高强钢筋高强混凝土简支梁抗剪试验研究.pdf

第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 8 Apr 2013 高强钢筋高强混凝土简支梁抗剪试验研究 * 叶献国 1， 2， 张 煜 1， 种 迅 1， 蒋 庆 1， 黄小坤3， 刘 刚 3 ( 1 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009;2 安徽土木工程结构与材料省级实验室， 合肥 230009;3 中国建筑科学研究院，北京 100013) 摘要为研究高强钢筋高强混凝土简支梁的抗剪性能， 设计了 5 根同时采用 HRBF500 级高强钢筋和 C80 高强 混凝土的简支梁， 并对其进行了集中荷载作用下的剪切破坏试验， 分析了不同配箍率和不同纵筋配筋率对于试件 裂缝、 破坏形态、 挠度及承载力的影响， 并将承载力的试验值与我国混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 及美 国 ACI 318- 08 规范进行对比。 结果表明， 试验梁的破坏形态与普通梁相似， 抗剪承载力随配箍率的增大而提高， 按 我国混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 和美国ACI 318- 08 规范计算的承载力与实测承载力存在一定差异。 关键词简支梁;高强混凝土;高强钢筋;受剪承载力 中图分类号: TU375文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 08- 0048- 03 Experimental study on shear behavior of simple supported high- strength concrete beams with high- strength steel Ye Xianguo1， 2，Zhang Yu1，Chong Xun1，Jiang Qing1，Huang Xiaokun3，Liu Gang3 ( 1 School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2 Anhui Provincial Civil Structural and Material Laboratory，Hefei 230009，China;3 China Academy of Building Research，Beijing 100013，China) Abstract: In order to study the shear performance of simple supported high-strength concrete beams with high-strength steel，five simple supported beams which were made by HRBF500 high strength steel and C80 high strength concrete，were tested under the concentrated loads The effects of different stirrup ratio and the amount of longitudinal reinforcement on the crack，model of failure，deflection and shear capacity were studied The shear strength of tested beams were compared with the shear design approaches of Chinese Code for design of concrete structures( GB 500102010)and American ACI 318- 08 Code The results indicate that the failure model of high-strength concrete beams with high-strength steel is similar to that of normal beams With increasing of stirrup ratio，the shear strength of beams increases correspondingly In comparison with the shear capacity observed in the experiment，the results of calculation by Chinese Code for design of concrete structures ( GB 500102010)and American ACI 318- 08 Code are divergent Keywords: simple supported beam;high-strength concrete;high-strength steel;shear capacity * “十一五” 国家科技支撑课题“高强高性能混凝土结构性能研究” ( 2008BAE61B05- 04) 。 作者简介: 叶献国， 教授， 博士生导师， Email: yexg428 yahoo com cn。 0引言 高强混凝土和高强钢筋不仅能够提高混凝土结 构的承载力， 缩小构件截面尺寸， 而且可以减少材料 用量， 符合建筑节能、 绿色建筑以及可持续发展战略 的要求 1。但高强钢筋高强混凝土结构与普通混 凝土结构的受力特点并不完全相同， 目前开展的试 验研究尚不充分， 需要对此类构件进行深入系统的 研究。本文在试验的基础上研究了采用 500MPa 高 强钢筋和 C80 高强混凝土梁的抗剪性能， 分析其破 坏形态， 探讨了配箍率与纵筋配筋率对其抗剪承载 力的影响。 1试验内容与方法 1. 1 试件设计 试验设计了 5 根高强钢筋高强混凝土梁， 主要 设计参数为: 梁总长 4m， 试验跨度 3. 6m， 设计截面 尺寸为 200mm 450mm， 剪跨比均为 3， 混凝土强度 等级 为 C80， 箍 筋 强 度 等 级 为 HRB400， 纵 筋 为 HRBF500 高强钢筋。试验主要变化参数为配箍率 ( 0. 25% ， 0. 34% ， 0. 20% ) 和纵向受拉钢筋配筋率 ( 2. 27% ， 1. 89% ， 1. 56% ) 。试件实测截面尺寸和 配筋参数见表 1。 1. 2 试验方案及测量内容 试验采用两点对称集中加载。为防止混凝土局 试件截面尺寸及配筋参数表 1 试件 编号 截面尺寸 ( b h) /mm 上部纵筋下部纵筋箍筋 L4196 4462F126F20 8 200 L5203 4542F126F20 8 150 L6202 4472F126F20 8 250 L7201 4522F125F20 8 200 L8203 4512F121F20 + 2F25 8 200 第 43 卷 第 8 期叶献国， 等 高强钢筋高强混凝土简支梁抗剪试验研究 部压碎， 在支座及加载处均加设宽 100mm、 厚 25mm 的钢板。试验主要测试参数有受弯区段纵筋应变、 受剪区段箍筋应变、 跨中挠度、 极限荷载等。具体加 载装置及测点布置示意见图 1。 注: G3， G4， G7， G8 为箍筋应变片; Z1 Z3 为纵筋应变片。 图 1试件测点布置及加载装置示意 试验加载制度按照混凝土结构试验方法标 准 ( GB 5015292) 2进行分级加载， 在试件出现 第一条裂缝前和加载到预计破坏荷载 70% 后， 每级 荷载 取 10kN， 中间阶段 取 20kN。每 级 荷 载 持 时 10min， 持荷始、 末分别采集一次数据。每次试验前 进行预加载。 1. 3 材性试验 试验梁浇筑时同时浇筑 3 个标准立方体试块。 试块与试验梁同条件养护 28d 后测试其立方体抗压 强度， 试验得到的立方体抗压强度平均值 fcu， m= 93. 3MPa。参 照混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( GB 500102010) 3中提供的 C80 混凝土立方体抗压 强度与轴心抗压、 抗拉强度换算公式， 按以下公式分 别计算轴心抗压强度 fc， m及轴心抗压强度 ft， m4: fc， m= 0 82fcu， m= 76. 51MPa( 1) ft， m= 0 395f 0 55 cu， m = 4. 79MPa( 2) 通过拉伸试验得到钢筋屈服强度及极限强度， 见表 2。 钢筋力学性能表 2 强度等级直径 /mm屈服强度 /MPa极限强度 /MPa HRB4008286. 3480. 1 HRBF50012499. 3643. 3 HRBF50020544. 3693. 1 HRBF50025529. 2698. 7 2裂缝开展及破坏特征 2. 1 裂缝开展 当荷载增加到约 35 45kN 时， 梁纯弯段首先 出现弯曲裂缝并逐渐向上发展， 初始时长度较小， 约 为 30 50mm，裂 缝 宽 度 也 较 小，约 为 0. 04 0. 07mm。随着荷载的增加， 裂缝数量不断增多且向 两侧剪弯区发展， 这些弯曲裂缝的间距基本相等。 当荷载增加到约 80 100kN 时， 梁受剪区段的 1 条 或数条弯曲裂缝出现倾斜， 发展为斜向裂缝， 此类斜 裂缝称为弯剪型斜裂缝， 初始裂缝宽度一般不足 0. 1mm。随着荷载的增加， 试件还出现了腹剪型斜 裂缝， 即在梁腹部突然出现斜向裂缝 5， 此类裂缝 出现 时 具 有 较 大 的 斜 向 延 伸 长 度，约 为 90 150mm， 但裂缝宽度较小。继续加载时斜裂缝发展 缓慢， 这是由于箍筋的限制和约束作用。当荷载增 加到接近极限荷载时， 斜裂缝宽度迅速增大， 并向加 载点和支座发展， 部分斜裂缝在加载点部位发展为 横向裂缝， 形成剪压区。继续加载时斜裂缝宽度会 突然增大， 剪压区混凝土被压碎， 最终梁破坏。L5 和 L8 的最终裂缝分布如图 2 所示。 图 2典型试件裂缝分布图 2. 2 破坏特征 根据试验所得裂缝开展、 纵筋应变及箍筋应变， 对梁的破坏形态进行区分， 其中， L4 L7 荷载达到 极限荷载时纵筋尚未屈服， 受剪区段箍筋屈服， 剪压 区混凝土被压碎， 破坏为剪压破坏， 呈现明显脆性。 L8 加载至接近极限荷载时箍筋首先屈服， 然后纵筋 屈服， 最 后 剪 压 区 混 凝 土 被 压 碎， 试 件 为 弯 剪 破 坏 6， 破坏呈现一定延性特征。梁破坏形态见图 3。 3试验结果及分析 3. 1 荷载- 箍筋应变曲线 箍筋应变片位置见图 1， 图 4 为部分梁的荷载- 箍筋应变曲线。可以看出， 加载初期箍筋应变很小， 当出现斜向裂缝后， 箍筋应变发生突变， 并随着荷载 的增加发展迅速， 这表明前期抗剪承载力主要由混 凝土提供， 箍筋在斜裂缝出现后才发挥作用 7。 3. 2 荷载- 挠度曲线 各试验梁实测荷载-跨中挠度曲线如图 5 所示。 由图可见， 在荷载较小时， 梁挠度随荷载增加基本呈 线性增长， 当荷载增加到一定值时， 梁受拉侧边缘出 现弯曲裂缝， 刚度发生突变， 荷载-挠度曲线斜率也 发生突变。之后随着荷载继续增加， 曲线斜率不断 降低。L4， L5， L6 和 L7 的挠度在极限荷载时达到峰 值点， 之后试件破坏， 反映了剪压破坏呈明显脆性。 L8 在加载末期出现明显屈服阶段， 即荷载保持不变 但挠度不断增大的过程， 表明发生弯剪破坏的梁仍 然具有一定延性。 94 建筑结构2013 年 图 3试验梁破坏形态 图 4试件荷载-箍筋应变曲线 图 5试件荷载-挠度曲线 3. 3 受剪承载力 表 3 列出了各试验梁极限承载力的实测值、 按 我国混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 3 及美国 ACI 318- 08 规范 8受剪承载力公式计算结 果、 实测值与计算值的比值。图 6 为纵向受拉钢筋 配筋率 l为 2. 27% 时试验梁的实测抗剪承载力与 配箍率 sv的关系。 试验梁受剪承载力表 3 试件 sv /% l /% Vu /kN Vcs /kN Vn /kN Vu Vcs Vu Vn L40. 252. 27246225. 2184. 01. 091. 34 L50. 342. 27267255. 5212. 01. 041. 26 L60. 202. 27192219. 1176. 60. 881. 09 L70. 251. 89180232. 8188. 20. 770. 96 L80. 251. 56212234. 0187. 40. 911. 13 注: Vu为实测值， Vcs为按我国混凝土规范计算值， V n为按美国 ACI 318- 088 规范计算值， 计算时采用由材性试验得到的混凝土和 钢筋材料强度。 从表 3 及图 6 可以看出， 梁的抗剪承载力随着 配箍 率 的 增 大 而 提 高， 配 箍 率 由 0. 20% 增 加 到 0. 25% 时， 梁抗剪承载力提高了约 28% ， 配箍率由 0. 25% 增加到 0. 34% 时， 梁抗剪承载力提高了约 9% 。纵筋配筋率对梁抗剪承载力也有一定影响， 配 筋率最大的 L4 的承载力高于 L7 和 L8， 但配筋率为 图 6抗剪承载力与配箍率关系 1. 89% 的 L7 承载力却略小于配筋率为 1. 56% 的 L8， 其原因可能是 L7 配置了双排底部纵筋， 梁截面 有效高度相对较小所致。从表 3 还可以看出， 按中 美两国规范提供的抗剪承载力公式计算的结果与实 测值存在一定差异， 且按美国规范计算值基本偏低， 安全度相对高于我国规范。 4结论 ( 1) 集中荷载作用下的高强钢筋高强混凝土梁 的裂缝形态及破坏特征与普通混凝土梁相似， 其中 发生剪压破坏的 L4， L5， L6 和 L7 破坏时呈脆性， 发 生弯剪破坏的 L8 则具有一定延性。 ( 下转第 5 页) 05 第 43 卷 第 8 期何诚， 等 南通熔盛大厦办公楼弹塑性时程分析 图 12L650- 1 作用下核心筒观测点拉应变峰值沿层高分布 图 13L650- 1 作用下核心筒观测点压应变峰值沿层高分布 图 14观测点位置 的性能表现。根据分析结果， 在 3 条地震波下， 梁、 柱端部均未出现塑铰; 连梁沿全高均有塑性转动， 转 动范围介于 IO( 立即使用) 和 LS( 生命安全) 之间; 环向桁架和伸臂桁架的塑性变形介于 B 和 IO 之 间。因此， 以上构件在大震作用下均满足抗震性能 目标。 8结语 综合以上分析， 南通熔盛大厦在罕遇地震下结 构的整体表现( 最大顶点位移， 层间位移角) 和构件 表现( 梁、 柱塑性转角， 剪力墙塑性变形) 均满足规 范中提出的抗震性能目标的要求。 参考文献 1 CSICSIanalysisreferencemanualforSAP2000， ETABS， andSAFEM Berkeley， California: Computers and Structures，INC，2009 2 FEM 356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings S ASCE，2000 3 王亚勇 结构抗震时程分析法中地震波的选择J 工程抗震， 1988( 4) : 15- 22 4 王亚勇， 程民宪， 刘小弟 结构抗震时程分析法输入地 震记录的选择方法及其应用J 建筑结构， 1992， 22 ( 3) : 3- 7 ( 上接第 50 页) ( 2) 配箍率与纵筋配筋率对梁的抗剪性能影响 较大， 抗剪承载力随着配箍率的增大而明显提高; 纵 筋配筋率对梁抗剪承载力的影响也较为明显， 纵筋 配筋率较大的梁承载力一般较高。 ( 3) 按中美两国规范计算抗剪承载力与实测值 存在一定差异， 美国规范的安全度高于我国规范。 参考文献 1 冷发光， 王永海， 周永祥， 等 高强混凝土的研究应用 和发展趋势J 商品混凝土， 2011( 2) : 25- 27 2 GB 5015292 混凝土结构试验方法标准S 北京: 中 国建筑工业出版社， 1992 3 GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2011 4 梁兴文， 马乐为， 邓明科 混凝土结构课程教学中的若 干问题J 建筑结构， 2008， 38( S1) : 72- 74 5 史庆轩， 侯炜， 姜维山， 等 高强箍筋高强混凝土梁受 剪承载力研究J 建筑结构学报， 2009， 30( S2) : 98- 103 6 易伟建， 吕艳梅 高强箍筋高强混凝土梁受剪试验研 究J 建筑结构学报， 2009， 30( 4) : 94- 101 7 李鹏， 王命平， 耿树江， 等 高强箍筋混凝土简支梁抗 剪承载力试验研究J 青岛理工大学学报， 2009， 30 ( 5) : 20- 24 8 ACI 318- 08 Building code requirements for structural concrete and commentaryS 2008 绿色低碳现代木结构， 筑建节能型生态城市 2013 年 4 月 3 日， 由中国国家住建部主办的第九届 国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会 在北京国际会议中心隆重开幕。在开幕仪式上， 加拿大 驻华大使赵朴先生( Guy Saint-Jacques) 发表了致辞， 另 外出席的还有加拿大联邦政府自然资源部林务局产业 和贸易处处长 Robert Jones 先生。开幕式后， 赵朴大使 陪同中国住建部副部长仇保兴参观了加拿大木业协会 在此次绿色大会的展台并介绍了现代木结构作为绿色 建筑代表在中国的发展前景。仇保兴部长在开幕式及 随后的参观中对现代木结构在绿色建筑产业中可以发 挥的积极作用做了高度评价， 并对木结构建筑行业的未 来发展提出了建设性的建议。今年是加拿大木业协会 自 2009 年以来， 第五次参与到该中国规模和影响力最 大的绿色建筑节能行业盛会。 5