維混凝土梁的斜裂縫最大寬度的計(jì)算數(shù)值，對(duì)比試驗(yàn)中鋼纖維全輕混凝土梁的斜裂縫最大寬度的實(shí)測(cè)數(shù)值，可見(jiàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值大多數(shù)在0.75左右浮動(dòng)，平均值為0.77，標(biāo)準(zhǔn)差0.13，變異系數(shù)為0.167。

從對(duì)比結(jié)果中可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與公式計(jì)算值吻合情況良好，如圖5所示。鋼纖維對(duì)于斜裂縫寬度的限制作用體現(xiàn)在混凝土的抗拉強(qiáng)度f(wàn)t中。通過(guò)對(duì)比分析，可以將式(1)、(2)、(3)作為鋼纖維全輕混凝土梁最大斜裂縫寬度的計(jì)算公式。

4結(jié)論與展望

限于試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)主要研究了集中荷載作用下鋼纖維全輕混凝土的抗剪性能，得出了有益的結(jié)論。在以后的研究中，將進(jìn)一步考慮一般荷載作用的情況，并分析鋼纖維長(zhǎng)細(xì)比等其他參數(shù)對(duì)鋼纖維全輕混凝土抗剪性能的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙國(guó)藩,彭少民,黃承逵.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1999.

[2]逯曄,孫海林,葉列平,等.高強(qiáng)輕骨料混凝土梁抗剪承載力的試驗(yàn)與計(jì)算[C]//第七屆全國(guó)輕骨料混凝土學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.南京：東南大學(xué)出版社，2014:454-459.

[3]張宏戰(zhàn),黃承逵,張瑞瑾.鋼纖維高強(qiáng)混凝土箍筋梁抗剪性能試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)報(bào),2006,38(10):1781-1785.

[4]趙順波,趙國(guó)藩.鋼筋鋼纖維混凝土梁斜裂縫寬度計(jì)算方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu),1998(7):39-42.

[5]宋麗莎,孫麗.鋼纖維混凝土拌合物工作性能試驗(yàn)研究[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):24-26.

[6]李廣欣.機(jī)制砂再生粗骨料混凝土梁受剪性能試驗(yàn)研究[D]. 鄭州:華北水利水電大學(xué),2013.

[7]FENWICK R C,PAULAY T. Mechanisms of shear resistance of concrete beams[J]. Journal of the Structural Division，1968,94(ST10):2235-2350.

[8]金凌志,張猛.拉—壓桿模型RPC梁抗剪承載力試驗(yàn)研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科版),2015，40(5):1060-1067.

[9]LUO X,SUN W,ChEN Y N.Steel fiber reinforced high-performence concrete: A study on the mechanical pro- perties and resistance against impact[J]. Materials and Structure,2001,237(34):144-149.

[10]李長(zhǎng)永.鋼纖維輕骨料混凝土性能與疊澆梁受彎性能計(jì)算方法研究[D]. 鄭州:鄭州大學(xué),2014.

[11]RUSSO G，SOMMA G，MITRI D.Shear strength analysis and prediction for reinforced concrete beams with-out stirrups[J]. Journal of Structural Engineering,2005,131(1):66-74.

[12]李鳳蘭,趙順波,黃承逵.配筋鋼纖維混凝土梁受剪承載力設(shè)計(jì)方法研究[J]. 工業(yè)建筑,2003,33(10):66-68.

(責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

收稿日期：2015-12-03；

修訂日期：2016-03-10

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(14210231050)；河南省高校生態(tài)建筑材料與結(jié)構(gòu)工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(13ITRTSHN002)

通訊作者：王貴春(1962—)，男，遼寧黑山縣人，鄭州大學(xué)教授，工學(xué)博士；E-mail: guichunwang@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0635

中圖分類號(hào)TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)03-0635-06

Experimental study on inclined crack of steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams

TANG Hua-rui1，HAN Ling-jie2，SHANG Ya-qiong1，WANG Gui-chun3

(1.Department of Building and Geomatics Engineering,Wanfang College of Science and Technology，Henan Polytechnic University, Zhengzhou 451400,China；2.Department of Civil and Architecture Engineering,Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou 450064, China;3.School of Civil Engineering，Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to further study the mechanical behaviors of inclined section and the development of diagonal crack of steel fiber reinforced lightweight concrete beams, 18 test beams are manufactured and tested using trans loading device and the method of symmetrically concentrated loading at two points. The effects of 3 variables, including shear span ratio λ, the dosage of steel fiber ρf and the ratio of reinforcement ρsv, on the inclined crack width of steel fiber reinforced lightweight concrete are analyzed. The results show that whether the shear span ratio is too large or too small, it is unfavorable for the development of inclined cracks; that the increase of the dosage of steel fiber can effectively control the development of inclined crack and reduce its width; that stirrup has little effect on the test beams. Meanwhile, by observing and analyzing the width of inclined crack, and comparing the calculated results of inclined crack with the test ones, the formula to calculate the maximum inclined crack of the steel fiber reinforced lightweight concrete beam is proposed.

Key words:steel fiber; full-lightweight concrete; beam; inclined crack

引文格式： 唐華瑞，韓靈杰，尚亞瓊,等.鋼纖維全輕混凝土梁斜裂縫試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：635-640.