钢纤维混凝土韧性指数评价方法对比研究.pdf

第 3 7卷 第 l 2 期 建筑结构 2 0 0 7年 l 2月 钢纤维混凝土韧性指数评价方法对 比研究 卫明山 李利莎 郑全平 丁巧爱 ( 1总参工 程兵科研 三所 洛 阳 4 7 1 0 2 3 ； 2太原理 工大学0 3 0 0 2 4 ) 提要】 综合分析了国内外几种常用的评价钢纤维混凝土韧性指数的定义及其计算方法， 推导并分析了各种 韧性指数计算公式的物理含义。通过钢纤维混凝土标准受弯试件挠度试验结果的计算对比分析 ， 指出各种计 算方法的优缺点及适用范围， 给出了实际工程中的使用建议。 关键词】 钢纤维混凝土韧性指数对 比研究 C o mp a r a ti v e S t u d y o f E v a l u a t e Me t h o d f o r T o u g h l e s s F a c t o r o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e( S F RC) We i Mi n g s ha n ， Li L i s h a 2 ，Z h e n g Q u a n p i n g ，D i n g Q i a o a i ( 1 T h e T h i r d E n g i n e e r S c ie n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e o f t h e H e a d q u a a e rs o f t h e G e n e r a l S t a f f ， L u o y a n g 4 7 1 0 2 3 ， C h i n a ； 2 T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S e v e r a l d e fi n i t i o n s a n d c a l c u l a t i o n me t h o d s o f e v a l u a t i o n a d o p t e d w i d e l y t o t o u g h n e s s f a c t o r o f S t e e l F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e ( S F R C)w e r e s u m m a ri z e d ，v a r i o u s t o u ghn e s s f a c t o r c a l c u l a t i o n e x p r e s s i o n s p h y s i c s m e a n i n g w e r e d e d u c e d and a n a l y z e d T h o u g h t h e c o n t r a s t a n d a n a l y s i s o f r e s u l t s o f S F R C s t a n d a r d me mb e r i n b e n d i n g f l e x i b i l i t y t e s t ，man y c a l c u l a t i o n me t h o d s me ri t s a n d d r a w b a c k s a n d s c o p e o f a p p l i c a t i o n w e r e p o i n t e d o u t ，p e r f o r man c e s u g g e s t i o n s i n p r a c t i c e e n g i n e e ri n g we r e o f f e r e d K e y w o r d s ： S F R C ；t o u ghn e s s f a c t o r ； c o m p a r a t i v e s t u d y 0 引言 评价钢纤维混凝 土 的弯 曲韧性 ， 目前还没有 统一 的标准和方法u 。近年来 各 国主要 学术机构 相继提 出了自己的标准 和评价方 法 ， 有代表 性的有美 国混凝 土协会( AC I ) 5 4 4委员会 ( 弯曲韧性指数 ， ) 、 美 国材 料与试验协会 ( A S T M) C 1 0 1 8 ( 韧 性 指数 法) 、 日本 土木 工程协会标准 J S C E G 5 5 2 、 日本混凝 土协会标准 J C I S F 4 ( 同 J S C E G 5 5 2标 准 一致 ) 、 中 国工程建 设标 准协 会标 准 C E C S 1 3 ： 8 9等。这 些方 法可 以大致可 分为能 量法 、 能量 比值法 、 特征点法 、 强度法 。通过钢纤维混凝土标 准试件抗折试验结 果 的计算 对 比， 综合 分析 了这 些方 法的优缺点及适用 范围 ， 给 出了实 际工程应用 中的合 理建议 。 l 韧性指数 评价方法综述 美 国混凝土协会 ( AC I ) 5 4 4委员会提 出的钢纤维混 凝土试件弯曲韧性指 数 ， _ 3 的计算原 理如 图 1所 示。其 中 A为初裂 点 ， 为初裂 点挠 度 ， ， 为给定 的 特征挠度 ， 】b =1 1 6 0 。由于该方法 规定的标准试 件尺 寸为 1 0 01 0 03 5 0 ， 故 此 时特 征挠 度 】 b= 1 6 0= 1 8 7 5 1 9 mm。 T I为 O A B 区域 面 积 ， 为 A B D C区 域 面积 。定义韧性 指数 ，为跨 中挠度 为 。 时变形 能与跨中挠度 为 时变形能之比 ： ， = T l+ l ( 1 ) 美 国材料与试验 协会 ( AS T M) C 1 0 1 8韧性指数法l 4 90 图 1 A C I 5 4 4计算图 图2 A S T M C 1 0 1 8 韧性指数计算图 的计算原理如 图 2所 示。其 中 A为初裂 点 ， 为初裂 点挠 度 ， O D，O F， O H 分 别 为 3 ， 5 5 和 1 O 5 。 以 3 3 5 ， ， 1 0 5 3之前的荷载 挠度曲线下面积分别与 时 荷载 挠度 曲线下面积的比值定义韧 性指数 ， 对应地用 ， 5 ， l 0 ， 2 0 表 示 ， 即 鲁 ， l。 ： 鲁 ，20 ： 鲁 ( 2 ) 式 中 l ， ， 5 ，Tl os分别为 区域 O A B， 0 A C D， O A E F， O A G H 的面积 。， 5 ， ， l 0 ， ， 2 0 实际上也是一种变形能量 比 值 。该方法规定 的标准试件尺 寸也是 1 0 01 0 03 5 0 。 日本的 J S C E G 5 5 2 标 准_ 5 6 J 提 出的弯 曲韧性 指数 的计算原理如图 3 所示 。设 为试件加载至跨 中挠度 l b = 1 5 0 ( Z ：4 5 0时 ， =3 ； Z =3 0 0时 ， ：2 ) 时 的 平均荷载 ， 则直线 A B下面积等 于挠度 l 时的荷载 挠 度曲线下的面积 为 ： l b ( 3 ) 维普资讯 由材料力学理论 可知 ， 在平均 荷载 P作用下试件 下沿 中心点的弯曲正应力 为 i f ,= t b h ( 4 ) 将式( 3 ) 中 P代人式 ( 4 ) 得 i f,= T l b h 占 I b 由以上推导可知 ， J S C E G 5 5 2标 准将平均荷 载 作 用 下标准试件下沿中心点弯 曲正应力定义为弯 曲韧性 系数 ， 并用平均弯曲正应力 表示 = T l b h 占 lb ( 5 ) 式中 b ， h， f 分别为试件的宽 ， 高 ， 跨度。该方法规定的标 准试件有两种， 分别为 1 0 0 1 0 0 3 5 0 和 1 5 0 1 5 0 5 5 0 。 我国标准 C E C S 1 3 ： 8 9 l 7 计 算原理 如 图 4所示 。其 中 A为初 裂点 ， WF c r 为初裂点 挠度 ， O D， O F， O H分 别 为 3 F c ， 5 5 F c 和 1 5 5 F c 。 以 3 F c r ， 5 5 F c ， 1 5 5 之前 的荷 载一 挠 度 曲线 下面 积分别 与 时 荷载 挠度曲线下面积的比值定义 为韧性指数 ， 对应 地 用 叩 1 l15 ， 叩 m l 【 l ， q m 3 0 表示 ， 即 叩 5= O A C D面积 O A B面积 l o= O A E F面积 O A B面积 ( 6 ) 叩 栅 = O A G H面积 O A B面积 上式计算所用的标准试件也规定有两种 ， 分别 为 1 0 0 1 0 03 5 0和 1 5 01 5 0 5 5 0 。 图3 J S C E G 5 5 2 韧性系数计算图 图4 C E C S I 3 ： 8 9 韧性指数计算图 2 韧性指数评 价方法对 比分析 为分析上 述各 种 韧性 指数 的适 用 范 围及其 优 缺 点 ， 进行 了四组试验 ， 每组测定三个试件取平均值 。 试件按 C E C S 1 3 ： 8 9要求制 作 ， 尺 寸 为 1 5 01 5 0 5 5 0 。材料选用 P 0 4 2 5水 泥 ， 河砂 ， 碎石 ， 碎 石最大 粒 径 2 5 m m。钢纤 维采用赣 州大业金 属纤 维有 限公司 的 G S F 0 9 6 0 ， G S F 0 6 4 5 ， G S F 0 2 1 3弓形钢纤 维 ， 长径 比分别 为 6 5， 6 7 ， 7 5 ， 纤维长度分别为 6 0， 4 5， 2 0 mm， 三种 钢纤 维按 重量 比 1 ： 1 ： 1 混合掺人混凝 土基体 中。基体混凝 土标 号为 C 6 0 ， 配合 比为 ： 水泥 ： 水 ： 石子 ： 砂 ： 二氧 化硅 微粉 ： 粉煤灰 =1 ： 0 4 4： 2 9： 1 9 ： 0 1 3： 0 2 1 。减水 剂为 F D N 高效减水剂。 韧性指数试验采用三点弯曲试验 ( 跨 中单点加载 ) 进行测试 ， 此方法与三分 点加 载弯 曲试验 的荷 载换 算 关系为 2 ： 3 l 8 J ， 文 中荷载 数据未 经换 算 。试 验加 载设 备为 5 0 0 k N万能试 验机 ， 试 验荷 载 由压 力机 表盘示 数 读出 ， 在试件下沿 中心设置挠度计 以测量试件 挠度 ， 读 出荷载同时记 录跨 中挠度 。 试验得 到四条典 型的荷载 挠度曲线见 图 5 。使用 图5曲线根据 J S C E G 5 5 2及 C E C S 1 3 ： 8 9分别计算 了钢纤 维混凝土的韧性指数 。A C I T ， 要求 使用 1 0 01 0 0 3 5 0的试件 ， 但仍使用该 方法 计算 了 1 5 01 5 0 5 5 0尺 寸试件 的 ， 值 ， 与以上两种方法进行对 比。三种韧 性指数 的计算结果一并列于表 1 。 0 l 2 3 4 5 6 7 8 挠度 【 mm ) 图 5 典型钢纤维混凝土荷载 挠度 曲线 美国的 AC I T ， 韧性指数和 A S T M C 1 0 1 8韧性指 数以及我国标准 的韧性指数都是 材料弹塑性变形能 与 弹性变形能的比值 ， 均属于能量 比值法 。其 中 AC I T ， 韧性指数是试件达到特征挠度 占 I h = 1 6 0时的变形 能与初裂挠 度时 的变形能 之 比， 应用 比较方便 。由图 5 及表 1 的计算 结果可 以看 出 ， 荷 载 挠度 曲线 的下降 段越 平缓 ， ， 值 就越 大 ， 表示 材料 的塑 性变形 能力 越强 。由于仅采用 了 占 一个特征点 ， 所 以这种 方法应 用 比较简单 。但也正是 由于只有一个特征点 ， 并且 占 的取值缺乏依据 ， 所 以此法不能反映材料在 占 。 后的塑 性变形能力 ， 使得其使用范 围受到一定限制 。 美 国 A S T M C 1 0 1 8韧性 指数 和我 国 C E C S 1 3 ： 8 9韧 性指数采用 了多特征 点的变形能与初裂挠度变形能之 比 ， 这样做 的好 处在 于 ： 采用 3倍 和 5 5倍 初裂挠 度 ， 和设计 中常用的延性 比接近 ， 便于设计 应用 ， 同时可以 在比较宽的范围内考察材料 的增韧效 果 。同时 由于特 征点挠度是初裂挠度的倍 数 ， 确定初裂点 的偏离 、 测量 挠度 时的位置不准以及支座位移等误差 因素对韧性指 数值 的影 响较小 。对于理 想弹塑性材料 ， 由于其荷载 挠度 曲线在初裂 点后 为平 行于挠度 轴 的直线 ， 故容易 得到 P S T M C 1 0 1 8韧性 指数 ， s ， ， 2 o 分别 为 5 ，1 0 ， 2 0 ， C E C S 1 3 ： 8 9韧 性 指 数 叩 1l 15 ， 叩 m 1 【l ， 叩 TI l3 o 分 别 为 5， 1 0 ， 3 0 ； 对 于理想脆性 材料 ， 达到初 裂点后 材料立 即失效 ， 故上述系数 均 为 1 。显而 易见 ， 钢纤 维混凝 土 的韧性 指数越接 近理 想 弹塑性 材 料 的值 ， 则 增韧 效 果越好 。 所 以这两种方法 可以用来评价增 韧效果 。 91 m 如 蛐 如 柏 如 加 m 0 蚕 v旃埠 维普资讯 韧性指 数计算 结果 表 1 钢纤维掺量 O 1 2 3 A Cl 5 4 4 ， l 3 7 l 5 1 8 2 6 J S C E G 5 5 2 f o ( M P a ) 1 5 3 3 6 7 6 7 2 l O 1 4 rn 5 l 4 9 8 6 Ol 6 9 C E CS l 3： 8 9 m lO l 7 3 4 8 9 0 9 7 2 rT即 l l 2 9 0 l 5 6 8 l 6 6 4 从表 1可 以看 到 ， 随 着钢 纤维 掺 量 的增 加 ， 叩 ， ml 0， 0值 有不 同程 度 的提高 ， 这 反映 了 C E C S 1 3 ： 8 9 方法可 以通过三个特征点上的弹塑性变形 能比值 来评 价材料的韧性 ， 适用 范围 比较 大。并 且通过计 算结果 与理想弹塑性材料韧性 指数 的 比较 ， 可 以直观地得 到 材料 的增韧效果 ， 方便使用 。 以上三 种方 法都 与钢 纤维 混 凝土 的初 裂挠 度有 关 ， 因而确定初 裂点位 置的准确性 直接影 响韧性指数 计算的准确程度及韧性的准确评价 。人们 习惯把 肉眼 可见的裂缝 ( 0 0 2 m m) 出现时作为初裂点 。但 因肉眼观 测的局限 ， 实 际上难 以准确判断 ； 另一种方法是将荷载 挠度 曲线上升段 的斜率有 明显变化( 即由直线 向曲线 过渡点) 的点定为初裂点。但对混凝土而言 ， 此点并不 明显。 目前 比较 准确 的方 法是 超声 脉 冲法 和声 发射 法l 8 J ， 但这两 种 方法操 作起 来 比较 复杂 ， 实 际应用 较 少。因此， 初裂点难以准确判断 ， 使得韧性指数的计算 结果存在一定的偏差和随机性 。由图 5的曲线也可以 看出 ， 曲线上升段由直线 到曲线 的过渡 比较光滑 ， 所以 准确地确定过渡点并不容易 ， 并且会产 生不同的结果 。 经验表 明， 用上述三种方法计算韧性指 数时 ， 确定 的初 裂荷 载往 往 偏 低 。 日本的 J S C E G 5 5 2 标 准定义的弯 曲韧性系数实 质 是给定挠度为 时 的折算 平均抗 弯强 度。其优点 是 可以直接与抗 弯强度 相 比较来评 价材料 的增韧效 果 ， 与初裂强度无关 ， 应用方便 ， 适合评价形状不 同的钢纤 维对增韧效果 的影 响。从表 1中数据可 以直接得 到材 料韧性随混凝 土标号 和钢 纤维掺量 及型 号的变化 ， 所 以这种方法 用来进行材料研究是 比较合适 的。其 问题 在于其规定 l b ： 1 5 0的依据并不 充分 ， 由于 lb 和试 件尺寸相关 ， 其韧 性 系数 不能 避免 尺 寸效应 的影响。 另外 ， lb ：1 1 5 0 一般相当于 C E C S 1 3 ： 8 9 标准的3 5 倍初 裂挠度 ， 而此时材 料 尚有 很大 的变形 能力， 所 以， 根据 J S C E G 5 5 2 标准无法评价材料在 l b 后的增韧效果 。 3 结 论 ( 1 ) A C I T ， 韧性 指数 计算过 程简 单 ， 适合 于初 步了 解 材 料 的 增 韧 效 果。C E C S 1 3： 8 9韧 性 指 数 和 A S T M C 1 0 1 8方法是 能量 比值方法 ， 能反映钢纤维混凝 土 的实际工作 状态 ， 可 以在较大 的变形 范 围内评价材 料 的增韧效果 ， 受试件 形状 ， 尺寸 的影 响较小 ， 可在设 计 中采用。 ( 2 ) J S C E G 5 5 2方 法和 J C I S F 4标 准属 于强度方法 。 其韧性指数计算值可以与抗弯强度相 比较从 而直接评 价材料 的增韧效果 ， 与初裂强度无关 ， 应用方便 ， 适合在 材料研究中评价不同材料和配 比对增韧效果的影 响。 ( 3 ) 由于试验和计算方法不同 ， 对钢 纤维混凝土韧 性的判断和结 果有很大 差异。所 以， 在评 价钢纤维 混 凝土韧性 时， 应使用同一计算方法 。 参 考 文 献 1 黄承逵 纤维混凝 土结构 M 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 2 林小松 ， 杨果林 钢纤维高强 与超 高强混凝土 M 北京 ： 科学 出版社， 2 0 0 2 3 A C 1 5 4 4 2 R 8 9 Me a s u r e m e n t o f P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e S A C I M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e P a r t 6 A m e ri c a n C o n c ret e I n s ti t u t e ， 2 0 0 2 4 A S T M C 1 0 1 8 9 7 S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r F l e x u r a l T o u g h n e s s a n d F ir s t - C r a c k S t r e n g t h o f F i b e r - R e in f o r c e d C o n c r e t e( U s i n g Be a m wi t h T h i r d P o i n t L o a d i n g ) s 1 9 9 7 5 J S C E G 5 5 2 1 9 9 9 鲷徽雉楠强 j二 夕I J 曲c 强度挡 上 曲 c 于夕7 丰 弑验方法 s 日本土木学会 ： j、夕 IJ 檩荤示 方害 2 0 0 2 6 J C I S t a n d a r d s for T e s t M e t h o d s o f F i b e r R e i nf o r c e d C o n c r e t e S J C 1 S F 4，J a p a n C o n c r e t e I n s t it u t e ， 1 9 8 4 7 钢纤维混凝土试 验方法 ( C E C S 1 3 ： 8 9 ) S 北 京： 中国计 划出版 社 。 1 9 9 3 8 秦鸿根 ， 陆春林 ， 孙伟 钢纤维混凝土初 裂点的判断及韧性指标 的研究方法 J 混凝 土与水泥制品 ， 1 9 9 1 ， ( 2 ) ： 4 6 ( 上接第 3 5页) ( 3 ) 弹塑性 纤维模 型适用 于复杂结构 在罕遇地 震 作用下的弹塑性时程分析和弹塑性静力分析 。 参 考 文 献 1H 1 L E R B O R G A，M MO D E E R，P E P E T E R S S O NA n al y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o wt h i n c o n c r e t e b y me an s o f f r a c t u r e me c h ani c s a n d fi n i t e e l e m e n t s l J j C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 6 【 2 j L E E J ，G L F E N V E S P l a s t ic d a m a g e m o d e l fo r c y c l i c l o a d i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s J J o u rna l o f E n g i n e e ri n g M e c h a n i c s ，1 2 4 ( 8 ) 【 3 J L U B L 1 N E R J ， J O L I V E R ，S O L L E R， e t a1A p l a s t i c - d a m a g e m ode l fo r c o n c r e t e l J j I n t e rna t i o n al J o u r n al o f S o l i d s a n d S t ruc t u r e s 2 5 5 1 4 J A B A Q U S l n c A B A Q U S U s e r Ma n u s 1 2 0 0 6 9 2 5聂利英 ， 李建中， 范 立础 弹塑性 纤维梁柱单元 及其单元参 数 分析 J 工程力学 ， 2 0 0 4 ( 6 ) 6杨志勇 ， 黄吉锋等 钢 混凝土结构罕遇地弹塑性静 、 动力分析 方法 J 建筑结构 ， 2 0 0 6 ( 6 ) 7秦从律， 张爱晖 基 于截面纤 维模 型的弹 塑性时 程分析方 法 J 浙江大学学报 ( 工学版) 2 0 0 5 ( 7 ) 8K A WA S H 1 M A K， WA T A N A B E G， H A Y A K A WA R S e i s m i c perf o r m a n c e o f R C b ri d g e c o l u m n s s u e c t ed t o b i l a t e r a l e x i t a t i o n J J o u rnal o f Ea r t h q u a k e En g i n e e ri n g，2 0 0 4， 8 ( 4) 9王强 基于离散单 元法的钢筋混凝 土框架结构 非线性与地震 倒塌反应分析 D 上海： 同济大学 ， 2 0 0 5 1 0 李志山 ， 容柏生 高层建筑结构在罕遇地震影响下的 弹塑性 时 程分析研究 J 建筑结构 ， 2 0 0 6 ( 6 S 1 ) 维普资讯