钢纤维钢筋混凝土短梁的弯曲性能试验研究.pdf

水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第2期 钢 纤维钢 筋混凝 土短 梁 的弯曲性能试验研 究 马 中 军 ( 南阳理工学院，河南 南阳4 7 3 0 0 7 ) 摘要 ：通过对不同钢纤维体积率下的受弯试件测试的钢筋和混凝土的应变、荷栽 跨 中挠度曲线、 各级荷载作用下的最大裂缝宽度、裂缝的发展、正截面开裂荷载以及极限荷载等的分析 ，重点研究 了 钢纤维体积率与跨高比对钢筋钢纤维混凝土短梁受弯性能的影响，并得出了一些有意义的结论。 关键词 ：钢纤维；短梁；剪跨 比；体积率；抗弯承载力；弯曲性能；试验研 究 中图分类号：T V 3 l 3 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 8 3 0 4 Exp e r i me n t a l s t ud y on b e n di n g be ha v i o r o f s h or t s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c on c r e t e b e a m MA Z h o n g - j u n ( N a n y a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N a n y a n g 4 7 3 0 0 7 ， H e n a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e a n a l y s i s ma d e o n t h e s t r a i n，l o a d mi d s p a n d e fl e c t i o n c u r v e s ，ma x w i d t h o f c r a c k ，d e v e l o p me n t o f c r a c k，n o r mal s e c t i o n c r a c k i n g l o a d ，u l t i ma t e l o a d，e t c u n d e r a l l t h e l o a d i n g l e v e l s o f t h e t e s t e d r e b a r a n d c o n c r e t e o f t h e b e n d i n g s a mp l e u n d e r v a r i o u s v o l u me s o f s t e e l fi b e r ，t h e e ff e c t s o f the s t e e l fi b e r v o l u me r a t i o an d s p a n d e p t h r a t i o o n t h e be n d i n g b e h a v i o r o f t h e s h o r t s t e e l fi be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e am i s e mp h a t i c a l l y s t u d i e d h e r e i n；f r o m wh i c h s o me s i g n i fi c a t i v e c o n c l u - s i o n s h a v e b e e n o b t a i n e d Ke y wo r ds：s t e e l fiber ；s h o r t h e a m；s h e ar - s p a n r a ti o；v o l u me r a t io；b e n d i n g b e a r i ng c a p a c i t y；be n d i ng p rop e r t y；e x p e rime n t a l r e s e ar c h 1 试验简介 在钢筋混凝土的受弯构件中加入钢纤维可以大大 改善构件的受力性能 ，提高正截面 、斜截面的抗裂性 能和构件的整体性能 ，限制裂缝宽度的发展以及提高 正、斜截面的极限承载能力。而且钢纤维混凝土在我 国民用建筑、工业建筑及桥梁结构等领域已经得到越 来越广泛的应用 ，并且取得了显著的经济效益和社会 效益。本次试验通过对 l 6根钢筋钢纤维混凝土梁的 弯曲性能试验研究 ，研究了钢纤维对钢筋混凝土短梁 的受弯性 能( 包括正截 面抗裂 、正截 面受弯承载力 等) 的影响，并分析了钢纤维体积率、跨高比等因素 对梁弯曲性能的影响。 试验梁均按照 混凝土结构试验方法标 准( G B 5 0 1 5 2 - - - - 9 2 ) 、 钢纤维混凝土结构设计和施工规程 ( C E C S 3 8 ：9 2 ) 和 钢纤维混凝土结构试验方法标准 ( C E C S I 3 ：8 9 ) 中的有关规定制作。选用梁 的截面尺 寸为 1 5 0 mm 3 0 0 m m，短梁和浅粱 的纵 向受拉钢筋 W a te r Re s o u r ce s a n d Hy d r o p o wer E n g i n e e r i n g V o l 4 1 No 2 均为 2 1 6，钢 筋 面 积 A =4 0 2 IT l m ，配 筋 率 = 0 9 9 ，为了使梁在集 中荷载下不发生剪切破坏 ，在 梁的剪跨段中配置了过量的箍筋 ，且在两根纵筋的端 部加焊横向短钢筋。深梁 的纵 向受拉钢 筋为 2 1 2 ， 钢筋面积 A = 2 2 6 mm ，配筋率为 0 5 6 。且深梁采 用单点集中加载 ，并不配置分布筋。另外 ，每个试件 在制作时还 留了 6个 1 5 0 l n m1 5 0 m m1 5 0 m m的 立方体试块 ，以便在试验过程 中及时测试每个混凝 土试件的实际抗压强度和劈裂抗拉强度 。试件 中部 的纯弯段沿混凝 土和钢筋高度方 向均匀布置 了适 当 数量的应变片 ，钢筋边缘也布置了应变片 。梁试件 的截面尺寸和试验参数 的具体情 况见表 1 。加载方 式为力 控制 的 两点 单调 同步加 载 ，在试件 屈 服 以 前 ，每级加 载约 为计算 屈服荷 载 的 1 0 ，屈 服 以 后 ，每级加载约为 计算屈服荷 载的 5 。并在试件 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 8 一 l 0 作者简介：马中军( 1 9 7 2 一 ) ，女 ，副教授 ，硕士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马中军钢纤维钢筋混凝土短梁的弯曲性能试验研究 中部及两端支座设置位移计 ，以测量各试件 的挠度 变化情况( 见图 1 ) 。 图 1 加载装置 表 1 试 件明细表试件基本参数 试件 截面尺寸 跨 高比 剪跨 比 钢钎维 ( 高 h宽 6 ) 0 体积率 纵 向钢筋 编号 A 配筋率 箍筋 mm mm h p， C P O 1 5 0 3 0 0 3 1 1 1 O 0 9 9 5 4 , 1 o 7 5 C P一0 1 5 03 0 0 3 1 1 1 0 0 9 9 5d , 1 0 7 5 C P一0 5 1 5 03 0 0 3 1 1 1 0 5 0 9 9 5 b 1 0 7 5 C P1 0 1 5 0 3 0 0 3 1 1 l 1 O 0 9 9 5 4 fl0 7 5 C P一1 5 1 5 03 0 0 3 1 1 l 1 5 0 9 9 5 4 fl 0 7 5 C P一 2 0 1 5 03 0 0 3 1 1 1 2 O 0 9 9 5 ,b l o 7 5 A K 1 5 1 5 03 0 0 1 5 O 5 1 0 O 5 6 A K 一2 1 5 0 X3 0 0 2 O 5 1 O O 5 6 A K一3 1 5 03 0 0 3 1 1 l 1 O 0 5 6 5,1 67 5 B K 一3 1 5 03 0 0 3 l _ 1 l 1 O 0 9 9 5击l 0 7 5 B K一 4 1 5 03 0 0 4 1 4 8 1 0 0 9 9 6 t 6 l 0 0 B K一5 1 5 03 0 0 5 1 8 5 1 0 0 9 9 6 4 6 1 0 0 B K一6 1 5 03 0 0 6 1 8 5 1 O O 9 9 6 d 6 1 0 0 B K一7 1 5 03 0 0 7 1 8 5 1 O 0 9 9 6 4 6 l 0 0 D T 一1 1 5 03 0 0 3 1 1 1 1 0 0 9 9 5 b 1 0 7 5 D T一 2 1 5 03 0 0 3 1 1 l 1 O 0 9 9 5 tk l 0 7 5 J 注：编号为 A K、B K、C P系列的钢纤维 为剪切型编号为 D T一1的梁 的钢纤维为熔抽 型；编号为 D T一2的梁的钢纤维为切削型。 2 试验结果描述 从试验梁的荷载挠度试验曲线的变化过程和实际 测量的应 变值可 以看 出，与钢筋 混凝土 梁 相 似 ： 钢纤维混凝土短梁的受力过程包括弹性工作阶段 、带 裂缝工作阶段和屈服破坏阶段。弹性工作阶段无论是 普通钢筋混凝土短梁还是含钢纤维 的钢筋混凝土短 梁，其跨中荷载 挠度关系曲线均为线性，表明此时 的试验梁具有明显的弹性性质。当荷载增加到极限荷 载的 2 0 左右时 ( 对普通混 凝土梁此值为 9 ) ，受 拉边缘 的混凝土应变达到其极限拉应变 ，在试验梁的 跨中或加载点下的梁底部 出现第一条正裂缝，这标志 着试验梁的弹性工作阶段的结束 ，从而使梁进入带裂 缝工作阶段。裂缝出现以后 ，钢纤维的阻裂增加作用 逐渐得到发挥 ，各含钢纤维的试验梁的开裂弯矩都有 大幅度提高。实测开裂弯矩 ， b h 和钢纤维体积 率p ， 的关系曲线 ( 见 图 2 ) 表明，所 有含钢纤维 的混 凝土试验梁的开裂弯矩 均 比普通混凝土试验梁有 所提高 ，提高幅度 为 4 0 左右 ，随着钢纤维体积率 的增大而增 加 ( 虽然试验 梁稍有 异状 ，但 大趋势如 此 ) 。当钢纤维体积率从 0变化到 以 0 5 时 ，开裂 弯矩增 加显 著，再从 0 5 增加 到 1 0 、1 5 及 2 0 时 ，开裂弯矩增加没有从 0变化到 0 5 时那 么剧烈 ，几乎成线性比例增加 ，可见钢纤维体积率对 开裂弯矩影响比较显著。 l 器 r 一 、 0 0 5 1 0 1 5 20 钢纤维体积 试验梁的跨中荷载 挠度关系曲线如 图 2所示 ， 从图 2可 以看 出：在 弹性阶段 ，试验梁没有 出现裂 缝 ，荷载 一挠度 曲线 呈线性上升。达 到开裂弯矩 以 后 ，梁的整体刚度开始降低 ，荷载 挠度曲线开始弯 曲，曲线的斜率开始减小 ，曲率逐渐增大。但 比较各 试验梁的荷载 挠度曲线可 以看出，普通钢筋混凝土 梁开裂较早 ，开裂后曲线呈明显的非线性 ，斜率变化 较大 ，并在开裂弯矩处呈现出十分 明显的拐点。而所 有含钢纤维的钢筋混凝土梁都开裂较晚，达到开裂弯 矩以后 ，曲线斜率略有变化，但没有明显的拐点 ，开 裂以后的曲线斜率 比开裂前略有减小 。这充分说明对 于普通钢筋混凝土梁 ，梁一旦开裂 ，其刚度就有较大 幅度的降低 ，并且 随着荷载 的增大 ，曲率不断增加 ， 刚度持续下降，与弹性工作阶段 的线性有相当明显的 差别 。而对于含钢纤维 的钢筋混凝 土梁 ，梁开裂 以 后 ，钢纤维的阻裂增加作用逐渐得到发挥 ，并且提高 了梁的均质性，使得梁在开裂以后的刚度减低的比较 缓慢 ，而且在开裂弯矩处斜率下降以后 ，直到纵向钢 筋屈服 ，荷载 挠度曲线仍为直线关系 ，只是这段直 线的斜率 比弹性 工作 阶段的斜 率有所降低 ，也就是 说，从开裂到纵向钢筋屈服，梁的刚度几乎没有降 低 。直到纵 向屈服 以后 ，其 刚度 才有 比较 明显 的降 低 ，曲率增加 比较明显 ，这种现象对于钢筋钢纤维混 凝土浅梁和钢筋钢纤维混凝土短梁都存在。 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第 2期 如 加 ：2 m O O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 试验结果 剪跨 比 抗拉强度 混凝土抗 正裂荷载 斜裂荷载 破坏荷载 试件编号 压强度 A MP a k N k N k N MP a C P一0 ( 1 ) 1 I l 3 7 2 3 6 6 0 1 3 O 3 3 l CPO( 2) 1 1 l 2 8 3 5 2 5 O 1 3 0 3 1 O CP一0 5 1 1 1 3 8 9 3 6 1 6 O l 6 o 3 3 0 C P 1 O 1 I l 4 4 6 3 4 7 9 0 1 6 o 3 5 1 C P一1 5 1 I l 4 6 6 3 5 1 8 0 1 6 0 3 3 9 CP一2 0 1 I l 5 J 3 4 5 8 9 O l 3 O 3 4 6 AK 一1 5 0 5 3 4 8 3 1 1 l 1 0 l 6 0 3 4 0 AK 一2 O 5 4 3 2 3 6 1 8 O 1 3 O 2 9 7 AK 一3 1 1 l 3 5 5 2 8 6 0 l 2 O 2 2 0 B K 一3 1 I 1 4 2 4 3 5 9 0 1 6 o 3 3 5 B K 一4 1 4 8 4 3 2 4 6 4 7 0 1 3 O 2 5 7 B K 一5 1 8 5 4 3 3 3 6 6 O 9 0 2 2 6 B K 一6 1 8 5 4 1 5 4 0 3 2 O 1 0 o l 9 6 B K 一7 1 8 5 4 3 9 3 8 8 2 O 7 O 1 9 6 D T 一1 1 1 1 4 4 2 3 6 8 6 0 1 6 o 3 3 0 D T 一2 1 1 1 3 5 8 3 5 8 6 0 1 6 o 3 1 5 注：q 5 1 6钢筋性能为 =3 8 0 MP a ， = 6 0 2 MP a ，6= 3 l 。 3 试验结果分析 3 1 影响钢纤维混凝土短梁裂缝的主要因素 本试验含钢纤维的钢筋混凝土梁都比普通钢筋混 凝土梁开裂得迟 ，所有试验梁的裂缝开展都具有以下 特点 ：纯弯段内第一批正裂缝出现以后，随着荷载的 增加而向上发展 ，并且其宽度也有所增加 ，当荷载增 大到一定程度 ，在梁的剪跨段出现弯剪缝 和腹剪缝 。 当纵向受力钢筋屈服以后 ，随着荷载的增大会在纯弯 段形成一条主裂缝 ，主裂缝一般来说是 由跨中附近的 裂缝所形成 ，即使在加载点附近 ，首先开裂的情况 ， 随着荷载的不断增加 ，跨 中附近的裂缝开展的速度也 会超过加载点附近，结果仍然是在跨中附近形成主裂 缝。主裂缝形成以后如果再加大荷载 ，其他裂缝无论 是高度宽度都不在发展 ，而主裂缝继续向上延伸 ，宽 度迅速增 大，在试验梁 即将破坏时 ，主裂缝开始分 叉 ，并向左右延伸 ，与受压 区混凝土 的纵 向裂缝连 接 ，从而形成受压区混凝土塑性范围 ，最后导致试验 梁的破坏。含钢纤维的钢筋混凝土梁的裂缝开展情况 也是如此( 见表 2 ) 。 本试验 中量测了从加载到破坏的每级荷载下的裂 缝宽度，绘制了钢纤维体积率 p ， 与最大裂缝宽度 的关系曲线( 见图 3 ) ，从 图 3可 以看 出，加入钢 纤维后可使钢筋混凝土梁在 同级荷载下的裂缝宽度有 所降低，在纵向屈服以前 ，同级荷载下含钢纤维的钢 筋混凝土梁的裂缝宽度 比普通钢筋混凝 土梁 略有减 小 ，减小幅度不大。曲线表明，在纵向屈服 以前 ，钢 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第2期 马中军钢纤维钢筋混凝土短粱的弯曲性能试验研究 纤维的作用没有得到较好的发挥 ，钢纤维的加入使裂 缝宽度减小的程度较低 ，直到纤维率增加 2 0 时降 低程度才比较明显 ；到纵向钢筋屈服以后，在本试验 所研 究 的 纤 维 率 的 变 化 范 围 内 ( 即 ：0 5 2 0 ) ，裂缝宽度均有 比较显著的减小。 l + 9 I +l 3 L l l - 。 19 L 、 一 I 一 卜 - 、1 1 O O 5 l O 1 5 2 0 钢纤维体积 图 3 p ，一 关系曲线 比较普通钢筋混凝土梁和含纤维的钢筋混凝土梁 的裂缝图可以发现 ，所有含钢纤维的钢筋混凝土梁纯 弯段的平均裂缝间距均比普通钢筋混凝土试验梁有所 降低。图4为钢纤维体积率 p ， 与实测纯弯段平均裂 缝间距 L 的关系曲线 ，可以看出，纤维率 p ， 的变化 对平均裂缝间距 影响不大 ，当纤维率 p r 从 0 。 5 变化到 2 0 时，曲线为一近似水平段 ，因此 ，可取 纤维率 p ， ： 0 5 即可达到限制平均裂缝 间距离的较 好的效果。 E E 厦 1 一 0 5 1 0 1 5 2 0 钢纤维体积 p ，一L 关系 曲线 综合以上对普通钢筋混凝土梁中加入钢纤维后的 最大裂缝宽度 和平均裂缝 间距 的变化的研究 表明 ，含钢纤维的钢筋混凝土梁的裂缝具有出现晚、 间距小及宽度窄的特点。 3 2 影响钢纤维混凝土短梁弯 曲性能的主要因素 3 2 1 钢纤维体积率p r 如图5给出了钢纤维体积率 p ， 与受弯承载力 如 加 m O O 0 0 O O O u I E ； ； 测 2 O 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马中军钢纤维钢筋混凝土短梁的弯曲性能试验研究 6 的关系图。从图 5中可以看出 ，钢纤维的加 入可以提高钢筋钢纤维混凝土短梁的抗弯承载力 ，且 随着纤维体积率的增大 ，钢筋钢纤维混凝土短梁的受 弯承载力提高幅度也有逐渐增加的趋势。这充分说明 钢纤维对钢筋钢纤维混凝土短梁的受弯承载力是有贡 献的。这是因为短梁开裂以后 ，开裂截面的混凝土不 再承受拉力了，但跨越裂缝截面的钢纤维由于和混凝 土的粘结作用处于拉拔状态，参与了短梁的抗弯。所 以钢纤维的加入虽对梁的破坏形态没有影响，但对钢 筋钢纤维混凝土短梁 的抗弯性能有所提高。 暴 嚣 0 0 5 l 0 l 5 2 0 钢纤维体积 图 5 f o p ， 关系图 3 2 2跨 高比 0 h 根据一组跨高比变化的钢筋钢纤维混凝土短梁的 试验数据绘制了正截面受弯承载力 M 6 碥与跨高 比 的关系图6 ，从 图6中可以看出 ，钢筋钢纤维 混凝土短梁的正截面抗弯性能随跨高 比的变化规律和 普通混凝土短梁相似 。既正截面抗弯性能随跨高比的 增大而增大，这是由于随着跨高比的增大 ，受拉混凝 土的塑化高度相应增大 ，从而提高了梁的抗弯性 。 鬈 跨高L n o 图 6 M f c 一 关系图 3 2 3钢 纤维 混凝 土 的抗压 强度 根据钢筋钢纤维混凝土梁正截面受弯承载力计算 模型可知，梁在受弯的情况下 ，随着钢纤维混凝土受 压区混凝土强度的提高 ，钢筋钢纤维混凝土短梁的受 弯承载力必然会有相应的提高。 3 2 4纵 向钢 筋 配筋率 从混凝土结构设计规范混凝土梁受弯承载力计算 模型可以看出，在配筋率适量的情况下 ，纵筋用量的 增加可以提高短梁的受弯承载力 。 另外短梁的受弯承载力和其截面尺寸也有很大关 系 ，增大短梁截面可以有效提高短梁 的受弯承载力。 但实际中，短梁截面往往受很多因素的制约而不能随 意增加 ，所以想靠提高短梁截面尺寸来达到提高承载 力的 目的，往往是不能实现的。 此外 ，还有其他的一些 ，诸如纵向受拉钢筋的屈 服强度及其配筋率 ，混凝 土的抗压强度 、截面形状 ， 荷载作用形式等因素都钢纤维混凝土短梁的弯曲性能 有影响 ，这些在本试验中都没有进行具体的研究 。 4 结论 从试验过程及以上分析中，我们可以得到以下结 论 。 ( 1 ) 钢纤维混凝土梁受弯过程与钢筋混凝土梁相 似 ，可分为三个阶段。 ( 2 ) 钢筋钢纤维混凝土短梁受弯破坏形态与普通 钢筋混凝土短梁是相同的。 ( 3 ) 影响普通钢筋混凝 土短梁的力学性能的因素 也是影响钢筋钢纤维混凝土短梁 的主要因素。 ( 4 ) 钢纤维体积率是影 响钢筋钢纤维混凝土短梁 的主要因素。随着钢纤维体积率 的增大 ，钢筋钢纤维 混凝土短梁的各项力学性能 ( 正截面开裂弯矩 、正截 面受弯承载力 ) 都有一定程度的提高。 ( 5 ) 剪跨比对钢筋钢纤维混凝土短梁受力性能也 有较大的影响，随着剪跨 比的增大短梁的开裂荷载随 之降低。 参考文献 ： 1 】 高丹盈，刘建秀，等 钢纤维混凝土基本理论 M 北京：科 学技术文献 出版社 ，1 9 9 4 2 周春明，林界文，雷换金 波纹钢纤维在道路中的应用 C 全国第四届纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集 南京， 1 9 9 2 3 卢 良浩 钢纤 维混凝 土在杭州钱江一桥公路桥面大修工程 中的 应用 C 全国第五届纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集 广州 ：广东科学技术出版社 ，1 9 9 4 4 彭少民，林长青 钢纤维钢筋混凝土受弯构件正截面受力分析 J 武汉工业大学学院学报，1 9 9 1 ，( 1 ) ( 责任编辑欧阳越 ) 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第 2期 舛 罟 8 O O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m