型钢再生混凝土梁受剪性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 7 期 2013 年 4 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 7 Apr 2013 型钢再生混凝土梁受剪性能试验研究 * 薛建阳 1， 王秀振1， 马 辉 1， 林建鹏1， 陈宗平2 ( 1 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055; 2 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004) 摘要为研究型钢再生混凝土梁的受剪性能， 进行了 10 根型钢再生混凝土梁和 2 根型钢普通混凝土梁的抗剪 性能试验， 考虑了再生粗骨料取代率、 剪跨比和混凝土强度 3 个影响因素。12 根试验梁中有 8 根发生剪切斜压破 坏， 4 根发生弯剪破坏。试验表明， 在型钢再生混凝土梁中配置一定数量的箍筋可避免剪切粘结破坏的发生， 型钢 再生混凝土梁与型钢普通混凝土梁受力过程相似， 且强度并没有明显降低。 关键词型钢再生混凝土;梁;受剪性能;试验研究 中图分类号: TU391， TU392. 5文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 07- 0069- 04 Experimental study on shear performance of steel reinforced recycled aggregate concrete beams Xue Jianyang1，Wang Xiuzhen1，Ma Hui1，Lin Jianpeng1，Chen Zongping2 ( 1 College of Civil Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China; 2 College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China) Abstract: In order to study the shear performance of steel reinforced recycled aggregate concrete beams，ten steel reinforced recycled aggregate concrete beams and two steel reinforced normal aggregate concrete beams were tested The replacement ratio of recycled coarse aggregate，the shear span ratio and the concrete strength were considered Among twelve testing beams，8 beams failed for shearing diagonal compression，and the other 4 beams failed for bending and shearing The test results show that the occurrence of shear adhesive failure can be avoided if a certain number of stirrups are set in steel reinforced recycled aggregate concrete beams In addition，steel recycled aggregate concrete beams have the similar stress process with the steel reinforced normal aggregate concrete beams，and the strength is not reduced significantly Keywords: steel reinforced recycled aggregate concrete;beam;shear performance;experimental study * 国家自然科学基金( 51178384) ， 住房和城乡建设部科学技术项目 ( 2012-K2- 12) ， 陕 西 省 留 学 人 员 科 技 活 动 择 优 项 目 ( 陕 外 专 发 2010 26 号) ， 陕西省教育厅科研计划项目( 12JK0902) 。 作者简介: 薛建阳， 教授， 博导， Email: jianyang_xue 163 com。 0引言 从资源节约和可持续发展的角度考虑， 再生混 凝土的研究和应用将成为今后结构工程界的热点， 国内 外 对 再 生 混 凝 土 及 其 结 构 也 有 了 一 些 研 究 1， 2。在型钢混凝土组合结构中引入再生混凝 土， 可以实现资源的节约利用， 达到组合结构的可持 续发展。型钢混凝土梁是结构中的重要构件， 其设 计合理与否直接影响到整体结构的可靠性。目前， 国内外关于普通型钢混凝土梁的力学性能进行了较 多研究 3- 5， 但对型钢再生混凝土梁受力性能的研 究尚属空白。因此， 本文进行了 10 根型钢再生混凝 土梁的试验， 研究了其受剪性能和特点， 为型钢再生 混凝土梁的设计提供参考。 1试验概况 1. 1 试件及主要参数设计 再生粗骨料的颗粒棱角多， 表面较粗糙， 包含相 当数量的硬化水泥砂浆。砂浆体中水泥石本身孔隙 比较大， 并且在破碎过程中内部不可避免会产生大 量裂纹， 所以再生粗骨料的吸水率比石子要大得多。 本次试验配合比设计中的单位用水量是在借鉴普通 混凝土配合比设计方法的基础上， 增加 10kg 来实 现。为使试验具有可对比性， 普通混凝土的配合比 采用同样的方法设计， 具体参数及用量见表 1。 再生混凝土配合比表 1 混凝土 强度 等级 再生 粗骨料 取代率 水灰比砂率 混凝土材料用量 /( kg/m3) 水泥砂 天然 粗骨料 再生 粗骨料 水 C35 C35 C35 C35 C50 C50 0 0. 3 0. 7 1 0 1 0. 41 0. 41 0. 41 0. 41 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 38 0. 38 500 500 500 500 641 641 542 542 542 542 590 590 1 153 807 346 0 964 0 0 346 807 1 153 0 964 205 205 205 205 205 205 共设计了 10 根型钢再生混凝土梁， 同时为作对 比， 设计了 2 根型钢普通混凝土梁。梁长有1 300， 1 600mm 两种。各试件的纵筋均通长布置， 所有纵 筋均选用18 钢筋， 拉、 压纵筋配筋率均为 1. 2% 。 箍筋沿梁全长等间距布置， 间距 100mm， 选用 6. 5 建筑结构2013 年 钢筋， 配箍率为 0. 32% 。 型钢为 I14， Q345 级热轧普 通工字钢， 截面配钢率 5% ， 型钢沿截面对称布置。 试件纵筋的混凝土保护层厚度 20mm， 型钢的 混凝土保护层厚度为 50mm。在试件浇筑时同时制 作尺寸为 150mm 150mm 150mm 的混凝土立方 体试块， 和试件在同条件下养护， 28d 后测试其抗压 强度。试件的基本设计参数及混凝土强度见表 2， 钢材材性试验结果见表 3， 试件配筋见图 1。 试验梁的设计参数表 2 试件 编号 再生粗骨料 取代率 /% 混凝土立方 体抗压强度 fcu/( N /mm2) 截面尺寸 b h/mm 剪跨比 纯弯段 /mm 跨长 l/mm SRRC- 1 SRRC- 2 SRRC- 3 SRRC- 4 SRRC- 5 SRRC- 6 SRRC- 7 SRRC- 8 SRRC- 9 SRRC- 10 SRRC- 11 SRRC- 12 30 30 30 70 70 70 100 100 100 0 100 0 39. 9 39. 9 39. 9 41. 0 41. 0 41. 0 41. 9 41. 9 41. 9 51. 4 54. 2 38. 6 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 180 240 1. 0 1. 4 1. 8 1. 0 1. 4 1. 8 1. 0 1. 4 1. 8 1. 0 1. 0 1. 0 520 340 440 520 340 440 520 340 440 520 520 520 1 000 1 000 1 300 1 000 1 000 1 300 1 000 1 000 1 300 1 000 1 000 1 000 钢材材性试验结果表 3 材料屈服强度 fy/( N /mm2)极限强度 fu/( N /mm2) 6. 5 钢筋339472 18 钢筋 373544 I14 型钢 327464 图 1试件配筋 1. 2 加载方案 试验在广西大学结构工程实验室进行。采用 100t 液压千斤顶， 对试件进行两点单调对称加载的 静力试验。试件屈服前按力控制加载， 屈服后按位 移控制加载。 1. 3 测试内容 试验中主要采集各测点的应变、 挠度以及裂缝 宽度。为测试应变， 在支座和集中荷载作用点之间 的型钢翼缘和腹板、 箍筋表面、 纵筋表面及构件外表 面的混凝土上粘贴电阻应变片， 通过 DH3819 静态 应变测试系统采集数据。挠度通过布置在支座的 2 个百分表及梁底跨中的 1 个百分表测量， 其布置 见图 2。梁开裂后， 用裂 缝仪测试裂缝宽度， 并观 察裂缝间距。在加载过 程中， 注意观察试验梁的 受力过程及受力性能， 记 录破坏形态和破坏特征， 图 2百分表布置 并绘制裂缝发展图。 2试验过程 本次试验， 除构件 SRRC- 3， SRRC- 6， SRRC- 9 和 SRRC- 5 因为剪跨比较大发生弯剪破坏外， 其余试件 均发生剪切斜压破坏， 这与现有文献中一般型钢混 凝土梁的破坏结果基本一致 6- 8。 试验表明: 型钢再生混凝土梁在加载初期， 由于 应力和应变都很小， 型钢、 纵筋及再生混凝土均处于 弹性工作状态， 型钢和再生混凝土能够共同工作， 截 面应变沿着高度呈线性变化， 梁变形很小。以试件 SRRC- 1 为例， 首先在梁加载点的正下方受拉区边缘 出现第一条微小的竖向裂缝; 约达到 20% 30% 极 限荷载时， 梁下部竖向裂缝逐渐发展为支座与加载 点连线方向的弯剪斜裂缝， 在梁腹板也会出现腹剪 斜裂缝; 随着荷载的增加， 这种斜裂缝向下延伸至支 座附近， 向上延伸至加载点附近， 最后发展成为主斜 裂缝。当荷载增加到接近极限荷载时， 主斜裂缝附 近出现新的与其大致平行的斜裂缝， 将梁分成若干 斜压杆。在梁中型钢屈服以后， 变形增长较快， 最后 裂缝之间的骨料咬合作用消失， 斜压杆混凝土被压 碎， 构件破坏。 发生弯剪破坏的梁( 如试件 SRRC- 3) ， 首先由 于混凝土受拉区边缘的应力达到抗拉强度而开裂， 出现竖向裂缝; 当裂缝发展到型钢翼缘时， 受到型钢 的约束， 因此变形的发展延缓， 裂缝的开展也受到抑 制; 随着荷载增加， 受拉区垂直裂缝逐渐发展为弯剪 斜裂缝， 主拉应力主要由型钢来承担。型钢剪切屈 服后， 箍筋和纵筋的应力增加较快。最后在剪应力 与正应力的共同作用下， 试件剪压区的混凝土达到 极限强度而被压碎， 试件破坏。 总体而言， 在本次型钢再生混凝土梁受剪性能 试验中， 由于在梁中型钢外围布置了适量的纵筋和 箍筋( 经承载力计算并符合构造要求) ， 构件上没有 出现明显贯通的水平劈裂裂缝， 因此试件没有明显 的剪切粘结破坏发生， 型钢与再生混凝土之间表现 出了良好的共同工作性能。型钢再生混凝土梁试件 发生典型受剪破坏形态， 如图 3 所示。 07 第 43 卷 第 7 期薛建阳， 等 型钢再生混凝土梁受剪性能试验研究 图 3试验梁的破坏形态 3试验结果及分析 3. 1 荷载- 挠度曲线 试验得到的型钢再生混凝土梁试件抗剪极限荷 载和极限挠度见表 4。 试验主要结果表 4 试件编号极限荷载 /kN极限挠度 /mm破坏形态 SRRC- 1318. 59. 8剪切斜压 SRRC- 2239. 03. 6剪切斜压 SRRC- 3184. 010. 0弯剪 SRRC- 4343. 011. 4剪切斜压 SRRC- 5245. 09. 7弯剪 SRRC- 6171. 53. 7弯剪 SRRC- 7324. 511. 4剪切斜压 SRRC- 8245. 011. 6剪切斜压 SRRC- 9177. 53. 4弯剪 SRRC- 10367. 511. 2剪切斜压 SRRC- 11367. 511. 9剪切斜压 SRRC- 12343. 08. 9剪切斜压 图 4 给出了型钢再生混凝土梁受剪荷载 P-挠 度 f 曲线。从图 4 可以看出: ( 1) 由于混凝土裂缝的开展受到型钢的约束作 用， P-f 曲线没有因为混凝土的开裂而产生明显的转 折， 梁的刚度没有明显降低。在型钢屈服前， 曲线基 本上保持线性， 直到型钢屈服后， 曲线才开始明显弯 曲。接近极限荷载时， P-f 曲线出现较为平缓的水 平段， 变形有较大的发展， 12 个构件均呈现出一定 的延性。 ( 2) 型钢再生混凝土梁的 P-f 曲线与型钢普通 混凝土梁没有明显不同， 表现出相同的变化规律。 3. 2 受剪承载力影响因素分析 试验选择再生粗骨料取代率、 剪跨比和混凝土 强度为变化参数， 以综合考虑其对型钢再生混凝土 图 4试件 P-f 曲线 梁受剪承载力的影响。 ( 1) 再生粗骨料取代率 将试件分为 3 组， 即 SRRC- 1， SRRC- 4， SRRC- 7; SRRC- 2， SRRC- 5， SRRC- 8; SRRC- 3， SRRC- 6， SRRC- 9 来进行分析。再生粗骨料取代率与试件受剪承载力 的关系如图 5 所示。由图可以看出， 随着再生粗骨 料取代率的增加， 试验梁的受剪承载力变化不大， 这 主要是因为通过合理的配合比设计， 再生混凝土的 强度能达到普通混凝土的强度， 而与再生粗骨料取 代率的关系不大。 图 5 对受剪承载力的影响 17 建筑结构2013 年 ( 2) 剪跨比 将试件分为 3 组， 通过 SRRC- 1 3， SRRC- 4 6 及 SRRC- 7 9 来进行分析。剪跨比与试件受剪承 载力的关系如图 6 所示。由图可以看出， 随着剪跨 比的增加， 试验梁的承载力降低很多， 可见剪跨比对 试验梁受剪承载力的影响较大。这是因为剪跨比本 身就反映了正应力与剪应力的相互关系， 即梁内应 力状态， 随着剪跨比的增加， 梁内正应力增加， 而剪 应力却降低。 图 6 对受剪承载力的影响 ( 3) 再生混凝土强度 fcu 将 试 件 分 为 2 组， 即 SRRC- 10， SRRC- 12 及 SRRC- 7， SRRC- 11 来进行分析。混凝土强度与试件 受剪承载力的关系如图 7 所示。由图可以看出， 随 着混凝土强度的增加， 试验梁的承载力增大。这是 因为型钢混凝土梁的受剪承载能力主要由型钢、 混 凝土和箍筋来提供。由于混凝土的强度直接影响到 型钢与混凝土的粘结强度及混凝土的受压强度， 故 无论试验梁发生哪种破坏， 混凝土的强度都直接影 响混凝土所承担的那部分剪力。 图 7fcu对受剪承载力的影响 从上述试验研究结果可知， 型钢再生混凝土梁 受力过程及破坏形态基本与普通型钢混凝土梁相类 似， 并且其承载力并无明显降低。这主要是因为试 验配制再生混凝土时保证了其强度， 使其所表现出 来的性能与普通混凝土较为类似。再生粗骨料取代 率对构件的承载力影响并不是很大， 这也说明通过 合理配合比设计的再生混凝土是完全能够满足结构 或构件的使用要求。剪跨比、 再生混凝土强度等级 等因素对梁构件承载力的影响规律与普通梁是基本 一样的， 这就使得在保证再生混凝土强度的前提下， 型钢再生混凝土梁的受力过程与普通梁是相类似 的， 且承载力无明显变化。同时也看到， 由于再生粗 骨料离散性较大， 采用不同再生粗骨料所得出的结 论也不尽相同， 因此， 在实际使用时， 要选取优质的 再生粗骨料以保证再生混凝土的强度。 4结论 ( 1) 型钢再生混凝土梁的斜裂缝发生和发展过 程及其破坏形态与型钢普通混凝土梁类似。在混凝 土强度相差不多而其他条件相同的条件下， 承载力 没有明显降低， 可见再生混凝土用于型钢混凝土组 合结构中是可行的。 ( 2) 型钢再生混凝土梁的斜截面主要发生剪切 斜压破坏和弯剪破坏。由于型钢外围箍筋的约束作 用， 构件不容易发生剪切粘结破坏。 ( 3) 由于型钢再生混凝土梁中的型钢具有较大 的抗剪刚度， 对斜裂缝的开展有较强的约束作用， 因而试验梁达到极限承载力以后， 仍能保持相当的 承载力和一定的变形能力。 参考文献 1 徐亦冬， 沈建生 再生混凝土高性能化的试验研究 J 混凝土，2007( 9) : 37- 41 2 肖建庄， 兰阳 再生混凝土梁抗剪性能试验研究J 结构工程师，2004，20( 6) : 54- 59 3 薛建阳 组合结构设计原理M 北京: 中国建筑工业 出版社，2010 4 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构M 北京: 科学出版 社，2001 5 GALAMBOSTVRecentresearchanddesign developmentsinsteelandcompositesteel-concrete structures in USAJConstructional Steel Research， 2000，55( 1) :289- 303 6 刘凡， 翁晓红， 邵永健 型钢轻骨料混凝土梁剪切性能 的试验研究J 工业建筑，2009，39( 5) : 56- 59 7 张伟军 型钢高强高性能混凝土梁抗剪承载力的计算 理论及设计方法研究J 哈尔滨工业大学学报: 自然 科学版， 2007，39( 2) :244- 247 8 张俊杰， 刘书贤 型钢轻骨料混凝土梁斜截面承载力 的试验研究J 混凝土，2005( 2) :39- 42 ( 上接第 4 页) 的承载力时， 应与墙肢有所区别， 即连梁的承载力要 求应低于同一性能目标下剪力墙的承载力要求。 参考文献 1 梁兴文， 邓明科， 李晓文， 等 钢筋混凝土高层建筑结 构基于 位 移 的 抗 震 设 计 方 法 研 究J 建 筑 结 构， 2006，36( 7) : 15- 22 2 GB 500112010 建筑抗震设计规范S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2010 27