HRB500级钢筋RPC简支梁受剪抗裂强度试验研究

金凌志,李月霞,李 丽1,,张 猛

(1.广西岩土力学与工程重点实验室;2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,桂林 541004)

HRB500级钢筋RPC简支梁受剪抗裂强度试验研究

金凌志1，2,李月霞2,李 丽1,2,张 猛2

(1.广西岩土力学与工程重点实验室;2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,桂林 541004)

为研究高强钢筋活性粉末混凝土简支梁的受剪抗裂性能,以纵筋率、配箍率、钢筋等级和剪跨比等为参数,对6根不同高强钢筋活性粉末混凝土简支梁进行受剪抗裂性能试验研究,分析纵筋率、配箍率、钢筋等级、剪跨比、混凝土抗拉强度等参数对高强钢筋活性粉末混凝土简支梁斜截面抗裂强度的影响规律。在试验数据和前人研究的基础上,提出了高强钢筋活性粉末混凝土简支梁的斜截面抗裂计算模型和抗裂强度计算公式。

HRB500级钢筋;活性粉末混凝土;简支梁;斜截面;抗裂强度

普通混凝土的抗拉强度极低,小于C80混凝土,其抗拉强度不超过3.11 N/mm[1]。因此,普通混凝土在较小的拉应力作用下容易开裂,从而给人产生一种不安全感。活性粉末混凝土(简称RPC)具有高强度、高韧性和高耐久性,其中掺加的钢纤维增加了RPC的强度和韧性[2],因而具有广阔的应用前景。在高强度的活性粉末混凝土中配置高强钢筋,两者相互结合共同工作[3],能充分发挥自身的材料性能,明显提高承载力并具有良好的抗裂性能,可应用于大跨度桥梁、高层建筑和特种结构等,从而取得良好的社会经济效益。

有关混凝土构件的抗裂研究,美国Narayanan[4]对集中荷载作用下矩形钢纤维钢筋混凝土简支梁展开抗裂性能试验研究,剖析了钢筋钢纤维混凝土梁斜截面抗裂性能和计算方法,获得了钢筋钢纤维混凝土梁斜截面开裂剪力的计算公式。澳大利亚EI-Niema[5]对43根钢筋凝土矩形梁和T形梁进行了抗剪强度试验研究,表明斜截面的剪切开裂荷载是由最大抗拉强度决定的,而最大抗拉强度主要由水平应力和垂直切应力组成,同时也研究了混凝土、纵筋、箍筋、截面形式对抗拉强度的贡献。国内赵顺波等人[6]通过对钢筋钢纤维混凝土梁斜截面的抗裂试验研究,对截面高度、纵向受拉钢筋、箍筋、剪跨比、钢纤维含量特征值等参数进行了分析,提出了斜截面抗裂度的计算模型和公式。天津大学戎贤[7]对24根高强度钢筋混凝土梁进行了抗裂度试验研究,分析了加载方式、混凝土强度、钢筋强度对钢筋混凝土梁的开裂、裂缝宽度等的影响,表明钢筋强度应与混凝土强度相匹配,提高抗裂度才明显;在荷载较大的情况下,提高箍筋配筋率可以起到相同的效果。

为研究高强钢筋活性粉末混凝土的抗裂度,笔者通过对集中荷载作用下的HRB500级高强钢筋RPC简支梁的抗剪试验,分析这种新型混凝土材料结构的抗裂受力机理及影响因素,基于试验和前人的研究成果,提出高强钢筋活性粉末混凝土的抗裂模型和计算公式,为高强钢筋活性粉末混凝土在土木工程领域的推广与应用提供参考。

1 试验

1.1 试件设计

基于试验的可行性,考虑了纵筋率、配箍率、钢筋等级和剪跨比等的影响,制备了6根高强钢筋活性粉末混凝土简支梁。为测得混凝土劈裂抗拉强度和轴心抗压强度,与试验梁浇筑同时浇筑6个100 mm×100 mm×100 mm立方体和6个100 mm×100 mm×150 mm棱柱体。其配比见表1。

试验梁截面尺寸及主要参数纵筋配筋率、钢筋等级、配箍率和剪跨比等详表2。

表1 RPC质量配比

表2 试验梁基本参数

1.2 加载方案

试验采用简支支座,加载方式采用两点对称集中加载。加载设备采用液压加载系统,量程100 t,主要由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装置和阀门通过高压油管连接而成。如图1,图2所示。

1—反力架;2—传感器;3—千斤顶;4—分配梁;5—纵向钢筋应变片;6—箍筋应变片;7—剪跨区混凝土应变片;8—纯弯区混凝土应变片;9—混凝土应变花,10—百分表

图2 试验加载图

1.3 测试内容

混凝土的应变值由通过剪压区内支座与加载点连线上,均匀粘贴的应变片,以及梁底面、侧面均匀粘贴的应变片,通过应变测试仪DH3818读取。箍筋应变主要由支座与加载点的连线与箍筋相交处的应变片,通过静态电阻应变仪测得。纵筋应变主要由剪跨区受力纵筋均匀粘贴的应变片,通过静态电阻应变仪测得。斜裂缝通过JC-10微调旋钮20倍读数显微镜观察得到。

2 试验现象分析

斜裂缝通常分为弯剪型斜裂缝和腹剪型斜裂缝,弯剪型裂缝由梁底部弯曲拉应力引起的竖向裂缝发展而来,腹剪型裂缝主要由梁高中部处的剪应力而产生。

1)梁LJ001。集中荷载为135 kN时,梁跨中受力纵筋位置处首先出现肉眼不可见的受弯垂直微裂缝,裂缝宽度小于0.01 mm;集中荷载达到175 kN时,剪跨区的垂直微裂缝发展为弯剪斜裂缝,与此同时,跨中受力纵筋位置处的垂直微裂缝不断增多且不断变宽,最大宽度可达到0.02 mm。但是剪跨区斜裂缝条数不多,垂直裂缝较少,长度较长,发展缓慢,如图3-a所示。

2)梁LJ002。集中荷载为160 kN时,加载点下方出现细微裂缝,集中力达到170 kN时,剪跨区截面中和轴偏下的一个小区段内出现一条宽度为0.01 mm的斜裂缝。随着荷载的加大,剪跨区形成一条清晰的主斜裂缝,跨中垂直裂缝较少,详见图3-b。

3)梁LJ003。集中荷载为170 kN时,跨中出现垂直微裂缝,荷载增加到180 kN,剪跨区中和轴偏下位置出现一条主要斜裂缝。随荷载的增加,斜裂缝较多,跨中垂直裂缝较少,长度较短,裂缝发展较为缓慢,详见图3-c。

4)梁LJ004。集中荷载为180 kN时,梁跨中受力纵筋位置处出现垂直微裂缝,同时在剪跨区中和轴偏下位置出现一条主要斜裂缝,宽度0.01 mm,随荷载的增加,斜裂缝细而多,加载点附近的混凝土被压碎,垂直裂缝较少,长度较长,详见图3-d。

5)梁LJ005。集中荷载为140 kN时,跨中纯弯段首先出现垂直微裂缝,裂缝极小;当加载达到185 kN时,剪跨区的垂直裂缝发展成为弯剪斜裂缝,跨中纯弯段裂缝条数增加不多,裂缝发展情况与LJ001相差不多大,详见图3-e。

6)梁LJ006。集中荷载为140 kN时,跨中梁底部出现垂直微裂缝,随荷载的缓慢增加,支座底部附近出现平行的垂直裂缝,裂缝宽度较大,约为0.02 mm,当荷载增加到180 kN时,剪跨区内出现几条平行的斜裂缝,荷载继续增大,这些斜裂缝发展成为主斜裂缝,详见图3-f。

图3 试件LJ001-LJ006裂缝形式

3 斜截面抗裂度影响因素分析

斜裂缝主要由混凝土的劈拉应力所造成。与普通钢筋混凝土相似,高强钢筋活性粉末混凝土梁最危险截面的最大劈拉应力由混凝土拉应力、纵筋拉应力、箍筋拉应力、钢纤维拉应力贡献。笔者从剪跨比、箍筋率、纵筋率和钢筋等级等参数,分析RPC受剪梁抗裂强度的影响因素,试验梁受剪裂缝开裂时的实测数据见表3。

表3 试验梁受剪裂缝开裂时实测数据一览

3.1 剪跨比

由表3可看出,LJ002与LJ006相比,随着剪跨比的增大,弯曲微裂缝和斜裂缝出现时的剪力都降低。同时由图3-b和图3-f可看出,LJ006由于剪跨比较小,在梁腹部出现腹剪型斜裂缝,随着荷载增大,腹剪型裂缝向梁底蔓延,形成弯剪型裂缝,继而向支座发展,形成可见的斜裂缝。而剪跨比较大的LJ002,裂缝首先在梁底形成一段垂直于梁底的弯曲裂缝,即弯剪型斜裂缝,随着荷载增加,弯剪型斜裂缝向支座延伸,形成一条主斜裂缝。

从受力角度分析,梁在集中荷载作用下同时产生压应力场和拉应力场,截面上部压应力场表现明显,下部拉应力场显著[10]。加载点附近,压应力场强度大,不仅能有效抑制斜裂缝的开展,还可以提高梁截面的抗剪强度。因此当RPC梁的剪跨区长度较小时,压应力场强度表现显著,梁上部斜裂缝出现较晚,破坏时宽度比较小。而对于剪跨比较大的LJ006,压应力场效应削弱,抗裂强度减小,梁上部裂缝出现较早,而且裂缝较宽。

3.2 箍筋

LJ002，LJ003，LJ004,ρsv从0%增加到0.745%,弯曲及剪切微裂缝出现时所对应的剪力随配箍率的增大而增大,ρsv从0%增加到0.447%,开裂剪力有所提高,ρsv从0.447%增长到0.745%,开裂剪力提高不多。由此可以认为箍筋对梁斜截面抗裂度的影响很小[11-12],这是因为箍筋只对核心区混凝土有约束作用,对混凝土表面的约束作用则并不明显,在微裂缝开展之前,箍筋应力几乎为零,对裂缝的开展没有发挥抑制作用。

3.3 纵筋

LJ001与LJ002相比,随着纵筋率的提高,弯曲微裂缝开裂剪力提高,而斜裂缝开裂剪力变化不大。对比图3-a和图3-b,就裂缝形态看,纵筋率大的LJ002垂直微裂缝多而密,而纵筋率较小的LJ001垂直微裂缝较少且裂缝间距较大。纵筋伸入支座具有锚固作用,限制了支座斜裂缝的开展。梁底部的垂直微裂缝出现后,纵筋受拉发挥销栓作用,抑制了梁底部垂直微裂缝的蔓延,所以纵筋率较高的梁LJ002底部垂直裂缝多而密,且长度较短。但在剪跨区内,两者的斜裂缝情况基本相同。纵筋率的提高对弯曲型微裂缝的抑制作用大于对斜裂缝的约束作用。

3.4 纵筋钢筋等级

随着钢筋等级的提高,弯曲微裂缝所对应开裂剪力提高比较多,而斜裂缝开裂剪力基本不变。从图3-e和3-f裂缝表象看,钢筋等级越高,裂缝条数越多,裂缝长度变化不大。说明钢筋等级越高,初始裂缝开展越晚,与混凝土的粘结性能越好,高强钢筋与高性能混凝土具有比较好的协同工作能力。

4 斜截面抗裂强度模型和抗裂强度公式的推导

4.1 抗裂强度模型

经典的断裂力学理论主要应用于金属材料断裂领域,重点研究金属材料微裂缝尖端附近微小的塑性区应力场、应变场和能量释放率等,以观察微裂缝的形成和开展情况。Neville[13]最先将断裂力学理论应用于混凝土,继而Kaplan[14]第一次将断裂力学的概念引用到混凝土结构领域,以研究混凝土的断裂和韧度。借鉴这种理论,荷载较小时裂缝尚未出现,可将高强钢筋RPC简支梁看做均质弹性体分析,裂缝开展前,试验梁处于线弹性状态。这样就可用材料力学知识求解开裂截面的拉应力和剪应力。梁截面的正应力与剪应力的分布如图4所示。

注:实线为主压应力,虚线为主拉应力

由材料力学可知,任一截面的正应力σ和剪应力τ可按下列公式计算:

(1)

式中:I0为换算截面的惯性矩;y为所求应力点到中和轴的距离;S0为所求应力点的一侧对换算截面形心轴的面积距;b为梁的宽度。

主应力可由正应力、剪应力求得:

(2)

当危险点截面的弯曲拉应力σ和剪切应力τ共同作用所构成的主拉应力σtp超过混凝土的抗拉强度pt时,梁底受力纵筋附近处出现的第一条微裂缝与主拉应力相垂直。试验梁可能出现的裂缝如图5所示。

图5 可能出现的裂缝

4.2 抗裂强度计算公式的推导

在剪跨区内受力纵筋附近选取微裂缝最初的一点A,假设微裂缝离支座的距离为x=ma,y=nh,则斜裂缝出现点A单元的应力情况:

(3)

(4)

式中:

将A点的正应力和剪应力代入到公式(2)得到A点的主拉应力和主压应力:

(5)

幂级数展开公式:

(6)

当

则：

(7)

对公式(7)中含有λ2和λ4在λ∈[1,3]内求平均值,则:

(8)

因此,

(9)

则RPC开始出现裂缝时,当σtp=prt时,开裂荷载为:

(10)

式中:prt=vtpt,prt为塑性抗拉强度;vt为混凝土抗拉有效系数;pt为混凝土单轴抗拉强度

C1,C2由试验初裂的位置确定,可采用求平均值的方法求得,计算结果见表4。在钢纤维混凝土中混凝土抗拉有效系数[15-16](vt)可以取0.8。

表4 试验实测C1，C2值

(11)

由表4的数据,代到公式(10),可以得到高强钢筋活性粉末混凝土简支梁的开裂公式:

当λ>3时,取λ=3；当λ<1时,λ=1.

5 结论

1)与普通混凝土梁相似,混凝土的开裂是危险点截面在弯曲拉应力σ和剪切应力τ共同作用所构成的主拉应力σtp超过混凝土的抗拉强度pt决定的,高强钢筋RPC简支梁斜裂缝一般由梁底纵筋合力点附近首次出现的弯曲微裂缝发展而来。

2)剪跨比、配箍率、纵筋率、受力纵筋等级等因素对高强钢筋RPC简支梁的受剪抗裂度都有一定的影响。随剪跨比的加大,加载点附近压应力流大,抗裂强度高,裂缝开展缓慢;而增大配箍率,斜截面抗裂度提高不明显;纵筋能有效拉结混凝土,与混凝土粘成一个整体,所以随着钢筋等级的提升,斜截面抗裂度随之增大。高强钢筋与高性能混凝土具有良好的协同工作能力,延缓裂缝的出现,提高构件的正常使用功能。

3)依据断裂学理论及材料力学知识,受剪混凝土梁同时存在压应力、拉应力和剪应力,当危险点截面弯曲拉应力和剪切应力共同作用所构成的主拉应力超过混凝土的抗拉强度时,梁底受力纵筋附近将率先产生与主拉应力相垂直的微裂缝。

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(编辑：贾丽红)

Research on the Shear Crack Strength of Reactive Power Concrete Simply Supported Beams with HRB500 Grade Steel

JIN Lingzhi1，2,LI Yuexia2,LI Li1,2，ZHANG Meng2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004，China)

In order to study the shear crack resistance performance of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement,with the longitudinal reinforcement ratio,stirrup ratio,shear span ratio,steel grade and so on as the parameters,the research on shear crack resistance performance was carried out by 6 different simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement.The influence law of inclined section crack resistance strength was studied by the longitudinal reinforcement ratio,stirrup ratio,steel grade,shear span ratio,tensile strength of concrete,steel fiber volume content and other factors of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement.On the basis of experimental data and previous research,the inclined section crack calculation model and the shearing strength calculation formula of simply supported beams with reactive power concrete and high strength reinforcement are put forward.

grade HRB500 reinforcement;reactive powder concrete;simply supported beam;diagonal section;shear cracking strength

2014-08-16

国家自然科学基金资助项目(51368013);广西重点实验基金项目(11-cx-04)

金凌志(1959-),女,湖南双峰人,教授,硕士生导师,主要从事新型混凝土材料结构研究,(Tel)18176391635

李丽(1980-),女,黑龙江齐齐哈尔人,硕士,讲师,主要从事预应力及活性粉末混凝土结构研究，(Tel)18176391635

1007-9432(2015)01-0075-06

TU375.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.015