钢筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力研究

谢 鹏 宇

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 引言

高强混凝土具有耐久性高、强度高、变形小的特点，能适应现代结构向大跨度、强荷载、超高层的发展。同时提高构件的延性，增加构件的抗弯能力和刚度，还可以降低结构的自重。然而高强混凝土的韧性较差,并且当高强混凝土抗压强度增长时，其抗拉、抗剪强度与抗压强度的比值却会随之降低，对结构的整体性能产生不利影响[1,2]。

钢纤维混凝土是指在混凝土中掺入短钢纤维重新组合而成的一种性能优良的新型复合材料，具有抗裂性好、抗冲击性强、抗疲劳性优异的特点，能够有效抑制裂缝产生的应力集中，改善了结构的耐久性，同时提高了混凝土结构的延性和强度，多方面优化了混凝土的结构性能，因而在工程中具有很大的优势[3-5]。

随着建筑领域的不断发展，高层、大跨度结构的应用范围和安全要求不断提高，研究新型高性能建筑材料已经成为当前建筑领域的重要课题。钢纤维高强混凝土具有钢纤维混凝土和高强混凝土两种材料的优点,能够满足建筑领域中高性能材料的要求，具有大范围应用的潜力。但是钢纤维高强混凝土的研究在国内处于起步阶段,在国内的研究和应用较少，只有几家科研机构进行了初步研究，因此研究钢纤维高强混凝土材料具有重要意义和价值[6-8]。

本文根据林涛的研究数据[9]，选择钢筋作为配筋材料，根据钢纤维高强混凝土的特殊性，通过相关影响钢纤维高强混凝土梁抗弯性能参数的研究和分析，提出钢纤维高强混凝土的强度计算和钢纤维高强混凝土梁受弯承载力计算公式，对钢纤维高强混凝土的发展及应用提供一定借鉴参考意义。

1 试验基本情况

1.1 实验装置及相关参数

本次试验共有25根梁，试验采用钢纤维具体型号尺寸如表1所示，试件编号及配筋情况如表2所示，试验加载装置图及梁截面尺寸如图1所示，其中梁截面高度h=300 mm，宽度b=150 mm，保护层厚度为25 mm。

表1 钢纤维特征参数表

表2 梁试件编号及配筋情况

1.2 试验结果

混凝土试块的立方体抗压强度fcu、抗拉强度ft试验结果如表3所示。

表3 混凝土试块试验结果

不同直径钢筋的屈服强度fs和极限强度fu试验结果如表4所示。

表4 钢筋强度试验结果

2 抗弯承载力计算

2.1 开裂承载力计算

当混凝土梁开始工作直至发生开裂破坏之前时，假设钢筋不参与受力，当混凝土梁中拉应力达到抗拉强度ft时，此时压应力为fp，受压区高度为x，受拉区高度为h-x，受力如图2所示。

(1)

由式(1)解得受压区高度x=0.414h，此时压应力fp=2.119ft，截面开裂弯矩为：

Mc=0.283ftbh2

(2)

2.2 极限承载力计算

根据本次试验中梁的破坏状态，做出以下假定[11]：

1)满足平截面假定，根据试验数据分析，可知试件从开始加载一直到破坏的过程中，截面近似保持为平面，符合平截面假定；

2)计算极限承载力时应计入钢纤维混凝土的抗拉强度；

3)假定钢筋与混凝土之间具有足够的粘结强度，在受力时没有产生相对滑移；

4)钢纤维高强混凝土受压时假定为线弹性体。

对钢筋钢纤维高强混凝土梁受压区应力进行等效转化替代[12]，将受压区实际的曲线应力转换为矩形应力，则钢筋钢纤维高强混凝土梁矩形截面受弯计算简图见图3。

根据力平衡条件可得：

fcubx=fuAs+ftbxt

(3)

其中，x为混凝土等效受压区高度；xt为混凝土等效受拉区高度，取xt=h-1.25x；As为纵向受拉钢筋横截面面积。

试件梁的保护层厚度为25 cm，则混凝土梁的弯矩Mu大小为：

(4)

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

表5 开裂弯矩计算结果及对比

3.2 数据分析

表6 极限弯矩计算结果及对比

对于式(2)取系数λ1，λ1=0.64，此时得到修正后开裂弯矩Mcx公式：

Mcx=0.283λ1ftbh2=0.18ftbh2

(5)

对于式(4)取系数λ2，λ2=1.19，此时得到修正后极限弯矩Mux公式：

(6)

4 结语

1)通过对钢筋钢纤维高强混凝土梁进行研究，以不同型号钢纤维含量、纵向受拉钢筋配筋率、混凝土强度等作为变量，提出了适合钢筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力计算公式。

2)优化后钢筋钢纤维高强混凝土梁开裂弯矩和极限弯矩的试验值理论值之比的平均值均为1.00，标准差分别为0.13和0.05，吻合较好。因此文中修正后的计算方法可以用于钢筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力的计算。