活性粉末混凝土梁斜裂缝宽度影响参数探析.pdf

收稿日期:20151201; 修回日期:20151215 基金项目:国家自然科学基金(51368013) 作者简介:金凌志(1959),女,教授,研究方向为预应力与新型混凝土 材料结构,E鄄mail:jlz-5904163. com。 通信作者:温晴(1991),女,硕士研究生,E鄄mail:alwenq163. com。 第 60 卷摇 第 7 期 2016 年 7 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 7 Jul. 2016 文章编号:10042954(2016)07009405 活性粉末混凝土梁斜裂缝宽度影响参数探析 金凌志, 温摇 晴 (广西岩土力学与工程重点实验室, 桂林理工大学,广西桂林摇 541004) 摘摇 要:为了分析剪跨比、配箍率、钢纤维体积率和纵筋率等不同参数对试验梁斜裂缝宽度的影响,进行 4 组 11 根 HRB500 级钢筋活性粉末混凝土简支梁的抗剪试验研究,并提出其最大斜裂缝宽度计算的建议公式。 研究结果表 明: 剪跨比、钢纤维体积率、配箍率和纵筋率都对试验梁的斜裂缝宽度有一定的影响,剪跨比越小,试验梁的斜裂缝 宽度越小;配箍率、钢纤维含量和纵筋率越大,试验梁的斜裂缝宽度越小;其中钢纤维体积率的影响最为明显。 基 于普通钢筋混凝土梁斜裂缝宽度计算公式构建的修正公式,可为 HRB500 级钢筋活性粉末混凝土简支梁的抗剪计 算提供些许参考。 关键词:HRB500; 活性粉末混凝土梁; 影响参数; 斜裂缝宽度 中图分类号:U444摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 07. 022 Research on Parameters Influencing Crack Width of Reactive Powder Concrete Beam JIN Ling鄄zhi, WEN Qing (Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China) Abstract: In order to analyze the influence of different parameters, such as shear span ratio, stirrup ratio, steel fiber volume ratio and longitudinal reinforcement ratio on the shear crack width of the test beam, shear tests of 4 groups of 11 HRB500 grade reinforced concrete simply supported beams are studied, and the proposed formula for calculating the width of the maximum shear crack is put forward. The research results show that shear span ratio, stirrup ratio, steel fiber volume ratio and longitudinal reinforcement ratio all have certain effects on the shear crack width of the beam. The smaller the shear span ratio, the smaller the shear crack width of the test beam. The bigger the stirrup ratio, steel fiber volume ratio and longitudinal reinforcement ratio, the smaller the shear crack width of the test beam. The effect of steel fiber volume fraction is especially obvious. The modified formula based on the calculation formula for the shear crack width of ordinary reinforced concrete beam may provide some references for the shear calculation of HRB500 Grade Reinforced reactive powder concrete simply supported beam. Key words: HRB500; Reactive powder concrete; Influencing parameters; Shear crack width 摇 摇活性粉末混凝土1 4(简称 RPC,Reactive Powder Concrete),由 20 世纪末法国科学家5研制出来,通过 组成材料的去粗骨料、细度和活性性能,以强度高、韧 性强、耐久性高和耐高温性好等优越性能,引起国内外 学者的高度重视。 美国联邦高速公路管理局(FHWA)6 测试了 1 根 24 m 长的预应力 RPC 梁的力学性能,表 现出了良好的力学性能和变形能力。 北京工业大学邓 宗才等7通过 6 根 T 形梁的抗剪试验,将试验值与压 力场理论值进行了比较,并对压力场理论进行了改进。 徐海兵、邓宗才等8还根据剪跨比、配箍率、预应力水 平 3 种参数变化,进行 9 根超高性能纤维混凝土梁抗 剪性能试验,研究表明,抗剪承载力随剪跨比的增大而 减小,随预加力、配箍率的增大而增大。 金凌志、何 培9等对 4 根不同强度等级纵筋和箍筋率的 RPC 简 支梁进行抗剪试验,得出箍筋率对高强钢筋 RPC 简支 梁斜裂缝宽度的影响比较明显,并导致试验梁发生不 同形态破坏的结论。 此外,北京交通大学、湖南大学等 许多高校都对 RPC 材料及抗剪梁进行了大量相关研 究10 11。 但是有关多参数对高强钢筋 RPC 简支梁最 大斜裂缝宽度的系统研究目前还比较少见,本文通过 4 组 11 根不同参数的高强钢筋 RPC 简支梁的抗剪试 验研究,比对分析剪跨比、钢纤维体积率、配箍率和配 筋率等不同参数对试验梁最大斜裂缝宽度的影响程 度,并提出了高强钢筋 RPC 简支梁的斜裂缝宽度计算 的建议公式,为高强钢筋 RPC 构件的抗剪设计提供 参考。 1摇 试验概况 试验共设计了 4 组 11 根试验梁,立方体抗压强度 fcu=127 MPa,轴心抗压强度 fc=117 MPa,立方体劈裂 强度 fts=9郾 19 MPa,钢纤维采用平直钢纤维,直径为 0郾 15 0郾 2 mm,长径比 65 87,抗拉强度2 000 MPa。 梁截面尺寸均为 b伊h=150 mm伊250 mm,L=2 200 mm, 主要参数为剪跨比(1郾 5、2郾 2、3郾 0)、箍筋率(0郾 17%、 0郾 25%、0郾 58%)、配筋率(4郾 43%、6郾 39%、8郾 04%)、 钢纤维体积率(0%、1%、2%、3%)等,详见图 1 和表 1。 为确保简支梁受剪先于受弯破坏,根据计算布置了 足够的纵向钢筋。 图 1摇 试验梁详图(单位:mm) 摇 表 1摇 RPC 试件基本情况 试件编号剪跨比(姿) 箍筋等级间距 配箍率 (籽sv) / % 纵筋 纵筋率 (籽) / % 钢纤维含量 (vf) / % Vcr/ kNVu/ kN破坏形态 L11郾 51准645004准256郾 582101郾 0656郾 0斜压破坏 L22郾 20准645004准256郾 582220郾 0356郾 0剪压破坏 L33郾 02准645004准256郾 582120郾 0335郾 0主要斜拉破坏 L42郾 20准62250郾 174准256郾 582100郾 7419郾 3剪压破坏 L52郾 20准61500郾 254准256郾 582100郾 3430郾 9剪压破坏 L62郾 20准6650郾 584准256郾 582100郾 3426郾 3弯曲破坏 L72郾 20准645004准254郾 432140郾 8300郾 0剪压破坏 L82郾 20准645004准258郾 042221郾 8425郾 0剪压破坏 L92郾 20准645004准256郾 58081郾 7116郾 0斜拉破坏 L102郾 20准645004准256郾 581151郾 5249郾 0剪压破坏 L112郾 20准645004准256郾 583251郾 4415郾 0剪压破坏 摇 摇 注:Vcr为试件斜裂缝出现时的剪力值;Vu为试件斜截面破坏时的剪力值。 59第 7 期金凌志,温摇 晴活性粉末混凝土梁斜裂缝宽度影响参数探析 摇 摇 试验采用门式反力架静力加载方案,加载方式为 两点对称集中加载。 加载设备采用量程为1 500 kN的 液压千斤顶加载系统,主要由储油箱、高压油泵、液压 加载器、测力装置和阀门等配件,通过高压油管连接而 成, 试验现场照片见图 2。 图 2摇 RPC 试验梁加载装置 摇 2摇 斜裂缝宽度主要影响因素分析 2郾 1摇 破坏形态 试验梁 L1 L3 都是无腹筋梁,L1 的剪跨比为 1郾 51,承载力达 656 kN,Vu/ Vcr=6郾 5,在支座与加载点 之间呈现多条近似平行的斜裂缝,最后斜裂缝形成 “短柱冶 被压碎。 L2 的剪跨比为 2郾 2 比较适中,Vu/ Vcr=1郾 62,剪跨区微裂缝不多,临近破坏时其中一条斜 裂缝发展成临界裂缝,发生剪切破坏,外观上与普通混 凝土梁的剪压破坏相差不大,但试验梁在丧失承载能 力时, 剪压区 RPC 并未出现明显被压碎的现象。 L3 虽然剪跨比 姿抑3,其破坏外观和普通混凝土梁的 斜拉破坏外观类似,有斜拉破坏的趋势,但 Vu/ Vcr= 2郾 8,斜裂缝出现后,并没有很快形成临界斜裂缝,斜 裂缝倾角明显小于斜压和剪切破坏的梁。 L6 因为箍 筋比较多,抗剪能力大于抗弯能力,发生了弯曲破坏。 L9 未掺钢纤维,没有桥架作用,其开裂剪力和极限承 载力明显小于其他梁,当荷载加至 232郾 5 kN 时,突然 发出“蹦冶的一声,试验梁宣告破坏,最终形成 1 条宽 度达 3郾 4 mm 的斜裂缝,前后贯通,试验梁被劈裂成两 部分,也呈现出斜拉破坏的倾向。 其余试验梁的剪跨 比均为 2郾 2,基本发生剪压破坏。 2郾 2摇 剪跨比 将剪跨比 姿 为 1郾 51(L1)、2郾 26(L2)及 3郾 01(L3) 的 3 根试验梁进行比对分析,由图 3 可以看出,不同剪 跨比的 RPC 简支梁,初始裂缝宽度基本变化不大,原 因可能是钢纤维在 RPC 内部起到桥架作用,有效抑制 了斜裂缝的开展。 随着加载值的增长,钢纤维逐渐被 拔出,剪跨比的影响才体现出来,随着荷载的增加,剪 跨比对 RPC 梁斜裂缝宽度和倾角的影响越来越明显。 剪跨比较小时,RPC 梁剪跨区的拉应力比较小,斜裂 缝宽度的发展缓慢,最终宽度较小,倾角较大。 剪跨比 增大,剪跨区的拉应力增加,斜裂缝宽度发展加快,最 终宽度也较大,但其倾角减小。 图 3摇 不同剪跨比荷载-最大斜裂缝宽度曲线 摇 图 4摇 不同配箍率荷载-最大斜裂缝宽度曲线 摇 2郾 3摇 配箍率 本试验共设计4 根不同配箍率梁,将梁 L2、梁 L4、 梁 L5、梁 L6 的 4 根试验梁进行对比分析,由图 4 可 知,配箍率对斜裂缝的出现影响甚微,但可有效抑制斜 裂缝的发展。 同级荷载下,斜裂缝宽度随配箍率的增 加而减小,有腹筋梁 L4、L5 的最大斜裂缝宽度分别比 无腹筋梁 L2 降低 48郾 6%、42郾 8%,反映出 HRB400 级 高强箍筋对斜裂缝的抑制作用显著。 但是由于 L6 发 生了弯曲破坏,挠度增大,延性比较好,在试验加载过 程中,斜裂缝宽度变化不大,突变性不明显。 图 5摇 不同钢纤维体积率荷载-最大斜裂缝宽度曲线 2郾 4摇 钢纤维体积率 将钢纤维体积掺量为 0% (L9)、1% (L10)、2% (L2)、3% (L11) 的 4 根试验梁进行比对分析,如图 5 所示,掺入钢纤维的梁,开裂荷载明显大于无钢纤维 69铁 道 标 准 设 计第 60 卷 梁,钢纤维体积掺量越高,开裂荷载越大。 在开裂荷载 后的一段时间内,斜裂缝宽度一直呈线性缓慢增长,随 着钢纤维体积率的增加,曲线斜率变小。 钢纤维 3% 掺量与 2% 掺量的试验梁的曲线平缓段类似,表明在 钢纤维体积含量达到 2% 以后,如果继续增加钢纤维 含量,限制裂缝开展的能力并没有得到很明显的改善, 但梁的最终斜裂缝宽度会随着钢纤维含量的增加而 减小。 2郾 5摇 纵筋率 将纵筋配筋率为 4郾 43% ( L7)、6郾 58% ( L2)、 8郾 04%(L8)的 3 根试验梁进行比对分析,如图 6 所 示,随着加载的持续,试验梁的配筋率越大,斜裂缝宽 度越小。 这是因为:一方面高强度的纵向钢筋本身具 有较强的销栓作用,能改善试验梁的受剪性能,使 RPC 的抗剪承载力得以提高;另一方面,高强度的 HRB500 级纵筋与高性能的 RPC 良好的协同工作能 力,使二者的粘结性能比较好,RPC 的受压区截面高 度较大,可以减缓和抑制斜裂缝的开展。 图 6摇 纵筋配筋率荷载-最大斜裂缝宽度曲线 摇 2郾 6摇 各参数影响程度 将试验梁斜裂缝宽度 0郾 3 mm 和 1郾 5 mm 及其对 应的荷载值绘制成图 7 斜裂缝宽度-荷载曲线,不难 发现:不同钢纤维体积掺量曲线跳跃最大,钢纤维掺量 越高,同等斜裂缝宽度下梁的对应承载力越高,说明钢 纤维体积掺量的变化对斜裂缝宽度的影响最大,这与 文献12所指出的,初裂荷载随钢纤维体积率的增加 而提高,当钢纤维体积率为 2%时可提高 80%以上,钢 纤维体积率越高,最大斜裂缝宽度越小,细次裂缝越多 等的结论一致。 剪跨比的影响仅次于钢纤维体积含量 的变化,剪跨比越小,同等斜裂缝宽度下梁的承载力越 高。 以配箍率和纵筋率为参数的试验梁,斜裂缝宽度 0郾 3 mm 和 1郾 5 mm 对应的梁承载力基本在 800 kN 上 下波动,变化幅度并不明显,纵筋率变化的影响相对更 小。 值得注意的是,箍筋率较高的 L6 发生弯曲破坏, 斜裂缝宽度和长度都很小。 因此可以认为,各参数对 试验梁斜裂缝宽度的影响程度大小依次为 淄f姿 籽sv籽s。 图 7摇 不同参数斜裂缝宽度-荷载曲线 摇 3摇 有腹筋梁斜裂缝宽度计算分析 3郾 1摇 斜裂缝宽度计算模型 钢筋混凝土有腹筋梁的抗剪计算模式如图 8 所 示,主要由剪压区 RPC 剪力 Vc、箍筋剪力 Vsv、裂缝处 骨料咬合力 Vra、纵筋销栓力 Vd和钢纤维拉力 Vs所 组成。 图 8摇 钢筋混凝土梁抗剪计算模式 摇 极限剪力 Vu= Vc+ Vsv+ Vrasin 琢 + Vd+ Vscos 琢(1) 3郾 2摇 斜裂缝宽度计算公式 基于上述计算模型,有关钢筋混凝土构件的斜截 面裂缝宽度,国内外学者给出了许多计算方法,其中大 连理工大学赵国藩教授提出13 棕max= 0郾 85 伊 c 伊 滓sv伊 10 -3 (2) 滓sv= V - 0郾 85 姿 + 2() 滋 f tkbh0 bh0滋sv (3) 式中摇 c 考虑荷载作用时间的影响系数,短期荷载 作用情况下 c=1郾 0,荷载长期作用下或多 次反复作用时取 c=1+0郾 5伊Vck Vk ; Vck 长期或多次重复荷载作用的剪力; V 全部荷载的剪力; 滓sv 箍筋应力; 姿 剪跨比,1郾 5臆姿臆3;当 姿逸3 时,姿=3;当 姿臆1郾 5 时,姿=1郾 5;均布荷载时,姿=1郾 5; 79第 7 期金凌志,温摇 晴活性粉末混凝土梁斜裂缝宽度影响参数探析 ftk 混凝土抗拉强度标准值; 滋 纵筋配筋率; 滋sv 箍筋配筋率。 3郾 3摇 计算值与试验值比对 将本文3 根梁及新做4 根梁和文献9的5 根有腹 筋梁试验数据代入式(2)、式(3),得到表 2 的计算结 果,并与试验值进行对比分析。 表 2 中,Vu为试验剪力 极限值;ft为轴心抗拉强度,由劈裂强度换算而得,关系 换算式14为 ft=0郾 921(1-0郾 27姿f)fts;棕max为计算最大斜 裂缝宽度;棕u为试验观测所得最大斜裂缝宽度。 表 2摇 最大斜裂缝宽度计算值与试验值 文献 本文 新做梁 文献9 试件 编号 剪跨 比 姿 Vu/ kN 配箍率 (籽sv) / % ft / MPa 棕max / mm 棕u / mm L42郾 2419郾 250郾 175郾 974郾 714 3483 L52郾 2430郾 850郾 255郾 973郾 289 3613 L62郾 2426郾 250郾 585郾 971郾 344 2820郾 34 XL12郾 25499郾 10郾 255郾 973郾 425 5741郾 55 XL23349郾 90郾 135郾 976郾 332 682郾 76 XL33418郾 30郾 255郾 973郾 617 2771郾 1 XL43421郾 70郾 385郾 972郾 610 9110郾 84 L0012郾 254350郾 454郾 942郾 380 1531郾 1 L0022郾 254850郾 754郾 941郾 705 2551郾 5 对比表 2 的数据,计算值与理论值的差别比较明 显,说明式(2)不太适应于高强钢筋活性粉末混凝土 梁斜裂缝宽度的计算,从现场观测到的试验现象也说 明了这一点。 例如,新做梁 XL2 XL4,剪跨比均为 3, 配箍率 0郾 13% 0郾 38%,破坏形态都为剪压型,斜裂 缝宽度呈细而密的趋势变化,甚至没有较宽的临界斜 裂缝,比普通混凝土梁的斜裂缝宽度明显小很多。 这 是由于 RPC 致密的微观结构,钢纤维的阻裂作用,高 强箍筋较高的约束力,HRB500 级纵筋较强的销栓力 共同作用的结果。 将表 2 的数据进行线性拟合,得到 图9 的回归曲线,修正系数 a=0郾 503,则最大斜裂缝宽 度计算公式修正为 棕max= 0郾 85 伊 a 伊 c 伊 滓sv伊 10 -3 = 0郾 85 伊 0郾 503 伊 c 伊 滓sv伊 10 -3 = 0郾 85 伊 0郾 503 伊 c 伊 V - 0郾 85 姿 + 2() 滋 f tkbh0 bh0滋sv 伊 10 -3 (4) 4摇 结论 (1)剪跨比、配箍率、钢纤维含量和纵筋配筋率对 HRB500 级钢筋活性粉末混凝土简支梁的斜截面裂缝 宽度都有一定的影响,剪跨比越小,试验梁的斜裂缝宽 度较小,但其倾角较大;配箍率越大,试验梁的斜裂缝 宽度越小;钢纤维含量越大,试验梁的斜裂缝宽度越 图 9摇棕max与棕u关系曲线 摇小;纵筋配筋率越大,试验梁的斜裂缝宽度亦越小。 其 中钢纤维体积含量对斜裂缝宽度的影响最明显,剪跨 比次之,其三是配箍率,纵筋配筋率的影响最小。 (2)在已有普通钢筋混凝土梁最大斜裂缝宽度公 式的 的 基 础 上, 根 据 试 验 数 据, 拟 合 出 适 用 于 HRB500 级钢筋活性粉末混凝土简支梁斜裂缝宽度计 算的修正系数,所建立的计算公式(4)可为同类研究 提供参考。 参考文献: 1摇 Yang S L, Millard S G, Soutsos M N, et al. 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