腹筋对混凝土构件力学性能的影响试验研究_程新航.pdf

122工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言钢筋混凝土因其具有良好的强度、刚度和稳定性能，在工程中的应用越来越多。而腹筋能有效限制裂缝发展，进而提高混凝土构件极限承载能力，因此相关工程人员对其也逐渐重视。金浏等1通过三维数值模拟手段，研究了剪跨比和尺寸效应对混凝土梁的力学性能影响。王敬慈2针对有腹筋梁，通过静力加载试验，分析了通过纤维复合材料提高混凝土梁承载力的可行性。郑开启等3建立了有腹筋梁的力学分析模型，分析了剪切刚度的影响因素。宁建国等4研究了在强冲击荷载作用下钢筋混凝土的力学性能。金浏等5考虑到温度的作用，对混凝土结构在不同温度条件下的设计和施工方法做了总结。蒋德稳和邱洪兴6结合钢筋混凝土实际工作状态，对反复荷载作用下钢筋混凝土的疲劳特性做了研究。本文依托尼日利亚阿布贾城铁一期工程站房项目，通过试验手段研究了腹筋对轻骨料混凝土受剪力学特性的影响，将不同腹筋配筋率的轻骨料混凝土试件与素混凝土试件进行对比分析，从跨中挠度、裂缝发展和受剪承载力等角度，分析了腹筋在钢筋混凝土中发挥的作用。本文的研究成果在实际工程的设计和施工方面有一定的指导意义。1 试验概况1.1 试件设计混凝土深受弯构件广泛应用于项目中所涉及的房建和桥梁结构。采用的腹筋配筋率，能有效改善混凝土深受弯构件力学性能。本文依托尼日利亚阿布贾城铁一期工程站房项目，对试件进行设计。试验用到的深受弯混凝土试件的截面高度为 0.5m 和 1m，两组试件宽度均为 0.18m，截面高度 0.5m 的试件纵向长度为 2m，截面高度 1m 的试件纵向长度为 3m。其中每组包含 4 种不同腹筋配筋率的轻骨料混凝土试件，还包含一个对比试件为普通混凝土试件。将 4 个轻骨料混凝土试件的压杆有效腹筋配筋率设置为 0、0.28%、0.55%和 1.13%。试件主要参数如表 1 所示。为了减小试验误差，防止混凝土局部被压碎情况的发生，对支座位置和加载位置均进行了加固处理。腹筋对混凝土构件力学性能的影响试验研究程新航摘要：依托尼日利亚阿布贾城铁一期工程站房项目，通过试验手段研究了腹筋对轻骨料混凝土受剪力学特性的影响。将不同腹筋配筋率的轻骨料混凝土试件与素混凝土试件进行对比分析，从跨中挠度、裂缝发展和受剪承载力等角度，分析了腹筋在混凝土构件中发挥的作用。研究结果表明：配筋率为 1.13%时加筋效果最优，腹筋能对混凝土中荷载的传递路径进行优化，可以有效提高试件的承载力和刚度，减少跨中挠度变形。跨中挠度与截面高度呈负相关。名义抗剪强度由大到小依次为破坏阶段、服役阶段和斜裂阶段。随着截面高度的增加，各工况下的名义极限强度均出现减小，名义极限强度与截面高度呈现负相关关系。关键词：轻骨料混凝土；腹筋；尺寸效应；抗剪强度（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）表 1 主要参数编号横向腹筋竖向腹筋f c/MPafcu,100/MPa布置h/%布置v/%LC-500-000038.4851.32LC-500-0.28102500.1683000.220.2830.5240.62LC-500-0.55102000.4481500.380.5532.3843.34LC-500-1.13101000.768750.881.1338.3752.34NC-500-0.55102000.4481500.380.5534.2345.52LC-1000-0-0-0041.5255.12LC-1000-0.28103000.1683000.220.2832.1342.59LC-1000-0.55102000.4481500.380.5526.5235.32LC-1000-1.13101000.768750.881.1336.1448.05NC-1000-0.55102000.4481500.380.5539.3852.48CM&M 2023.011231.2 混凝土性能表 2 为试验所用混凝土配合比。其中，轻骨料混凝土通过页岩陶粒制作，表 3 为其物理参数。为使轻骨料混凝土充分发挥其特性，试验前将轻骨料进行预处理，使其达到饱和面干状态。表 4 为试验用到的钢筋力学参数。1.3 试验加载方案试验加载装置包含反力梁、千斤顶、传感器、分配梁、球铰和承台等部件，油压为 3000kN，加载方式为荷载-位移混合控制，采用单调分级加载模式。试验加载分为四个步骤：第一步，以 50kN 的荷载进行单级加载，加载速率为 10kN/min，持续到梁发生开裂。第二步，在梁开始开裂时，荷载降低至 30kN，持续 3min。第三步，梁开裂发生后，将荷载提高至 90kN，加载速率为 30kN/min，持续 2min。第四步，当施加的荷载接近梁预估承载力的 3/4左右，将控制方式由荷载控制改为位移控制，速率设置为0.3mm/min，持续到试件发生破坏。2 试验结果分析2.1 荷载-跨中挠度曲线图 1 展示了两种截面高度下的荷载-跨中挠度曲线。从图 1 可以看出，随着荷载的增大，试样跨中挠度呈现线性增加。从图 1a 可以看出，试验结束后跨中挠度最大的为腹筋配筋率 1.13%的试件，并在试验末期试件破坏后，跨中挠度未出现回弹现象。同一荷载下，素混凝土试件的挠度为最大。同种混凝土下，试件腹筋配筋率越大，挠度越小。而对比同一配筋率下不同混凝土的两种试件可看出，混凝土强度对跨中挠度也有影响，混凝土强度提升，试件承载力会相应提高，且其刚度伴随增加，挠度减小。观察图 1b 亦呈现出上文趋势。腹筋配筋率 0.28%和 0.55%的试样，相对于素混凝土试样变化不明显，这可能是由于腹筋较少，存在较大的腹筋间距，未能充分发挥出材料作用。对比图 1a 和图 1b 可发现，截面高度对跨中挠度也有影响。截面高度 1000mm 的试样挠度，明显大于截面 500mm的试样挠度，并且其跨中挠度在试验末期试件破坏后的回弹更小，基本无回弹，说明其延性较差。总体而言，在混凝土中加入腹筋，能有效提高试件的承载力和刚度，但是延性较差。这归结于腹筋能优化混凝土内荷载的传递路径，对混凝土变形提供了有效约束，因而可以提高试件的受剪承载力。2.2 特征荷载定义V/（fcbh0）为名义抗剪强度，图 2 展示了试样各表 2 土方路堤施工标准要求名称轻骨料粉煤灰中砂硅灰水泥水减水剂NC105242678644351525.5LC61242692644351506.7表 3 轻骨料力学性能筒压强度/MPa表观密度/(kg/m3)堆积密度/(kg/m3)1h 吸水率/%24h 吸水率/%7.016338683.86.5表 4 钢筋力学性能类别直径/mmfu/MPafy/MPaEc/GPa横向腹筋10578.72405.58202.52竖向腹筋8522.45398.72204.41纵筋25575.32405.86192.68纵筋22565.42408.64195.12图1 荷载-跨中挠度曲线图2 名义承载力与腹筋配筋率变化曲线b 截面高度1000mma 截面高度500mm跨中挠度/mm跨中挠度/mm荷载/kN荷载/kN腹筋配筋率/（/%）名义承载力/（V/fcbh0）124工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工图 4c 展示了横向腹筋应变随荷载变化情况。从图 4c 可以看出，横向腹筋亦出现上文所述趋势，且所有监测点的横向腹筋应变均未达到屈服。这是因为在试验初期，斜裂缝未出现时，主要荷载由混凝土承担，腹筋承担的荷载甚微，因此应变较小。而随着荷载的增加裂缝出现，腹筋开始承担一部分剪力，出现应变。但此时混凝土仍能承担一部分剪力，腹筋应变不大且增长速度较慢。而随着裂缝的继续发展，部分主斜裂缝附近的腹筋承担的剪力增大。此时这部分的腹筋应变急阶段名义抗剪承载力随腹筋配筋率变化的情况。从图 2 可以看出，各阶段的名义抗剪强度由大到小依次为破坏阶段、服役阶段和斜裂阶段。在三个阶段，腹筋配筋率相同时，截面高度 500mm 的试样名义抗剪强度，均大于截面高度1000mm 的名义抗剪强度。在破坏阶段，两组试样随着腹筋配筋率的提高，其名义抗剪强度增加，名义抗剪强度受腹筋配筋率影响较为显著。而在服役阶段和斜裂阶段，腹筋配筋率 0.28%和 0.55%时其名义抗剪强度提升不明显，甚至有所回降，但继续增大腹筋配筋率对服役阶段的试样名义抗剪强度提升幅度明显。分析认为，箍筋替混凝土分担了部分剪力，使其承担的剪力减小。腹筋能发挥出环箍作用，限制了混凝土的变形，增加了其刚度，进而提高了其名义抗剪强度。斜裂阶段两组试样名义抗剪强度受腹筋配筋率影响较小，随着腹筋配筋率的改变变化不大。这是由于该阶段斜裂缝的出现和发展，主要由混凝土的抗拉强度所决定，而在此阶段，腹筋发挥作用较小。2.3 钢筋应变图 3 展示了试件中钢筋应变监测点的布置情况。在纵向钢筋布置有 6 个监测点 L-1 至 L-6，腹筋布置有 16 个监测点，为竖向腹筋 8 个 V-1 至 V-8 和横向腹筋 8 个 H1 至H8。图 4 展示了试样编号为 LC-500-0.55 的钢筋应变随荷载变化的情况。图 4a 展示了纵筋应变随荷载变化情况。从图 4a 可以看出，随着荷载的增加，纵筋应变较小，在达到极限受剪承载力 Vu 前均未达到屈服应变，应变最大的为 L-2 即纵向长度600mm位置处，其次为L-2即纵向长度800mm位置处，试样两段纵筋的应变较小。此外，从图 4a 可以看出，纵筋应变出现了较为显著的转折。在试验加载初期阶段，纵筋的应变不明显，而开裂后出现增长且增长的斜率较为稳定。这说明拉杆作用机制有效，且纵筋配置过多，未达到屈服应变试件即发生破坏。图 4b 展示了竖向腹筋应变随荷载变化情况。从图 4b可以看出，在试验初期阶段，竖向腹筋应变较小，随着荷载的增加，V2 至 V7 处的竖向腹筋应变均出现转折，出现较为明显的应变增加。而 V2 处的竖向腹筋应变最为明显，在试件破坏前达到了屈服应变，其他监测点的竖向腹筋均未达到屈服。图3 钢筋应变监测点图4 钢筋应变随荷载变化曲线c 横向腹筋b 竖向腹筋a 纵筋应变/10-6应变/10-6应变/10-6荷载/kN荷载/kN屈服应变屈服应变屈服应变荷载/kNCM&M 2023.01125参考文献1 金浏,夏海,蒋轩昂,杜修力.剪跨比对 CFRP 加固无腹筋混凝 土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究 J.工程力学,2021,38(3):50-59+85.2 王敬慈.ECC/RC 组合有腹筋梁抗剪性能试验研究 D.扬州:扬州大学,2019.3 郑开启,刘钊,秦顺全,周满.有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析 模型 J.力学学报,2016,48(5):1136-1144.4 宁建国,周风华,王志华,等.强冲击载荷下钢筋混凝土的本构 关系、破坏机理与数值方法J.中国科学:技术科学,2016,46(4):323-331.5 金浏,张仁波,杜修力,刘晶波.温度对混凝土结构力学性能影 响的研究进展 J.土木工程学报,2021,54(3):1-18.6 蒋德稳,邱洪兴.重复荷载作用下钢筋混凝土锚固端黏结性能 试验研究 J.建筑结构学报,2012,33(9):127-135.速增长，甚至达到屈服。2.4 裂缝宽度图 5 展示了最大斜裂缝宽度随荷载变化的情况，图 5a 为截面高度500mm的试样，图5b为截面高度1000mm的试样。从图 5 可以看出，同一试样的斜裂缝宽度随荷载的增大而增加，呈现出线性趋势。同一荷载水平下，混凝土强度相同时，腹筋配筋率越高，裂缝宽度则越小。这说明腹筋在限制最大斜裂缝宽度方面发挥有积极的作用。混凝土强度提高，同一荷载水平下对应的斜裂缝宽度更小，混凝土强度亦能限制斜裂缝的发展。对比图 5a 和图 5b 发现，试样截面高度越高，最大斜裂缝宽度越大，且随着荷载水平的增加，裂缝发展速度较快，斜裂缝受试样截面尺寸的影响较为显著。2.5 尺寸效应图 6 展示了截面有效高度与名义极限强度的对应关系。从图 6 可以看出，随着截面高度的增加，各工况下的名义极限强度均出现减小，名义极限强度与截面