不同剪跨比下SFCB珊瑚混凝土梁受剪行为研究_吴辉琴.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.010不同剪跨比下 SFCB 珊瑚混凝土梁受剪行为研究吴辉琴，马瑞刚，陈爽，周川川（广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006）摘要：珊瑚混凝土和钢-连续纤维筋（Steel-Fiber Composite Bar，SFCB）的结合可以解决岛礁工程建设中建筑材料短缺和筋材腐蚀的问题，研究珊瑚混凝土结构的力学性能，对完善珊瑚混凝土结构理论、推进珊瑚混凝土应用研究进展具有重要的工程实用意义。本文对 5 根 SFCB 珊瑚混凝土梁进行斜截面抗剪试验，详细介绍了不同剪跨比下 SFCB 珊瑚混凝土梁裂缝发展过程，研究了不同剪跨比对 SFCB 珊瑚混凝土梁破坏形态、纵筋应变、内芯钢筋应变和跨中挠度的影响，并与现有不同筋材珊瑚混凝土梁抗剪性能进行探讨。试验结果表明：相同配筋的梁在不同剪跨比下破坏形态可分为斜压、剪压和斜拉破坏。混凝土梁内部珊瑚骨料均被剪断，混凝土压溃现象不明显，SFCB 与珊瑚混凝土粘结良好。纵筋应变与挠度发展分为 3 个不同的阶段，弯剪区中心与跨中纵筋应变变化规律不同。SFCB 珊瑚混凝土梁与钢筋、纤维复材筋珊瑚混凝土梁抗剪性能差异明显，将 SFCB 应用于珊瑚混凝土梁可以发挥其优良性能。关键词：珊瑚混凝土梁；剪跨比；抗剪性能；钢-连续纤维筋中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0088-10收稿日期：2022-07-18基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY0338）作者简介：吴辉琴（1965），女，硕士，教授，主要从事工程材料研究。E-mail：通讯作者：陈爽（1981），男，博士，副教授，主要从事混凝土结构耐久性研究。E-mail：南海位于太平洋和印度洋的航运要地，战略地位极为重要，具有极高的经济和军事价值。南海岛屿和岛礁珊瑚资源丰富，除西沙群岛的高尖石岛外，其余岛屿全是珊瑚岛1。珊瑚的主要成分为碳酸钙（CaCO3），含量达到 96%以上2，在很大程度上与天然石灰岩的成分相似，因此，珊瑚可以代替碎石作为粗骨料拌制珊瑚混凝土，为岛礁开发和基础设施建设提供一种新型的建筑材料，对实现“海洋强国”战略发展、推动建设海洋强国具有重要意义。21 世纪初，国内外开展了大规模的珊瑚混凝土研究，不同领域的专家学者针对珊瑚混凝土材料本身的性能进行了大量研究，取得了相应的成果3-4，然而在构件层面的研究与应用较少，这对于推进珊瑚混凝土的实际应用无疑是很大的阻碍，因此有必要针对珊瑚混凝土结构开展深入的研究。身处极端恶劣的岛礁环境，加上珊瑚本身的多孔性质，将珊瑚混凝土应用于结构当中，不可避免地要考虑钢筋的腐蚀问题。钢筋的腐蚀不仅会影响混凝土结构的耐久性，更会大大降低其承载力，造成巨大的安全隐患与经济损失5-6。因此，针对珊瑚混凝土梁中钢筋的腐蚀问题，国内外研究人员通过掺加阻锈剂7、采用新型耐腐钢筋8和纤维增强复合材料9（Fiber-Reinforced Polymer，FRP）筋等方式从防腐耐腐层面探究对珊瑚混凝土结构的影响。除了纤维筋、涂层钢筋等，东南大学的吴刚等10-11将传统钢筋与纤维筋复合发明了一种新型的材料SFCB，既保持了传统钢筋的弹模高、延性好的优点10，又继承了 FRP 筋的高强度、良好的耐腐蚀性等优势12，并形成一套完善的工业化生产体系，最终得到性能稳定、价格相对低廉的新型筋材。目前第1期关于 SFCB 的研究主要集中于普通混凝土结构，将珊瑚混凝土与 SFCB 结合，形成 SFCB 珊瑚混凝土梁，探究两者的结合能否完美地协同工作，对于推进珊瑚混凝土的应用研究进展与完善 SFCB 的研究具有一定的积极作用。混凝土梁在剪力作用下往往破坏突然且后果严重，其影响因素众多，承载机制复杂，至今未建立一套完整的理论体系13。目前关于 SFCB 混凝土梁的斜截面抗剪性能研究较少，利用 SFCB 增强珊瑚混凝土梁的抗剪性能研究尚未见报道。为了探究剪跨比对梁受剪性能的影响，本文设置 2 根无腹筋SFCB 珊瑚混凝土梁和 3 根有腹筋 SFCB 珊瑚混凝土梁，开展了斜截面抗剪性能试验，详细介绍了不同剪跨比下 SFCB 珊瑚混凝土梁裂缝发展情况、破坏形态、承载力、纵筋应变及挠度变化情况，并与其他种类筋材珊瑚混凝土梁进行了对比，为珊瑚混凝土结构应用研究和 SFCB 应用拓展提供参考。1试验概况1.1试件设计依据 GB500102010 混凝土结构设计规范（2015 版）及 JGJ122006 轻骨料混凝土结构技术规程 相关规定，结合工程实际，确定构件梁的相关设计参数。本试验选用现浇矩形截面梁，共设计珊瑚混凝土梁 5 根，其中有腹筋珊瑚混凝土梁 3 根，无腹筋梁 2 根。梁截面尺寸为 120 mm 250 mm 1 800 mm，计算跨度为 1 500 mm，混凝土保护层厚度取 25mm，混凝土设计强度等级均为C35。构件具体设计参数见表 1，编号方式为“S-剪跨比”，其中无腹筋梁编号方式为“SN-剪跨比”。试验梁下部纵筋均选用 2 根外包玄武岩纤维的SFCB，针对有腹筋梁，箍筋与架立筋均选用直径 6 mm 的玄武岩纤维复合增强（Basalt Fiber Reinforced Poly-mer，BFRP）筋，箍筋间距为 100 mm。梁的截面尺寸与配筋图如图 1 所示。同时为监测受力纵筋是否出现滑移，特将底部纵筋两端伸出梁体各 10 mm。防止梁端部发生局部破坏影响试验，在自由端采用直径为 6 mm 的 HRB400 级热轧带肋钢筋（Hot Ro-lled Ribbed Steel Bar，HRB）进行锚固。表 1试验梁各构件参数梁编号 受拉纵筋配筋率/%箍筋配箍率/%箍筋间距/mm剪跨比SN-12141.141001SN-22141.141002S-12141.146BFRP0.471001S-22141.146BFRP0.471002S-32141.146BFRP0.471003图 1梁截面尺寸与配筋图Steel150 mm250 mm1 500 mm150 mm1 800 mmBFRP 筋SFCB 筋120 mm250 mm2661002141.2原材料及性能试验以珊瑚、海砂作为粗细骨料，以鱼峰牌水泥作为胶凝材料，加入人工配制海水拌制珊瑚海水海砂混凝土。根据 GB/T 17431.22010 轻集料及其试验方法第二部分：轻集料试验方法 和 T/CECS 100902020 混凝土用珊瑚骨料 相关规定测试珊瑚粗骨料和海砂的基本性能，其中珊瑚粗骨料为 520 mm 连续级配，表观密度为 2 390 kg/m3，筒压强度为 2.39 MPa，氯离子含量为 0.14%；海砂表观密度为 2 580 kg/m3，氯离子含量为 0.07%，细度模数为 2.72，区级配，属于中砂。人工海水依据规范 ASTM D11412003 Standard Practice for thePreparation of Substitute Ocean Water 配制。减水剂选用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的通用型聚羧酸高性能减水剂，减水率为 23%。珊瑚、海砂、水泥、海水质量配合比为 1 1.160.71 0.41，浇筑试验梁的过程中同时制作立方体标准试块（边长为150mm）和棱柱体标准试块（150mm150mm 吴辉琴，等：不同剪跨比下 SFCB 珊瑚混凝土梁受剪行为研究89海洋技术学报第42卷300 mm）各 6 个，与试验梁同条件养护 28 d，综合考虑外界环境，在试验梁和试块上方遮盖塑料薄膜以减少水分的蒸发，每日分 3 次浇洒配置的人工海水，使其温度和湿度满足养护要求。对预留的试块严格按照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准 测试方法进行，珊瑚混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量测试结果见表 2，取其有效平均值作为本次试验测量结果。试验梁筋材相关参数及力学性能如表3 所示。1.3加载装置及测试加载方案的制定和装置的选用严格按照 GB/T501522012 混凝土结构试验方法标准 相关规定。采用四分点集中力加载方式，根据试验方案确定加载点位置。选用 ZB4-500 型电动油泵配合YBD300-160 顶举千斤顶作为施力装置，额定压力为 300 kN。分别在跨中、加载点、弯剪段中心和支座预先埋置光敏栅区，在表面粘贴应变片，采用GM8050C 光纤光栅调解仪和 JM3813 多功能静态应变仪采集筋材应变数据。分别在跨中、加载点、支座处布置位移传感器用以监测挠度变化，在梁两端凸出的筋材与混凝土表面同一水平面架设位移传感器用于监测受力纵筋滑移。在试验梁表面跨中、剪跨区粘贴应变片用以测量混凝土应变。采用 KON-FK（B）裂缝宽度监测仪测量各级荷载作用下裂缝宽度。试验现场加载装置如图 2 所示。采用分级加载方式，首先进行预实验，施加荷载 10 kN，持荷 5 min 并观察试验现场情况，检查试验装置是否正常工作。在梁开裂前，每级荷载为3 kN，之后每级荷载取 5 kN，直至试件完全破坏，持荷时间均为 5 min。测试内容为：裂缝发展过程、筋材应变、混凝土应变、试验梁挠度等。试验过程中实时观察现象并记录。2试验结果及分析2.1破坏形态及过程为了便于记录与描述，将试验梁根据浇筑面（非浇筑面）及加载现场方位将弯剪区划分不同的区域，以浇筑面为 a 面，非浇筑面为 b 面，最终形成（a，E）、（a，W）、（b，E）、（b，W）4 个区域。（1）=1梁 SN-1 发生斜压破坏。当 P=44.65 kN 时，在跨中与两加载点下端同时出现竖直裂缝，呈对称分布，裂缝宽度为 0.07 mm，长 5.5 cm。当 P=75 kN时，（b，E）端加载点左侧 7cm 处出现首条长 20cm、宽 0.12 mm 的弯剪斜裂缝，角度约 55左右。继续施加荷载弯剪斜裂缝开始向梁上端加载点延伸。当P=110 kN 时，纯弯区裂缝不再延伸，裂缝宽度有所增大但增长尤为缓慢。当 P=190kN 时，“砰”的一声斜裂缝宽度突然急剧增大，由 0.41 mm 迅速增至 0.76 mm。最终当 P=225.34 kN 时，（b，W）区大块混凝土崩溃破坏，荷载急速下降，试验梁宣告破坏，破坏斜裂缝沿支座至加载点方向呈 4050分布，裂缝长度为 34 cm。底部纵筋均出现滑移，最大滑移量为 2.07 cm。梁 SN-1 破坏形态如图 3（a）表 2珊瑚混凝土基本力学性能设计强度立方体抗压强度抗压强度劈裂抗拉强度 弹性模量LC3536.1038.004.7625 00040.0039.243.5324 90040.7638.563.6424 200平均值39.038.64.024 700表 3筋材参数及力学性能类型直径/mm内芯直径/mm纤维厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPaSFCB14104275531145BFRP 筋61 59962单位：MPa图 2试验加载装置支座应变片分配梁30 t 反力架液压千斤顶力传感器位移计90第1期所示。梁 S-1 发生斜压破坏。当 P=36.35 kN 时，在试验梁 W 端纯弯区距离加载点 15 cm 处出现首条长 5.3 cm、宽 0.07 cm 的竖直裂缝。当 P=71 kN时，（a，W）区出现首条弯剪斜裂缝，继续施加荷载，裂缝不断延伸，但宽度变化并不明显。当 P=119 kN 时，（b，W）区斜裂缝由支座完全延伸至加载点，斜裂缝宽度开始出现明显增大。当 P=140kN 时，试验梁 W 端弯剪区出现新的近乎笔直的55斜向裂缝，宽度为 0.33 mm，由梁下端弯剪区一半延伸至上端加载点。当 P=231.36 kN 时，伴随“砰”的一声，（b，W）区中下部混凝土崩开，内部箍筋裸露，箍筋角断裂，箍筋位置正好经过上述55斜裂缝区域