纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响_曹霞.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（）；广西建筑新能源与节能重点实验室项目（桂科能 ）通讯作者：邓小芳（），女，湖北武汉人，桂林理工大学讲师，博士；：。引文格式：曹霞，张维佳，邓小芳，等纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响广西大学学报（自然科学版），（）：纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响曹霞，张维佳，邓小芳，任义成，张猛（桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 ；广东理工学院 建设学院，广东 肇庆 ；桂林理工大学 基建后勤处，广西 桂林 ）摘要：为了研究超高性能混凝土梁的受弯性能，分析其破坏形态、裂缝、挠度及承载力，探讨配筋率、纵筋种类（筋和 级钢筋）对超高性能混凝土梁受弯性能的影响，对根超高性能混凝土简支梁进行受弯试验。结果表明：相同配筋率下，筋梁的开裂荷载小于 级钢筋梁的，开裂后其裂缝发展速度、刚度退化速度均比 级钢筋梁快，而极限荷载大于 级钢筋梁的；筋、级钢筋梁的延性均随配筋率的增大而减小，且 筋梁的延性差于 级钢筋梁的，但 筋梁的断裂韧度大于 级钢筋梁的。对比各国规范对超高性能混凝土梁承载力的计算式，给出计算的适用性建议。关键词：超高性能混凝土；玻璃纤维筋；钢筋；受弯性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：（），（），第期曹霞，等：纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响 ，：；引言超高性能混凝土（，）是一种新型水泥基材料，具有优异的力学性能，广泛应用于桥梁、市政、海洋等工程，已有很多学者对 梁的受弯性能进行了研究。金凌志等对 级钢筋活性粉末混凝土简支梁进行受弯试验研究，分析了配筋率、钢筋直径和钢筋等级等参数对试验梁的裂缝分布和宽度的影响，并在计算高强钢筋活性粉末混凝土梁正截面承载力时考虑活性粉末混凝土的抗拉强度和钢纤维的拉结作用，将受拉区等效塑性系数取为 。危春根等对不同配筋形式的 梁进行试验研究，结果表明，在相同配筋率下，较普通配筋和预应力配筋，钢板配筋可有效限制裂缝的发展，但对开裂荷载影响较小。将玻璃纤维筋（，）与 相结合，利用 的超高强度，发挥 筋的高强特性，且 中错乱分布的钢纤维能够抑制受弯构件内部微裂缝的发展，改善 筋受弯构件的性能。李春霞等、等认为增加 筋的配筋率，可以提高试验梁的受弯能力、降低截面挠度；张鑫对 筋混凝土梁进行静力加载试验，提出 筋混凝土梁在正常使用阶段的首要控制因素为跨中位移值 ；高丹盈等通过对玻璃纤维筋梁和混凝土梁的弯曲试验，分析玻璃纤维筋类型、配筋率对裂缝间距、宽度、挠度的影响；等提出提高混凝土强度有助于发挥 筋的高强特性，提高试验梁开裂后的刚度。筋具有轻质、高强、耐腐蚀性好等优异特点，使 筋在一定环境下能够更好地替代 级钢筋在混凝土中的作用 ；然而 筋的弹性模量低于 级钢筋的，开裂后 筋受弯构件裂缝发展、刚度退化速度较快，呈脆性破坏，影响了使用性能 ，因此 筋 梁与 级钢筋 梁在延性、挠度、承载力等受弯性能上的不同还需进一步研究。基于此，本文通过根 筋 梁、根 级钢筋 梁，分析配筋率、纵筋种类对 梁受弯性能的影响。试验 试验材料性能 的配合比见表。钢纤维采用光滑平直型镀铜钢纤维，直径为 ，长度为，钢纤维体积掺量为，的力学性能见表。表 配合比 材料配合比材料配合比 硅酸盐水泥硅灰 粗砂减水剂 中砂水 细砂钢纤维 注：钢纤维为体积比，其余均为质量比。广西大学学报（自然科学版）第 卷表 力学性能 注：为立方体轴心抗压强度，为圆柱体抗压强度，为棱柱体轴心抗压强度，为抗拉强度，为抗折强度，为 弹性模量。按照 金属材料拉伸试验方法（）及 土木工程用玻璃纤维增强筋（）规定，对 筋和 级钢筋进行拉伸试验，其力学性能指标见表。表 筋、级钢筋力学性能指标 类别 筋 级钢筋 注：为直径，为屈服强度，为极限强度，为弹性模量。试验方案通过根试验梁的加载试验，分析纵筋种类、配筋率对 梁受弯性能的影响。试验梁净跨为 ，截面尺寸为 （宽度长度），保护层厚度为，受拉纵筋分别为 筋和 级钢筋，配筋率分别为 、，箍筋采用 级钢筋，试验梁纯弯段均未布置上部架力筋。钢筋、混凝土应变片布置图如图所示，梁主要参数见表，试验梁截面尺寸及配筋如图所示。图钢筋、混凝土应变片布置图 表 梁主要参数 试验梁编号纵筋类型长度净跨截面尺寸纵筋配筋率弯剪区箍筋 第期曹霞，等：纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响图试验梁截面尺寸及配筋图 测点布置试验梁两端为简支，采用 的液压千斤顶和分配梁施加对称集中荷载。加载试验参照 混凝土结构试验方法标准（）进行，位移计的布置及静力加载示意如图所示。图静力加载示意图 试验现象及结果分析 试验现象 筋、级钢筋 梁破坏形态及裂缝分布如图所示。由图 可见，筋 梁均为受拉破坏，即受拉 筋被拉断、破裂，但受压区边缘 尚未达到极限压应变，未被压坏；级钢筋 梁均为适筋破坏，即受拉钢筋屈服，受压区混凝土剥落。虽然梁的几何形状、边界和加载条件对称，但试验梁的破坏裂缝均略微弯曲且偏离梁中心线，这是因为 中乱向分布的钢纤维，使得裂缝尖端应力变得复杂，局部抗拉强度和断裂韧度变得不均匀。加载初期，由于弯矩较小，混凝土尚未开裂，梁处于线弹性阶段，基体强度为此阶段可获得的最大抗弯强度，试验梁的跨中挠度呈线性变化，而钢纤维对于整个结构性能贡献较小。混凝土基体开裂阶段，试验梁纯弯段出现微裂缝，继续施加荷载，梁不断新增裂缝且裂缝向受压区延伸发展，微裂缝逐渐合并成一条主要破坏裂缝。裂缝之间由 筋（级钢筋）和钢纤维连接，由于钢纤维、筋（级钢筋）与混凝土基体的结合，破坏裂缝在这一阶段缓慢增大，导致一定程度上的应变硬化。随着裂缝宽度的增加，钢纤维不再承受拉应力，经过相当大的挠度后，试验梁广西大学学报（自然科学版）第 卷出现了主要破坏裂缝，此阶段 筋、级钢筋 梁的破坏模态不同。当 梁达到极限弯矩时，筋 梁的破坏裂缝宽度突然增大，筋被撕裂，试验梁呈脆性破坏；而 级钢筋 梁能够继续承担较高荷载，破坏裂缝宽度缓慢增大，试验梁呈延性破坏。图试验梁裂缝形态及破坏模态图 平截面假定各试验梁跨中沿截面高度混凝土应变曲线如图所示。试验梁开裂前，所有 受弯梁的应变与截面高度呈线性关系，符合平截面假定，纵筋种类、配筋率对 受弯梁的中和轴影响较小。其主要原因是试验梁开裂之前主要由混凝土基体受力，并未发挥 筋、级钢筋的作用；同时由于 各组成材料间界面初始裂缝少和钢纤维的桥接作用，的裂缝发展较为缓慢，因此试验梁的中和轴高度基本保持一致。当试验梁开裂后，筋、级钢筋 梁的中和轴迅速上升。相同配筋率下，相较 级钢筋 梁，筋 梁中和轴上升较快。（）（）第期曹霞，等：纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响（）（）图各试验梁跨中沿截面高度混凝土应变曲线 开裂行为分析各试验梁裂缝数量、平均裂缝间、最大裂缝宽度距如图所示。图 梁裂缝数量、平均裂缝间距、最大裂缝宽度 ，广西大学学报（自然科学版）第 卷各试验梁的平均裂缝间距随着荷载的增大而减小，裂缝数量随着荷载的增大而增多。在相同的荷载下，筋、级钢筋 梁的裂缝数量随着配筋率的增大而减少，这是因为增大配筋率可有效提高试验梁的刚度，减少裂缝数量。在相同的配筋率下，级钢筋 梁的裂缝数量多于 筋 梁的，说明 级钢筋与 基体之间的黏结性能比 筋与 基体之间的黏结性好，筋无法有效的促进 梁开裂后的内力重分布，抑制裂缝宽度的发展及促进 梁多重 开裂 行 为，也 使 得 筋 梁 的 最 大 裂 缝 宽 度 大 于 相 同 配 筋 率 的 级钢筋 梁的。各试验梁的最大裂缝宽度随着荷载的提高而增大。荷载相同时，筋、级钢筋 梁的最大裂缝宽度随着配筋率的增加而减小，表明配筋率的增加能够有效抑制混凝土的开裂；在相同荷载、配筋率时，级钢筋 梁的最大裂缝宽度小于 筋 梁的，其原因是 级钢筋的弹性模量大于 筋的，使得在相同荷载下 级钢筋的应变更小。断裂韧度分析断裂韧度 表示构件抵抗裂缝失稳扩展的能力，是在裂缝失稳扩展时的临界应力场强度因子。本文参考文献 中提出的方法计算 梁的断裂韧度，（），（），（）（）（）（）（）（），（）式中：为弯矩；、分别为试验梁截面宽度、高度；为荷载；为等效弯曲强度，其计算参考文献 中建议的公式，为临界裂缝扩展长度。断裂韧度对比图如图所示，断裂韧度试验结果见表。由图可见，配筋率相同时，筋 梁的断裂韧度均大于 级钢筋 梁的。这是因为试验梁的尺寸相同，在计算断裂韧度时其结果主要取决于等效弯曲强度与临界裂缝扩展长度。直径相同时，筋的抗拉强度大于 级钢筋的，使 筋 梁的极限承载力大于 级钢筋 梁的，根据式（）计算 筋梁的大于 级钢筋梁的等效弯曲强度，但 筋梁与 级钢筋梁的临界裂缝扩展长度相近，导致 筋梁的断裂韧度大于 级钢筋梁的。表试验结果与断裂韧度 编号 （）（）破坏模式 受拉破坏 受拉破坏 适筋破坏 适筋破坏注：为开裂荷载，为极限荷载，为极限弯矩，为等效弯曲强度，为裂缝扩展长度，为断裂韧度计算值。钢筋应变分析 筋、级钢筋 梁跨中处纵筋应变如图所示。从加载至开裂初期，筋、级钢筋 梁的荷载与跨中应变均线性相关。随着荷载的增大，梁的荷载应变曲线斜率降低，但仍呈线性关系，这也与 节荷载挠度变化情况一致。第期曹霞，等：纵筋种类对超高性能混凝土梁受弯性能的影响荷载相同时，筋、级钢筋 梁的纵筋应变随配筋率的增大而减小，表明增大配筋率可提高 梁的刚度。配筋率相同时，筋的极限应变均大于 级钢筋的；荷载、配筋率相同时，筋 梁的纵筋应变均大于 级钢筋 梁的。开裂后，配筋率相同时 筋 梁的跨中纵筋应变曲线的斜率明显小于 级钢筋 梁的，表明开裂后 级钢筋 梁的刚度明显大于 筋 梁的，这是因为 筋的弹性模量低于 级钢筋的。图断裂韧度对比图 图 梁跨中截面荷载 纵筋应变曲线 挠度、延性及承载力分析 挠度分析 试验梁荷载 跨中挠度曲线如图所示，由图可见，混凝土开裂前，筋、级钢筋 梁的荷载与挠度均呈线性关系；开裂后，梁刚度有所降低，曲线斜率变小，荷载与挠度曲线仍呈线性关系。临近极限荷载，相比 筋 梁，级钢筋 梁的挠度存在屈服阶段，即荷载基本保持不变，而挠度迅速增大。图 试验梁荷载 跨中挠度曲线 筋、级钢筋 梁的最大挠度并未随着配筋率的提高表现出明显变化，表明在较小范围内配筋率的变化对 的变形能力影响较小，但在达到极限荷载前，同一荷载水 平 时，筋、级钢筋 梁的挠度均随配筋率的增大而减小，表明配筋 率 的 提 高可 以 提 高 梁的刚度，其中随着配筋率的增大 筋 梁的挠度变化比 级钢筋 梁的挠度变化更明显。在较高相同荷载、配筋率下，筋 梁的挠度均比相对应的 级钢筋 梁的大，这是因为相比 级钢筋，筋弹性模量较小，降低了 梁的抗弯刚度，这也是开裂广西大学学报（自然科学版）第 卷后，相比 级钢筋 梁，筋 梁的荷载挠度曲线斜率较小的原因。在开裂前 试验梁主要是由混凝土来承受荷载，级钢筋 梁与 筋 梁的刚度基本一致，开裂后 梁所承 担 的 荷 载 由 混 凝 土 逐 渐 转 移 到 钢 筋 上，筋 的 弹 性 模 量 小 于 级钢筋的，因此荷载相同时 筋 梁的变形较大。延性分析钢纤维可提高 的延性，且 筋的力学性能呈线弹性，因此传统延性计算方法不适用 筋 梁。本文采用基于能量的方法计算延性，如式（）、（）所示。图（）表示由 等 提出的计算能量的 筋混凝土梁的荷载 挠度曲线示意图，由 等 提出的计算能量的钢筋混凝土梁的荷载 挠度曲线示意图如图 所示，由图可见曲线斜率分别由初始斜率及其对应荷载（和），割线斜率及其对应荷载（和）确定。由于 筋 梁的荷载挠度曲线基本呈双线性，因此取、（见表、图（）；由于 级钢筋 梁荷载挠度曲线存在屈服阶段，因此取（见表、图（）。（），（）（），（）式中：为延性系数；为总能量，即达到峰值荷载时荷载 挠度曲线所包含的面积，等于图 中；为弹性储能，是总能量中的一部分，等于图 中，所有试验梁的挠度及延性系数见表。（）基于能量法计算 筋混凝土梁荷载 挠度示意图（）基于能量法计算钢筋混凝土梁荷载 挠度示意图图 基于能量法计算的混凝土梁荷载 挠度曲线