钢纤维全轻混凝土叠浇配筋梁裂缝宽度试验研究.pdf

第 3 7卷第 2期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) V o ! 3 7 N o 2 2 0 1 6年 4月 J o u r n a l o f N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) A p r 2 0 1 6 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s t 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 6 0 2 0 0 9 钢 纤维全轻混凝土 叠浇配筋梁裂缝宽度试验研 究 李 长永 ，彭超 ，丁新新 ，潘丽云 ( 华北水利水 电大学 土木与交通学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 ： 根据钢纤 维全 轻混 凝土叠浇配筋梁 、 钢筋混凝 土梁 和钢筋钢纤 维全轻混凝土梁 的受弯性能试 验 ， 结合 裂缝 分型统计 分析 ， 研究 了纵 向受拉钢筋 配筋率和 钢纤维 全轻混 凝土截 面高度对 叠浇 梁正截 面主要裂缝 分_布 平均问距 、 平均宽度和最大 宽度 的影 响规律 ， 提 出了钢纤 维全轻 混凝 土配筋叠 浇梁正 截面裂缝 计算公 式。 研究成果为钢纤维全轻混凝土配筋叠浇梁正常使用极 限状态 裂缝验算提供 了计算方 法。 关键词 ： 叠浇梁 ； 钢纤 维全 轻混凝 土 ； 截面高度 ； 纵 向受拉钢筋配筋率 ； 裂缝分布 ； 裂缝宽度 中图分类号： T V 3 3 2 ； T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 l 6 ) 0 20 0 5 2 0 5 充分利用材 料性 能 优点 是混 凝 土结 构优 化设 计 的重要 目标 。普通混凝 土具有材 料来源 丰富 、 抗 压强 度高 、 可 塑性好等 优 点 ， 是 目前 土 木工 程 中最 重 要 的 建筑材料 。在轻 骨料 混凝 土 中掺 入钢 纤 维配 制 而成 的钢纤 维轻骨料 混 凝 土不仅 具 有轻 骨料 混凝 土 的各 种优点 ， 而且能 显著 改 善轻 骨料 混 凝土 的脆 性 ， 提 高 轻 骨料 昆 凝 土结构 的韧性 、 抗疲 劳 性能 和耐久 性 能 ， 是轻骨料混凝土复合材料向大跨度 、 超高度及寒冷 区 域 发展的新方 向。 因此 ， 将高 强度混凝 土 置于受弯 构 件 的受压 区 、 将钢 纤维轻骨料混 凝土 置于 受弯构件 的 受拉 区 ， 可 同时获得充分利用 普通混凝 土抗 压强度 和 钢 纤维全轻 混凝 土抗 拉强 度 而提 高受 弯构 件 承载 性 能 、 利用钢纤维 全轻混凝 土密度小 的特点 而尽量 减轻 受弯构件 自重 的双重 效果 ， 基于 这一科 学理 念 的 新型组合梁板应运而生 。与传统的钢筋混凝土叠 合式受弯 构件 比较 ， 叠浇 梁 的钢纤 维轻骨料 混凝 土 与其上浇 筑 的普通混凝 土之 间不 存在 叠合界 面 ， 因而 不存在 叠合 面变形 差和抗剪 不足 的问题 ， 也 不存在 纵 向受拉钢筋因一期荷 载作用而 “ 应力超前” 、 受压区 混凝土因二期荷载作用而“ 应变滞后 ” 的缺点。本文 结合一系列钢纤维全轻混凝土叠浇粱的受弯性能试 验研究 ， 统计分析了其正截面裂缝分布规律 ， 提 出了相 应 的裂缝 宽度计算方法 。 1 试验概况 试验梁截面尺寸 ： 宽度 高度 ( b h ) 为 1 5 0 m m X 3 0 0 mi l l ， 长度 为 3 m， 跨 度为 2 7 m。纵 向受 拉 钢 筋 为 H R B 4 0 0带肋 钢筋 ( 1 4 、 l 8 ) 和 HR B 3 3 5带 肋 钢 筋 ( 2 0 ) ， 混 凝 土 保 护 层 厚 度 均 为 2 5 m m。架 立 筋 为 2 + 1 0， 剪跨段 的箍 筋为 西 8 1 0 0 m m， 纯弯 段不 配 置箍 筋 。普通 混 凝 土 强 度 等 级 为 C 4 0， 钢 纤 维 全 轻 混凝 土强 度 等级 为 L C 3 0 。钢 纤 维 采 用 钢 板 剪 切 端 钩 型钢 纤维 ， 长 3 2 mm， 等 效直 径 0 6 mm。试 验 梁 的实测 性 能 参 数 见 表 1 ， 梁 的编 号 含 义 为混 凝 土 强 度 等级一 钢纤 维 全轻 混凝 土截 面高度 一纵 向受 拉钢 筋直径一钢纤维体积 率( ) ， a 、 b表示每组 2根梁 的代号 。表 中 ： 和 依 次 为普通 ? 昆 凝 土 的立方 体抗压强度 、 轴心抗压强度和抗拉强度 ； 和 分 别 为钢纤 维全 轻 混 凝 土 的立 方 体 抗 压强 度 、 轴 心 抗压 强度 和抗 拉 强 度 ； P 为 钢 纤 维 体 积 率 ； h 为 钢 纤维 全轻 混凝 土截 面 高度 。 试 验梁 的加 载 按 试 验 方 法 标 准 进 行 。 采 用 反力架及液压千斤顶加力装置 ， 两端简支 、 跨 中对称 集中加载 ， 由荷载传感器控制 荷载值 ， 正截面开裂 收 稿 日期 ： 2 0 1 51 12 0 基金项 目： 河南 省教育厅科 学技术研究重点项 目资助计划 ( 1 2 A 5 6 0 0 0 8 ) ； 河南省高 校生态建 筑材料 与结构工 程科 技创新 团队 ( 1 3 I R T S H N 0 0 2 ) 。 作者简介 ： 李 长永( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 天津市人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事纤 维混凝土及 其结构设计 理论与应用研 究。E - ma i l ： l i c h a n g n c wu e du c n。 5 4 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) 2 0 1 6年 4月 2 2裂缝 分类 统计分 析 参 考 钢筋 混凝 土 梁 的裂 缝 分 类 方 法 ， 对 叠 浇 梁 的正 常使用 状 态裂 缝 分 类 进 行 了平 均 间距 、 平 均 宽度 、 平 均宽 度扩 大 系数 的统计 分析 。结果 表 明 ： 初 裂后 ， 在各级荷载作用下裂缝高度持续延伸或迅速 延 伸 到 中 和 轴 附 近 的 a类 裂 缝 ， 数 量 占 总 数 的 7 5 8 ； 以叠浇粱纵向受拉钢筋重心位置对应 的梁 侧 面 的平均 裂缝 宽 度 和 最 大 裂缝 宽度 为统 计 对象 ， a类裂 缝 的 宽 度相 对 较 大 ， 来 自 a类 裂 缝 的权重 达到 了 9 5 3 。因此 ， a类 裂缝 控 制 了叠 浇梁裂缝宽度的整体发展和分布形态 ， 将其作为研 究对 象进 行叠 浇梁 裂缝平 均 间距 z 、 平均 宽度 和 最大 宽度 的统 计分 析 ， 结 果见 表 2 。 表 2试验梁 实测 平均裂缝 间距 、 平均裂缝宽度和最大裂缝宽度 试 验 梁 编 号 ， l o t ( ) ( D e r m I T I K H i l 号 ， m m ot mm ) O ) e r O J m ax 1 1 1 m K I I m m m m 1 5 75 O 06 O 1 O 1 8 O0 0 O6 0 09 C 40 0 1 4- 0b 1 1 9 0 l 8 00 0 09 01 3 C 40 0 1 4- 0a 1 2 7 0 22 5 0 01 0 0 1 5 22 5O 0 1 3 0 1 6 27 OO O 1 2 O 2 2 c4 0 1 8 0 1 4 1 2 b 1 0 0 2 1 8 45 0 O7 01 2 c 40 1 8 O一 1 4 1 2a 1 0 2 5 2 2 9 5 01 2 0l 7 2 2 95 O 09 O1 3 2 9 7 0 01 7 0 2 3 3 3 7 5 0 0 5 01 O C40- 2 40- 1 4- 1 2a 9 9 4 2 0 2 5 0 0 6 Ol l c4 O 21 O一 1 8一 1 2a 81 2 3 8 2 5 O O 5 0_ 1 0 2 4 75 0 O8 01 5 42 7 5 0 0 7 0 1 5 4 7 2 5 0 O 8 01 8 1 4 8 5 0 0 3 0 0 5 l 71 0 0 0 7 O1 6 L C 3 0 3 0 0 一 l 4 一 1 2 b 8 7 1 1 9 3 5 0 0 5 0 0 9 L C 3 0 -3 0 0 - 1 4 - 1 2 a 1 1 9 6 ? 昕 2 1 6 0 O1 1 O1 6 2 3 8 5 0 O 6 01 2 2 3 8 5 01 1 0 2 0 31 5 O 0 0 7 01 l 31 5 0 0 0 7 01 4 C4 0- 2 0- 0b 1 06 0 3 6 00 0 0 8 O1 2 c4 O- 0 2 0一 Oa 1 O5 0 3 6 o0 01 0 0l 8 4 0 5 0 01 0 01 4 4 0 5 O O1 2 O 2 2 4 5 0 O 01 1 O 1 4 4 5 0 0 01 3 0 25 3 3 75 0 0 4 0 O7 3 8 2 5 0 08 01 5 c40 1 2 0_ 2 0 1 2b 7 4 1 3 8 25 0 0 5 0 08 c4 0 1 20 2 O一 1 2 a 69 5 4 2 7 5 0 08 01 4 4 2 7 5 0 O 5 0， 08 4 7 2 5 O 0 7 01 4 4 7 25 O 0 5 01 1 51 75 0 08 01 5 4 0 5 0 0 0 4 0 O8 3 6 0 0 0 0 7 01 l c40 1 5 O一 2 0 1 2b 75 2 4 5 o0 0 O 4 0l 0 c 4 s 2 a s s ： 1 4 4 9 5 O 0 O 5 0 1 0 5 4 0 O 0 0 7 01 6 4 9 5 0 0 0 9 01 5 38 25 O 0 6 0】 2 3 8 2 5 0 0 4 0 06 C4 0- 1 8 0- 2 0- 1 2b 69 3 42_ 75 0 0 6 0 l1 c4 758 O 一 1 2 O7 70。 4 4 7 2 2 5 0 0 O 0 4 5 0 0 1 0 4 7 25 O O8 O 1 2 51 75 0 08 0 1 3 51 75 0 O5 0 1 0 38 25 O 05 0 08 38 25 0 O5 0 07 C4 0- 21 0- 2 0- 1 2b 4 2 75 O 05 O O8 c40_ 21 0 2 0 1 2 74 4 7 25 0 05 0 07 51 75 O 08 0 1 6 51 75 0 O6 0 11 36 00 O 05 0 09 3 6 OO 0 0 4 0 07 50 0 05 0 0 9 L C 3 0 -3 0 0 -2 0 -1 2 a s ： L C 3 0 3 O O 一2 O 1 2 b 8 8 44 50 O 0 0 O 6 0 O 9 49 5O O 07 O 1 O 49 5O O O4 O 08 31 5 0 0 O9 O 1 2 3 1 5 0 0 1 0 0 1 4 36 00 0 1 2 0 1 6 36 00 O 1 2 0 1 6 C4 0一 O 1 8 一 Ob 1 06 40 5 0 0 1 2 0 1 9 c4O_ 0 1 8一 Oa ll 0 4O 5 O 01 2 O 1 7 45 O 0 0 1 6 0 2 0 45 0 0 0 1 5 0 2 0 第 3 7卷第 2期 李长永 ， 等 ： 钢纤维全轻混凝 土叠浇配筋 梁裂缝宽度试验研究 2 3 裂 缝截 面 的有 效受拉 区高度 如图 2所示 ， 梁 的 a 类裂缝在梁底侧面宽度最 大 ， 在钢 筋 重心位 置 附近 宽度 减小 ； 随着 距 离钢 筋重 心的增大 ， 在延伸高度 的梁腹处增大到一定值而后 减小 。图 2中 0 n1 。 裂缝发展 高度n h m m ( a 1 C 4 0 1 8 0 1 4 一 1 2 b 裂缝发展高 度n h mm ( b 、C4 0 1 5 0 2 0 - 1 2 a 图 2 试验 梁裂缝宽度沿截面高度的变化 钢 筋混 凝土 梁 的纵 向受拉 钢筋 有效 受拉 区高度 ( h ) 的计算方法如下 ： h = C +( nI ) s +( 3+ n ) d 。 ( 1 ) 在 此基 础上 ， 考 虑叠 浇 梁 中钢 纤 维 全轻 混 凝 土对 受 拉 区起 约束 增强 作 用 ， 使 得 纵 向受 拉 钢筋 的有 效 受 拉 区高 度减 小 ， 统计 叠 浇 梁 有 效 受 拉 区 高度 的实 测 值 ， 得 到叠 浇梁 的 h f t e 计 算 公式 为 ： h =h 。( 1 一 A f ) 。 ( 2 ) 式 中 ： h 、 h 分 别 为 含 有 和 没 有 钢 纤 维 影 响 的纵 向 受拉钢筋有效受拉区高度 ； 为钢纤维对有效受拉 区高度 的影 响系数 ， 取值 0 7 8 ； A 为钢纤维 的特征 含 量 ； C 为 最 外 层 纵 向受 拉 钢 筋 的 保 护 层 厚 度 ， 当 c 5 d 时 ， 取 c = 5 d ； d为纵 向受 拉钢 筋 的直 径 ； n为 纵 向受 力钢 筋排 数 ； s 为上 、 下 排钢 筋 问净距 。 2 4平 均 裂缝 间距 基 于普 通钢 筋 昆凝 土梁 的计算 公 式为 ： f 。 = c + 旦 一 h 。 ( 3 ) Pt e “ 式 中 ： a 为所有 纵 向受 拉 钢 筋 截 面 重 心 至 梁 截 面 受 拉边缘 的距离 ； p 。 为纵 向受拉 钢筋 有效 配筋 率 ， P = A O 0 1时， 取值为 0 0 1 ； 为纵 向受拉钢筋横 截面面积 ； A 。 为纵向受拉 钢筋的有效受拉 区面积 ， A ：b x h。 。； 1 、 ： 为试 验 系数 。 叠浇梁有效受拉区面积和纵向受拉钢筋有效配 筋率 为 ： A f f e =( 1一 O 7 8 A f ) A _ o ， ( 4 ) P f f e = p 0 ( 10 7 8 A f ) 。 ( 5) 叠浇梁的裂缝两侧混凝土除了受纵 向受拉钢筋 的约束外 ， 同时还受钢纤维的约束 。在梁截面受拉 边缘 至纵 向受拉 钢 筋 外 表 面 的 范 围 内 ， 钢 纤 维 通 过 连接裂缝两侧的混凝土传递拉应力 ， 使开裂截面混 凝 土 承受 较为均 匀 的拉 应 力 ， 进 而使 某 一 距 离 处未 开裂 截面 混凝 土 的拉 应 力 达 到 限值 而 再 次 开 裂 ； 但 钢纤维全轻混凝土的高抗拉性能又提高了发生开裂 的应 力 限值 。因此 ， 在 钢纤 维 全 轻 混凝 土 叠 浇 梁 中 引入影响系数 ， 考虑 c 对 k的综合影响。结合本次 试验 ， 略 去梁 高 的影 响 ， 叠 浇 梁 的裂缝 间距 预 测 公式 为 ： 磊： 蓑 s “ z ( 卜。 7 8 A r 。( 6 ) 采 用 试 验 梁 平 均 裂 缝 间距 实测 值 进 行 数 据 拟 合 ， 可 得 到 k 。 ：1 9 ， =0 0 8 7 ， =0 1 8 。试 验 梁 平均裂 缝 间距 的实 测值 与式 ( 6 ) 平均 裂 缝计 算 值 的 比值 ： 均值为 0 9 6 0 ， 标准差为 0 1 3 4 。 2 5 裂缝 宽度 平均 裂缝 宽度 和最 大裂 缝宽度 计算 公式 为 ： = 2 ， ( 7) L- t O ：T 1 l 】 。 ( 8 ) 式 中 ： r 为 平均裂 缝 宽度扩 大 系数 ； 为裂 缝 问纵 向 受拉 钢筋 应变 不均 匀系 数 ， =l一 0 ( p ) ； 为纵 向受 拉钢 筋应 力 ； E 为 纵 向 受拉 钢 筋 的 弹性模 量 ； 为裂 缝 间混凝 土变 形影 响 系数 ， 取 值为 0 7 ； 为混凝 土 抗拉 强度 。 对 试 验梁 的 a类 裂缝 ， 统 计 每条 裂 缝 宽 度 与 同 级荷载下所有裂缝平均宽度之 比值 ， 得 到频率直方 图 ， 表 明其 分 布 符 合 正 态 分 布 。按 照 9 5 的保 证 率 ， 得 到 r = +1 6 4 5 o -：1 5 1 。 叠浇梁平均裂缝宽度 的实测值与式 ( 7 ) 计算值 的 比值 ： 均值 为 1 0 9 6， 标 准 差 为 0 2 2 9 。最 大 裂 缝 宽度 的 实测 值 与 式 ( 8 )计 算 值 的 比值 ： 均值 为 1 0 8 3 ， 标准 差为 0 2 8 0 。 3 结语 1 ) 叠 浇 梁 与 同 条 件 下 钢 纤 维 全 轻 混 凝 土 梁 侧 面裂缝分布特征近似。对正常使用荷载下的裂缝进 行分类统计， 结果表明主裂缝的数据相关性最好、 离 5 6 华 j E水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) 2 0 l 6年 4月 散性最小 ， 对叠浇梁的裂缝 宽度发展和分布形态起 控制 作用 。 2 ) 以主 裂缝 为研 究 对象 ， 给 出 了叠 浇 梁平 均 裂 缝间距 、 平均裂缝宽度和最大裂缝宽度的试验成果 ， 确定了叠浇梁有效受拉区高度 的计算方法 ， 建立 了 叠浇梁纵 向受拉钢筋重心水平处裂缝的平 均间距 、 平均宽度和最大宽度的计算公式。 参 考 文 献 I 赵顺波 混凝 土结构 设计 原理 M 2版 上海 ： 同济大 学出版社 ， 2 0 1 3 ： 1 1 0 2 潘丽云 ， 徐文 晓 ， 陈彦磊 ， 等 钢纤 维全轻 混凝土 基本性 能试验 研究 J ， 华 北 水利 水 电大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) ， 2 0 1 5 ， 3 6 ( 2 ) ： 71 O 3 赵顺波 ， 李长永 ， 李晓克 一种 钢纤 维轻混 凝 土与 高强 混凝土叠浇 组合梁 ： 中 国， Z L 2 0 1 2 2 0 2 7 4 5 9 9 4 P 2 0 1 2 1 2 1 9 4 赵顺 波 ， 张新 中 混凝 土叠合 结构设计 原理 M 北 京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 1 ： 1 1 21 2 2 5 李 长永 钢纤 维轻 骨料混 凝土 性能 与叠 浇梁 受弯 性 能 研 究 D 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 1 4 ： 2 5 7 8 6 潘 丽云 ， 尚亚琼 ， 康星星 ， 等 钢 筋钢纤 维全轻混 凝土 叠 浇梁的抗弯刚度 J 华北 水利 水 电大学 学报 ( 自然 科 学 版 )， 2 0 1 5， 3 6( 1 ) ： 4 34 6 7 中 国建筑 科学 研究 院 混 凝土 结构 试 验方 法标 准 ： G B 5 0 1 5 2 -9 2 S 北 京 ： 中 国建 筑 工业 出版 社 ， 2 0 1 2 ： 1 1 38 8 赵顺波 ， 管俊峰 ， 张学朋 ， 等 钢筋混凝 土梁裂缝 分型 试 验研究及 统 计 分析 J 工 程 力学 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 1 4 1 1 4 6 Ex pe r i me n t a l S t u dy o n t he Cr a c k W i dt h i n Re i n f or c e d S upe r p o s e d St e e l Fi be r Re i nf o r c e d Fu l l l i g ht we i g ht Co n c r e t e Be a m s LI Cha n g y o n g，P ENG Ch a o， ( S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d C o mmu n i c a t i o n ， DI NG Xi n x i n，PAN Li y u n No r t h Chi na Uni v e r s i t y o f W a t e r Re s o u r c e s a nd El e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，C h i n a ) Abs t r a c t：Ba s e d o n t h e e x p e r i me nt a l s t u dy O ff f e xu r a l b e h a v i o r s 0 f e i n f 0 r c e ds u pe r p0 s e d s t e e I fib e r r e i n f o r c e d f u l l - l i g h t we i g h t c o nc r e t e ( S F RF L C)b e a ms ，r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a n d r e i n f o r c e d S F RF L C b e a ms 。a n d c o mb i n e d wi t h t h e c r a c k c l a S S i fi c a t i c n s t a t i s t i c a l a na l y s i s， t h e e f f e c t s o f t he l o n g i t u di n a l t e n s i l e r e i n f o r c e me nt r a t i o a nd t he s e c t i o na l d e pt h o f SFRF LC o n t h e me a n c r a c k s p a c e a nd ma x i mum c r a c k wi d t h i n t h e n o r ma l c r o s s s e c t i o n o f t he t e s t r e i n f o r c e d s up e r p o s e d be a ms we r e d i s c u s s e d， t he f o r mu l a s we r e p r o p o s e d f o r t h e c a l c u l a t i on o f t he n o r ma l s e c t i o na l c r a c k s i n r e i n f o r c e d s up e r p o s e d SFRF LC be a ms The r e s u hs Dr o v i d e a c a l c ul a t i o n me t h o d f o r t h e c h e c k i n g c a l c ul a t i o n o f t he c r a c ks un d e r t h e no r ma l s e r v i c e a bi l i t y o f r e i nf o r c e d s u p e r po s e d SFRFLC b e a ms Ke y w o r d s ： s u p e r p o s e d b e a m；s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d f u l l l i g h t w e i g h t c o n c r e t e( S F R F L C) ；C R O S S s e c t i o n a l d e p t h ；l o n g i t u d i n a l t e n s i l e r e i n f o r c e me n t r a t i o；c r a c k di s t r i b ut i o n；c r a c k wi dt h ( 责任编辑 ： 陈海涛 )