钢纤维高强混凝土承台裂缝与破坏形态分析.pdf

第 3 3卷第 l 2期 2 0 1 1年 l 2月 人民黄河 YELL0W RI VER V0 1 3 3 No 1 2 D e c 2 0l l 【 水利水 电工程 】 钢纤维高强混凝土承台裂缝与破坏形态分析 雷 杰 ， 高丹盈 ， 樊 华 ( 1 郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ； 2 河南省水利勘测设计研究有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 1 6 ) 摘要： 通过钢筋钢纤维高强混凝土四桩桩基承 台模型试验， 分析了承 台从加载到破坏全过程裂缝的发展规律， 包括承 台侧面、 底面、 顶面裂缝的出现 ， 裂缝的发展和裂缝宽度的变化以及破坏时裂缝的分布形态。结果表明： 钢筋钢纤维高强 混凝土四桩承台裂缝形态随着钢纤维体积率、 配筋率、 配筋方式的不同而变化， 承台破坏时呈现 出弯曲破坏构件的裂缝 特征 。 关键词 ：高强混凝土 ；钢 纤维 ；裂缝形 态；承 台 中图分类号：T U 5 2 8 3 l 文献标识码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 1 1 2 0 4 2 Cr a c k De v e l o p me n t a n d Da ma g e An a l y s i s o f S t e e l Fi b e r Re i n f o r c e d Hi g h St r e ng t h Co n c r e t e Pi l e Ca ps L E I J i e ，G AO Da n y i n g ，F AN Hu a ( 1 C o l l e g e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d En v i r o n me n t E n g i n e e r i n g， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ，C h i n a； 2 H e n a n W a t e rP o w e r E n g i nee r i n g C o n s u l t i n g C o L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6， C h i n a) Abs t r a c t ：B a s e d o n t h e e x p e rime n t s o f mo d e l s p e c i me n s o f S F HS C f o u r p i l e c a p s，t h e d e v e l o p me n t l a w o f c r a c k t h a t O c c u r s f r o m i n i t i a l l o a d i n g t o d a ma g e l o a d wa s fou n d o u t ，wh i c h c l a r i fi e d t h e c r a c k a p p e a r a n c e ，c r a c k d e v e l o p me n t ，c r a c k p a t t e r n o n f a i l u r e a n d t h e c h an g i n g o f c r a c k wi d t h，i n c l u d i n g t h e s u r f a c e c r a c k a t t h e s i d e，t o p o r b o t t o m o f t h e p i l e c a p T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e c r a c k p a t t e rn v a rie s wi t h t h e v o l u me f r a c t i o n o f s t e e l f i b e r ，t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o o f p i l e c a p a n d t h e rei nfo r c e me n t l a y o u t W h e n t h e p i l e c a p s a r e d e s t r o y e d，i t a p p e a r s t h e d i s t rib u t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e b e n d i n g f a i l u r e c o mp o n e n t s Ke y wo r d s ：h i 曲 s t r e n g t h c o n c r e t e ；s t e e l fi b e r ； c r a c k f o r m； p i l e c a p s 桩基础以其承载力高、 可减少地基不均匀沉降和抗震性能 好等优点， 在高层建筑、 桥梁 、 港口码头等工程中得到了广泛的 应用。承台作为桩基础中承上启下的关键受力构件， 一直受到 工程界的关注。近年来， 超高层建筑、 重载桥梁及大型渡槽等 水工建筑的涌现对桩基础及承台的受力性能提出了更高的要 求。由于高强混凝土构件具有较高的强度和刚度、 结构 自重 轻、 材料致密坚实， 抗渗性能和抗冻性能等也优于普通强度混 凝土 ， 掺入钢纤维能有效抑制高强混凝土的早期开裂 、 克服 其延性差的弱点 ， 因此采用钢筋钢纤维高强 昆 凝土是提高承台 承载力及其抗裂 、 抗剪、 抗震性能的有效方法之一。但迄今为 止， 关于承台的研究尚限于混凝土强度等级为 C 4 0以下的普通 强度混凝土和钢纤维混凝土承台， 对于混凝土强度等级为 C A O 以上的承台鲜有研究， 因此开展这类承台试验研究和理论分析 具有重要意义和经济价值。 笔者通过对具有不同参数的承台试件进行试验 ， 研究承台 从加载到破坏全过程裂缝的发展规律， 主要对承台侧面、 底面、 顶面裂缝的出现、 裂缝的发展和裂缝宽度的变化 以及破坏时裂 缝的分布形态进行了全面观测和分析， 从裂缝开展角度对钢筋 钢纤维高强混凝土承台破坏形态进行了分析。 1 1 8 1 试验概况 1 1 试件设计 钢筋钢纤维高强混凝土四桩承台试件考虑了承台厚度、 纤 维体积率、 混凝土强度、 配筋率 4类主要变化参数， 同时考虑到 均匀布筋 、 桩径配筋方式 的影响 ， 共组成 6个系列 l 7个承 台试 件 。承 台平 面均 为 7 0 0 m m 7 0 0 mm 的正方 形 ， 厚度 为 1 5 0 4 0 0 fi l m， 底部配置双向布置的 H P B 2 3 5级钢筋， 钢筋直径分别 为 8 、 1 0 、 1 2 m lT l ， 钢纤维体积率P 分别为 0 、 0 5 、 1 0 、 1 5 。 承台上部的柱头采用尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 m m的方 柱， 材料与承台试件相 同， 配置 4 6 1 2纵筋( H R B 3 3 5级 ) ， 3 0 m i l l 箍筋， 短柱与承 台整体现浇在一起。桩采用直径 1 1 0 m m的圆钢轴模拟 ， 桩中心距为4 4 0 m m， 圆钢轴和承台之间用 细砂找平。承台混凝土强度为 C A0一C 8 0 ， 混凝土保护层底部 厚度为 4 0 m m， 其他 部位 厚 2 5 m m。试 件 采用 4 2 5级 或 收稿 日期 ： 2 01 1 0 9 - 0 7 基金项目： 教育部高等学校博士点基金项目( 2 0 0 6 0 4 5 9 0 0 5 ) 。 作者简介： 雷杰( 1 9 7 3 一) ， 男， 河南荥阳人， 高级工程师， 博士研究生， 主要从事 水 工结构设计和 纤维混凝 土研 究工作 。 E ma i l ： l e i j i e 2 0 1 0 1 2 6 c o rn 人 民 黄 河2 0 1 1年第 1 2期 3 2 5级 ( 仅用 于 C A 0混 凝 土 ) 普通 硅 酸 盐水 泥 、 中砂 、 l 02 0 mm碎石、 F D N一 1型高效减水剂， 在制作 C 8 0强度试件时再加 入纯度为 9 7 的硅粉 ， 纤维采用 R C一 6 5 3 5一B N 的 D r a mi x 钢 纤维， 按照 纤维混凝土结构技术规程 计算试配选定承台 的配合比， 自然养护至规定龄期。承台平面布置及配筋见图 l ， 主要试验实测参数与结果见表 1 。 。 Q 一 短柱 婪1 f 1 5 0 H 4 o f l 婴 一一 I一一 u7 o o 图 1 四桩承 台试件模型 ( 单位 ： m r t 1 ) 表 1 钢纤维高强混凝土四桩承台主要试 验参数及 结果 系 列 蠢 霉 窿 囊 嚣 麓 甓 鸳 N 注： 编号 中“ C T ” 代表承台， 第一个数字 4代 表 4桩 ， 第 二个数 字代 表 承 台系列号， 末位数 字代表 系列 中的序 号； 试 件 C T 4 23、 C T 4 42与 C T 4 1 3为同一试 件 ， C T 4 32和 C T 4 21为 同一试 件 ， C T 4 61和 C T 4 52为同一试 件； C T 4 5、 C T 4 6系列采用桩径 配筋 ， 其他 系列采用 均 匀配筋。 1 2 试验方法与内容 试验在 1 0 0 0 0 k N微机控制 电伺服长柱压力试验机上进 行。采用逐级加载方式 ， 每级荷载增量 为预估破坏荷载 的 1 0 1 5 ， 在试件开裂后减半 ， 在试件接近破坏时适当增加 加载密度。每级加荷后持荷 3 5 ra i n待试件稳定后 ， 观察并记 录裂缝开展情况， 采集在各级荷载作用下的试件挠度 、 钢筋及 混凝土应变等有关试验数据。 1 3 裂缝量测方法 将斌件表面涂白并绘制 1 0 0 m m1 0 0 mm的方格网， 每级 加载稳定后持续 5 m i n ， 借助放大镜观测裂缝的出现和发展情 况， 用 D J C K一 2裂缝测宽仪测量裂缝的宽度， 记录每级荷载作 用下各试件的裂缝开展情况 、 裂缝宽度 、 试件破坏特征。初裂 荷载指试件表面第一条肉眼可见的裂缝( 裂缝宽约 0 0 0 2 m m) 出现时的荷载值 ， 此时对应的裂缝称为初始裂缝。试验前估算 试件的初裂荷载和极限荷载值 ， 试验时借助钢筋和混凝土应变 读数预判初裂荷载和极限荷载的出现时刻， 及时做好读数准备， 后续试件还可根据先前试件试验的经验， 提前做好读数准备。 2 裂缝发展与破坏形态分析 国内学者通过钢纤维普通强度混凝土三桩、 四桩厚承台试 验 ， 对四桩承台试件裂缝形态以及开裂荷载的计算模型和影响 因素进行过研究 J ， 认为承台的破坏形态与一般梁板有很大 差别 ， 承台破坏形态随着剪跨 比、 钢纤维掺量及底部纵筋数量 的变化 而变化。本 次通过 对钢纤 维高 强混凝 土 四桩承 台的研 究 发现 ， 该承 台的裂缝发展与破坏特征与 普通强度混凝 土承 台 不同， 另外随着承台设计参数的不同其裂缝开展与破坏形态具 有不同的特征。现选取典型试件， 考虑钢纤维体积率、 配筋率、 配筋方式及承台厚度等的影响， 对承台4个侧表面裂缝、 底部 裂缝和顶部裂缝的发展与破坏形态进行具体分析。 2 1 承台侧面裂缝 试验 中首先 观察 到的是侧 面竖直裂缝 ， 位于承 台侧 面底边 中点处 ， 在承台两个对边出现或者一个对边先出现， 又加一级 荷载后在另外一个对边也出现裂缝 ， 裂缝宽约 0 0 2 r a m， 高度 为5 7 m m， 约为承台高度的 1 5 。随后， 各试件表现出不同的 裂缝开展和破坏形态。 ( 1 ) 钢纤维体积率对裂缝开展的影响。未掺钢纤维试件， 裂缝随着荷载的增加发展迅速 ， 裂缝宽度变化快。未掺钢纤维 试 件 C T 4 21 ( C T 4 32 ) 的裂 缝 开展及 破坏 时 裂缝分 布 见 图 2 ， 当施加的荷载从初裂荷载P = 4 0 0 k N增加到 4 5 0 k N时， 承 台四个侧面的垂直裂缝基本发展到承台顶面， 最大裂缝宽度已 达到0 4 m m， 但裂缝数量仅有 1 2条； 达到极 限荷载 6 6 0 k N 时， 承台发生膪性破坏 ， 与模拟桩的连接部位出现大块混凝土 脱落。掺人钢纤维的试件如试件 C T 4 2 4 ( 其裂缝开展及破坏 时裂缝分布见图 3 ) ， 钢纤维体积率为 1 5 ， 初裂荷载为 5 0 0 k N， 侧面垂直裂缝出现时间较 C T 4 21 试件晚， 出现后发展也 很缓慢 ， 约达到极限荷载 P ， 的 8 0 时才有明显的变化， 此时主 裂缝顶部出现分叉 ， 在主裂缝的两侧出现其他竖直裂缝或斜裂 缝 ， 数量较多， 试件接近破坏时伴随有噼啪声， 起先微小而间 断 ， 随后连续加快， 最后响声密集 ， 试件在沉闷声中破坏， 破坏 时 主裂缝 宽 1 2 mm。 北 l I I 1 l I i 两 I l l I l】 l f l I l I I I l 十 o o 幸 - o O I l l I l j l l l l l l l j I I l 一 ( a ) 裂缝 开展 ( b ) 裂 缝分布 图 2 试 件 C T 4 21 ( C T 4 32 ) 的裂缝开展及破坏时裂缝分布 1 1 9 1 一 圳 _ 蚕 1 蓦 1 人 民 黄 河2 0 1 1 年第 l 2期 北 H 西 l 1 1川I I l 一 一 o o 一 一 一 、 一 o o 一 一 一 J I J I f J J l l l j I I 一 ( a ) 裂缝开展 f b ) 裂缝分布 图 3试件 C T 4 24的裂缝开展 及破坏 时裂缝分布 ( 2 ) 配筋率对裂缝 的影响。试验中没有设计素混凝土试 件， 所有试件配筋率均满足最小配筋率0 1 5 的要求。配 筋率较低的试件如 C T 4 3一l ( 其裂缝开展及破坏时裂缝分布见 图4 ) ， 在 P 出现后再施加 l 2级荷载， 四个侧面的裂缝就已 经发展到顶面， 裂缝单一 ， 试件未持荷多久就失去承载力 ， 呈脆 性破坏； 配筋率较高的试件( 如 C T 4 3 3 、 C T 4 5 3 ) ， 虽然也未 掺钢纤维 ， 但在 P ， 出现后， 裂缝发展缓慢， 有多条竖直裂缝出 现， 主裂缝顶部分叉， 试件随着钢筋逐渐屈服而破坏。 北 1 l l r 1 l l j l I l J I I l l 西 l l f l I l o o 聿 o o I l I I川l I I l f l l I l l l j l 【 a )裂缝开展 ( b) 裂缝分布 图 4 试件 CT 4 31的裂缝开展及破 坏时裂缝分布 ( 3 ) 配筋方式对裂缝的影响。桩径布筋的试件如 C T 4 53 ( 其裂缝开展及破坏时裂缝分布见图5 ) ， 先是在承台侧面底边 中点部位 或偏 离 中心 1 0 c m位置处出现 0 0 2 m m 的竖直 裂缝 ， 随后在该裂缝一侧或两侧靠近桩边 的位置出现竖直裂缝或斜 裂缝 ， 桩边垂直裂缝一直延伸到承台顶面， 斜裂缝一般延伸至 距顶面 h 3处停止 ， 偶有出现两条对称斜裂缝相交的情形 ， 但 方向不定， 或由桩端偏 向柱端， 或偏向另一个方 向。这些裂缝 的出现和试件配筋形式有一定的联系， 桩径布筋试件在承台底 部靠近形心的位置未布置钢筋， 在外荷载作用下， 承台底面混 凝 土从最里面 的一 根钢筋 处开 裂 ， 然后 裂缝 向上延 伸 至侧 面。 但 由表 1可见 ， 配筋方式 对开裂荷载的影响不大 。 I I T 门l l 1 l I _ l I I 1 I I * 1 j l j 二 o o 二 一 二 二 o o 二 I I I I I I I l I 】 l I l I 1 l I ( a )裂缝开展 ( h j 裂缝分布 图 5试件 C T 4 53的裂缝开展及破坏时裂缝分布 2 2 承台底面裂缝 底面裂缝几乎和侧面裂缝同时出现， 主方向沿承台底面对 边的中点连线， 多在承台两个对边同时出现 ， 并随着荷载的增 加从底边中点向承台形心延伸， 当快接近形心位置时则绕过柱 边再和从对面延伸过来的裂缝贯通， 多数试件呈现以柱子为中 心的十字交叉裂缝 ， 柱子则被裂缝包围形成一个不规则的封闭 1 2 0 圈， 这可能是由柱子剪切形成 的， 因此在计算承载力时应考虑 到柱子约束作用的影响， 这也是我国规范将承台的计算弯矩截 面取在柱边的原因。对于厚度较薄( 如 C T 4 11 ) 、 未掺入钢纤 维( 如 C T 4 21 ) 、 配筋率较低 ( C T 4 51 ) 等延性较差的承台， 底部裂缝 出现后发展很快 ， 甚至在初裂荷载下底 部 即出现细小 的正交贯穿裂缝 ， 破坏 时裂缝较 窄 ； 而延性 较好 的承台 ， 底 部裂 缝发展缓慢 ， 临近 P 时不断有混凝土块脱落， 破坏时底面挠度 变形 大 ， 出现较宽 的裂缝 。 2 3承台顶面裂缝 顶面裂缝在承台临近破坏时才出现， 裂缝很窄， 主要 由侧 面裂缝延伸至承台顶面形成， 多数没有贯通 ， 仅少部分顶部水 平十字交叉裂缝汇交到柱头。顶面裂缝是破坏时靠近承台顶 面的混凝 土被压碎造成 的。 3 结论 ( I ) 钢筋钢纤维高强混凝土四桩承台裂缝首先出现在侧面 底部中点处， 紧接着在承台底面对边 中间位置出现水平裂缝， 随着荷载的增加， 侧面多条竖直裂缝 向上延伸变宽， 底部水平 裂缝从 四个方 向呈 十字形 向底 部形 心发展 。试件破 坏 时底部 水平 裂缝 和侧面垂直 裂缝较 宽 ， 十 字裂缝 在底 面贯 通 ， 部分 垂 直裂缝 在顶面贯通 。 ( 2 ) 承台呈现出弯曲破坏构件的裂缝特征， 裂缝特征主要 受钢纤维掺入率、 承台厚度、 配筋率等的影响。 ( 3 ) 在常用的配筋率范围内， 承台试件呈现出延性弯曲破 坏。配筋率对承台的极限承载力影响较大， 但对承台的破坏形 态影响并不大 。 ( 4 ) 掺钢纤维试件初始裂缝出现较晚， 裂缝发展缓慢， 自开 裂到破坏历时较长 ， 破 坏 时持荷 时间 久。可见 ， 在 四桩 承 台 中 加入钢纤维可以延缓初始裂缝的出现 ， 提高承台的极限承载 力， 改变承台的脆性破坏特征， 提高承台的延性。 ( 5 ) 配筋方式对弯曲破坏承台的裂缝形态有一定的影响， 但对开裂荷载和极限承载力的影响不大， 不影响承台最终的破 坏形态 。 参考文献： 1 冯乃谦 高性能混凝土结构 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 2 中国工程建设标准化协会 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4纤维混凝土结构技术规程 s 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 4 3 谷倩 钢纤维混凝土桩基承台的试验研究与非线性分析 D 武汉： 武汉理 工大学， 2 0 0 1 4 许成祥， 李继样， 彭少民 钢纤维混凝土三桩厚承台开裂荷载计算 J 江汉 石油学院学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 1 ) ： 8 9 5 许成祥， 李继祥 钢纤维混凝土四桩厚承台开裂荷载计算 J 工程力学， 1 9 9 7 ( 增刊 1 ) ： 1 6 3 1 6 5 6 中华人民共和国建设部 G B 5 0 0 0 7 -2 0 0 2建筑地基基础设计规范 S 北 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 7 中华人民共和国建设部 J G J 9 4 -2 0 0 8建筑桩基技术规范 S 北京： 中国 建筑工业出版社， 2 0 0 8 【 责任编辑张华岩】