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HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究

张建伟 张德利 冯曹杰 曹万林

张建伟, 张德利, 冯曹杰, 曹万林. HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
引用本文: 张建伟, 张德利, 冯曹杰, 曹万林. HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
Jian-wei ZHANG, De-li ZHANG, Cao-jie FENG, Wan-lin CAO. EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR PERFORMANCE OF HRB600 STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE BEAMS WITHOUT WEB REINFORCEMENT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
Citation: Jian-wei ZHANG, De-li ZHANG, Cao-jie FENG, Wan-lin CAO. EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR PERFORMANCE OF HRB600 STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE BEAMS WITHOUT WEB REINFORCEMENT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050

HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
基金项目: 国家自然科学基金项目(51678009);北京市教委科技重点项目(KZ201710005003)
详细信息
    作者简介:

    张德利(1994−),男,山东人,硕士生,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: 18811754045@163.com)

    冯曹杰(1990−),男,山西人,硕士生,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: 1457471683@qq.com)

    曹万林(1954−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: wlcao@bjut.edu.cn)

    通讯作者: 张建伟(1971−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: zhangjw@bjut.edu.cn)
  • 中图分类号: TU375.1

EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR PERFORMANCE OF HRB600 STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE BEAMS WITHOUT WEB REINFORCEMENT

  • 摘要: 为了解配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁受剪性能,以纵筋配筋率、混凝土钢纤维掺量为变化参数,对5根配置HRB600级纵筋的无腹筋梁进行了受剪试验,对比分析了各试验梁的斜截面承载力、荷载-挠度曲线、裂缝宽度和破坏特征。研究结果表明:随着纵筋配筋率的提高,HRB600级钢筋高强混凝土梁的开裂荷载和斜截面极限荷载增大,斜裂缝宽度减小;钢纤维可以有效地提高高强混凝土梁的斜截面开裂荷载,限制斜裂缝的产生与发展;随着钢纤维掺量的增加,高强混凝土梁的受剪承载力增大;使用现行混凝土结构设计规范和纤维混凝土结构技术规程对配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁和钢纤维高强混凝土梁的斜截面受剪承载力进行设计计算,其结果是偏于安全的。
  • 图  1  试件的配筋示意与几何尺寸 /mm

    Figure  1.  Reinforcement arrangement and geometric size for specimens

    图  2  试件的加载装置示意 /cm

    注:1—位移计;2—纵筋应变片

    Figure  2.  Test setup of specimens

    图  3  试件破坏形态

    Figure  3.  Failure mode for specimens

    图  4  荷载-纵筋应变曲线

    Figure  4.  Load-strain curves of longitudinal reinforcements

    图  5  不同纵筋配筋率试验梁的荷载-跨中挠度曲线

    Figure  5.  Load-deflection curves for beams with different reinforcement ratios

    图  6  不同钢纤维掺量试验梁的荷载-跨中挠度曲线

    Figure  6.  Load-deflection curves for beams with different steel fiber contents

    图  7  极限受剪承载力比较

    Figure  7.  Comparison of ultimate shear strength

    图  8  荷载-斜裂缝宽度曲线

    Figure  8.  Load- diagonal crack width curves

    表  1  试件设计参数

    Table  1.   Design parameters of specimens

    试件编号 混凝土等级 纵筋等级 钢纤维掺量/(%) 纵筋配置量 配筋率/(%)
    B1 C80 HRB600 0 3Ф16 0.60
    B2 C80 HRB600 0 3Ф22 1.14
    B3 C80 HRB600 0 3Ф22+3Ф16 1.75
    B4 C80 HRB600 1.5 3Ф22 1.14
    B5 C80 HRB600 2.0 3Ф22 1.14
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    表  2  钢纤维高强混凝土配合比

    Table  2.   Mix proportion of steel fiber reinforced high-strength concrete

    设计强度 钢纤维
    体积率/(%)
    钢纤维质量/
    (kg/m3)
    水/
    (kg/m3)
    水泥/
    (kg/m3)
    硅灰/
    (kg/m3)
    矿粉/
    (kg/m3)
    粉煤灰/
    (kg/m3)
    砂/
    (kg/m3)
    石/
    (kg/m3)
    减水剂/
    (kg/m3)
    C80 0.0 0.0 174.0 450.0 30.0 60.0 60.0 651.2 1080.0 17.5
    C80 1.5 117.8 178.2 413.7 29.6 59.1 59.1 641.4 1063.8 17.2
    C80 2.0 157.0 185.0 411.6 29.4 58.8 58.8 638.2 1058.4 17.2
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    表  3  混凝土力学性能

    Table  3.   Mechanical properties of concrete

    试件编号 钢纤维体积率/(%) 立方体抗压强度fcu/MPa 轴心抗压强度fc /MPa 抗拉强度ft /MPa 轴心抗压强度计算值fccal /MPa fc/ fccal
    B1~B3 0.0 83.12 72.40 4.49 68.16 1.06
    B4 1.5 85.44 74.83 4.56 70.06 1.07
    B5 2.0 87.17 80.37 4.61 71.48 1.12
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    表  4  钢筋力学性能

    Table  4.   Mechanical properties of steel bars

    直径/mm 屈服强度/MPa 极限强度/MPa 伸长率/(%)
    16 668 858 16.1
    22 634 809 20.2
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    表  5  受剪承载力计算值与实测值比较

    Table  5.   Comparison between the calculated and measured shear strength of test beams

    编号 实测极限受剪承载力Vm/kN 《混凝土结构设计规范》
    计算值Vu/kN
    《纤维混凝土结构技术规程》
    计算值Vfc/kN
    文献[14]
    计算值V/kN
    Vm/Vu Vm/Vfc Vm/V
    B1 247.1 264.1 218.7 0.94 1.13
    B2 412.6 260.8 379.7 1.58 1.09
    B3 574.9 273.9 587.4 2.10 0.98
    B4 447.5 264.9 416.5 379.5 1.69 1.07 1.18
    B5 477.9 267.8 472.2 379.1 1.78 1.01 1.26
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    表  6  斜裂缝最大宽度

    Table  6.   The maximum width of diagonal cracks

    试件编号 斜裂缝开裂
    荷载Vcr/kN
    正常使用极限
    荷载V0.6u/kN
    80%极限荷载V0.8u/kN 开裂荷载对应的
    裂缝宽度wcr/mm
    正常使用极限荷载
    对应的裂缝宽度w0.6u/mm
    80%极限荷载
    对应的裂缝宽度w0.8u/mm
    B1 70.00 148.07 197.43 0.20 1.46 2.56
    B2 94.83 247.62 330.08 0.12 1.42 2.04
    B3 125.04 344.91 459.92 0.06 1.63 3.51
    B4 116.00 268.49 357.96 0.04 0.24 0.96
    B5 124.50 285.21 380.28 0.03 0.30 0.88
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-30
  • 修回日期:  2019-11-03
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
    基金项目:  国家自然科学基金项目(51678009);北京市教委科技重点项目(KZ201710005003)
    作者简介:

    张德利(1994−),男,山东人,硕士生,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: 18811754045@163.com)

    冯曹杰(1990−),男,山西人,硕士生,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: 1457471683@qq.com)

    曹万林(1954−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: wlcao@bjut.edu.cn)

    通讯作者: 张建伟(1971−),男,河北人,教授,博士,博导,主要从事混凝土及钢-混凝土组合结构研究(E-mail: zhangjw@bjut.edu.cn)
  • 中图分类号: TU375.1

摘要: 为了解配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁受剪性能,以纵筋配筋率、混凝土钢纤维掺量为变化参数,对5根配置HRB600级纵筋的无腹筋梁进行了受剪试验,对比分析了各试验梁的斜截面承载力、荷载-挠度曲线、裂缝宽度和破坏特征。研究结果表明:随着纵筋配筋率的提高,HRB600级钢筋高强混凝土梁的开裂荷载和斜截面极限荷载增大,斜裂缝宽度减小;钢纤维可以有效地提高高强混凝土梁的斜截面开裂荷载,限制斜裂缝的产生与发展;随着钢纤维掺量的增加,高强混凝土梁的受剪承载力增大;使用现行混凝土结构设计规范和纤维混凝土结构技术规程对配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁和钢纤维高强混凝土梁的斜截面受剪承载力进行设计计算,其结果是偏于安全的。

English Abstract

张建伟, 张德利, 冯曹杰, 曹万林. HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
引用本文: 张建伟, 张德利, 冯曹杰, 曹万林. HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
Jian-wei ZHANG, De-li ZHANG, Cao-jie FENG, Wan-lin CAO. EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR PERFORMANCE OF HRB600 STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE BEAMS WITHOUT WEB REINFORCEMENT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
Citation: Jian-wei ZHANG, De-li ZHANG, Cao-jie FENG, Wan-lin CAO. EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR PERFORMANCE OF HRB600 STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE BEAMS WITHOUT WEB REINFORCEMENT[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 275-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S050
  • 随着经济技术发展,越来越多的高强混凝土和高强钢筋被应用到工程结构。高强混凝土的应用可以有效提高建筑材料的利用率,缩小结构构件的尺寸,增大建筑使用空间,降低材料消耗,减轻结构自重[1];但延性差、脆性大等缺陷使得高强混凝土的应用推广受到了一定限制。钢纤维能有效地增强混凝土韧性,提高其受拉、受剪和抗冲击性能,延缓混凝土开裂,抑制裂缝开展,使钢筋混凝土组合构件的延性有效提高[2]。将掺入钢纤维的高强混凝土与高强钢筋合理匹配,可以使高强混凝土和高强钢筋的材料性能优势得以充分发挥,形成高性价比的建筑结构。混凝土梁在发生剪切破坏时具有明显的脆性,其截面受剪性能与设计一直是工程界十分关注的问题,为此中国学者开展了多项高强钢筋高强混凝土梁的受剪试验[3-6],其中,李立仁教授等[6]进行的纵筋率对无腹筋约束梁受剪性能影响试验研究结果表明:纵筋配筋率越大,混凝土梁的极限承载力越高,使用中国现行规范公式计算低纵筋率的无腹筋梁受剪承载力时,结果偏于不安全。国内外有关钢纤维高强混凝土梁的受剪性能试验研究表明[7-11]:钢纤维可有效地限制混凝土裂缝扩展,提高高强混凝土梁的开裂荷载和受剪极限荷载。中国目前关于高强钢筋钢纤维混凝土梁的受剪性能试验研究中,高强钢筋多为HRB500级钢筋,而HRB600级钢筋即将列入国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》,开展HRB600级钢筋高强高性能混凝土梁的受剪性能研究成为工程亟需。

    • 以纵筋配筋率、钢纤维掺量为变化参数,共设计5根HRB600级钢筋钢纤维高强混凝土梁,梁的弯剪区段不设置腹筋,以便研究梁在无腹筋条件下的受剪性能,具体参数见表1。梁的配筋情况见图1,试验梁纵筋和跨中受弯区段箍筋为HRB600级钢筋,上部架立筋为HPB300级钢筋,保护层厚度为30 mm。

      表 1  试件设计参数

      Table 1.  Design parameters of specimens

      试件编号 混凝土等级 纵筋等级 钢纤维掺量/(%) 纵筋配置量 配筋率/(%)
      B1 C80 HRB600 0 3Ф16 0.60
      B2 C80 HRB600 0 3Ф22 1.14
      B3 C80 HRB600 0 3Ф22+3Ф16 1.75
      B4 C80 HRB600 1.5 3Ф22 1.14
      B5 C80 HRB600 2.0 3Ф22 1.14

      图  1  试件的配筋示意与几何尺寸 /mm

      Figure 1.  Reinforcement arrangement and geometric size for specimens

    • 制备高强混凝土所用水泥为冀东P.O 52.5水泥;钢纤维选用长度35 mm、等效直径0.55 mm、长径比为63.6的端钩型钢纤维。试验梁的混凝土配合比列于表2

      表 2  钢纤维高强混凝土配合比

      Table 2.  Mix proportion of steel fiber reinforced high-strength concrete

      设计强度 钢纤维
      体积率/(%)
      钢纤维质量/
      (kg/m3)
      水/
      (kg/m3)
      水泥/
      (kg/m3)
      硅灰/
      (kg/m3)
      矿粉/
      (kg/m3)
      粉煤灰/
      (kg/m3)
      砂/
      (kg/m3)
      石/
      (kg/m3)
      减水剂/
      (kg/m3)
      C80 0.0 0.0 174.0 450.0 30.0 60.0 60.0 651.2 1080.0 17.5
      C80 1.5 117.8 178.2 413.7 29.6 59.1 59.1 641.4 1063.8 17.2
      C80 2.0 157.0 185.0 411.6 29.4 58.8 58.8 638.2 1058.4 17.2

      浇筑试验梁时,每批混凝土均制作150 mm $ \times $ 150 mm $ \times $ 150 mm、150 mm $ \times $ 150 mm $ \times $ 300 mm的抗压强度试验标准试块,与试验梁同条件养护,以便测定混凝土立方体抗压强度fcu和轴心抗压强度fc,测定结果见表3表3中混凝土抗拉强度ft和轴心抗压强度计算值fccal,分别由实测立方体抗压强度fcu按照现行混凝土结构设计规范中的公式fccal=0.82fcuft=0.395 $f_{\rm cu}^{0.55} $ 计算得出。fcfccal的比值均值为1.06,变异系数为0.05,计算结果与实测值相近。HRB600级钢筋的实测力学性能见表4

      表 3  混凝土力学性能

      Table 3.  Mechanical properties of concrete

      试件编号 钢纤维体积率/(%) 立方体抗压强度fcu/MPa 轴心抗压强度fc /MPa 抗拉强度ft /MPa 轴心抗压强度计算值fccal /MPa fc/ fccal
      B1~B3 0.0 83.12 72.40 4.49 68.16 1.06
      B4 1.5 85.44 74.83 4.56 70.06 1.07
      B5 2.0 87.17 80.37 4.61 71.48 1.12

      表 4  钢筋力学性能

      Table 4.  Mechanical properties of steel bars

      直径/mm 屈服强度/MPa 极限强度/MPa 伸长率/(%)
      16 668 858 16.1
      22 634 809 20.2
    • 加载装置及测点布置如图2所示,其中P代表试验过程中所加荷载。试验正式加载前进行预加载,以检查确认加载装置及数据采集仪器是否正常工作。加载方案采用单调分级加载,加载初期采用力控,加荷等级为预估极限承载力的5 %,纵向钢筋屈服后,改力控为位移控制,继续加载,直至试验梁发生剪切破坏。

      图  2  试件的加载装置示意 /cm

      Figure 2.  Test setup of specimens

    • 剪跨比对于无腹筋梁的剪切破坏形态具有显著影响,试验梁剪跨比均为2.0,5根梁的破坏特征均为剪压破坏。混凝土竖向裂缝首先在试验梁的跨中加载点间出现,随着荷载增加,弯剪区段相继出现斜裂缝,并且向加载点倾斜延伸,同时也出现腹剪斜裂缝。继续加大荷载,弯曲裂缝和斜裂缝均不断增多,弯曲裂缝向上发展,腹剪斜裂缝向梁底支座和加载点发展。当荷载达到一定程度后,弯曲裂缝和斜裂缝数量均不再增加,跨中弯曲裂缝发展停滞,腹剪斜裂缝同时向两个方向发展,向上直达加载点下方;向下在接近支座处水平发展,形成一条裂缝宽度较大的临界斜裂缝。在接近极限荷载时,斜裂缝的不断扩展导致加载点下方附近的混凝土受力区域不断减小,该区域混凝土在压剪复杂应力的共同作用下发生破坏。同时临界斜裂缝的下端宽度增大,并且沿纵筋水平发展,最终裂缝贯穿试验梁的弯剪区段,试验梁发生剪压破坏。破坏形态及裂缝分布如图3所示。

      图  3  试件破坏形态

      Figure 3.  Failure mode for specimens

    • 图4为各试验梁的荷载-纵筋应变曲线。HRB600级钢筋的实测屈服应变值为3088 µε,结合图4可知:后期试验梁底部纵筋应变值均超过了HRB600级钢筋的实测屈服应变值,进入了屈服状态;加载初期梁底部混凝土承担拉应力,纵筋应变增长缓慢;混凝土开裂后,拉应力主要由纵筋承担,纵筋应变增长迅速;相同荷载下,纵筋配筋率越高,纵筋应变值越小;钢纤维可有效提高混凝土抗拉能力和开裂荷载,从而减缓纵筋应变增长,且钢纤维掺量越大,效果越明显。

      图  4  荷载-纵筋应变曲线

      Figure 4.  Load-strain curves of longitudinal reinforcements

    • 图5为不同纵筋配筋率的试验梁B1、B2、B3的荷载-跨中挠度曲线比较。从图5中可看出,前期荷载-挠度曲线近似为直线,表明混凝土开裂前,梁基本处于弹性阶段;混凝土开裂后,曲线曲率出现第一个拐点,此时纵筋主要承担拉力;随着纵筋配筋率的提高,梁的极限受剪承载力显著增大,但变形能力降低,跨中最大挠度明显减小,尤其是纵筋配筋率最大的试验梁B3,当荷载达到极限值时,突然发生脆性破坏,几乎未出现持荷阶段;纵筋配筋率越小,梁的极限受剪承载力越小,跨中挠度越大。

      图  5  不同纵筋配筋率试验梁的荷载-跨中挠度曲线

      Figure 5.  Load-deflection curves for beams with different reinforcement ratios

      图6为不同钢纤维体积率的试验梁B2、B4、B5的荷载-跨中挠度曲线比较。从图6中可以看出,由于钢纤维承担部分拉力,限制了混凝土裂缝发展,因此随着钢纤维掺量的加大,试验梁的极限承载力和刚度也随之增大;当钢纤维体积率增大到2 %时,试验梁的最大挠度增加明显。

      图  6  不同钢纤维掺量试验梁的荷载-跨中挠度曲线

      Figure 6.  Load-deflection curves for beams with different steel fiber contents

    • 我国《混凝土结构设计规范》GB 50010−2010,集中荷载作用下无腹筋梁的受剪承载力计算公式为[12]

      $$ {V_{\rm{u}}} = \frac{{1.75}}{{1 + \lambda }}{\beta _{\rm{\rho }}}{f_{\rm{t}}}b{h_{\rm{0}}} $$ (1)

      式中:λ为剪跨比,当λ<1.5时取为1.5,当λ>3时取3;ft为混凝土轴心抗拉强度;b为截面宽度;h0为截面有效高度。表5Vu为依据规范条文说明中建议,当纵向配筋率大于1.5 %时,纵向受拉钢筋的配筋率ρ对无腹筋梁受剪承载力的影响才较为明显,这时考虑纵向受拉钢筋的配筋率ρ对无腹筋梁受剪承载力的影响,并引入 $ {\beta_{\text{ρ}}} = $ $0.7 + 20\rho $

      表 5  受剪承载力计算值与实测值比较

      Table 5.  Comparison between the calculated and measured shear strength of test beams

      编号 实测极限受剪承载力Vm/kN 《混凝土结构设计规范》
      计算值Vu/kN
      《纤维混凝土结构技术规程》
      计算值Vfc/kN
      文献[14]
      计算值V/kN
      Vm/Vu Vm/Vfc Vm/V
      B1 247.1 264.1 218.7 0.94 1.13
      B2 412.6 260.8 379.7 1.58 1.09
      B3 574.9 273.9 587.4 2.10 0.98
      B4 447.5 264.9 416.5 379.5 1.69 1.07 1.18
      B5 477.9 267.8 472.2 379.1 1.78 1.01 1.26

      《纤维混凝土结构技术规程》CECS38: 2004中对于无腹筋梁的受剪承载力计算公式为[13]

      $$ {V_{{\rm{fc}}}} = {V_{\rm{u}}}(1 + {\beta _{\rm{v}}}{\lambda _{\rm{f}}}) $$ (2)

      式中:Vu为现行混凝土规范抗剪承载力计算值;βv为钢纤维增强系数,本文取0.6;λf为钢纤维含量特征值,按 ${\lambda _{\rm{f}}} = {{{\rho _{\rm{f}}}{l_{\rm{f}}}} / {{d_{\rm{f}}}}}$ 计算,其中,ρf为钢纤维体积率,lf为钢纤维长度,df为钢纤维直径或等效直径。

      文献[14]基于Rankine破坏准则,并考虑纵向受拉钢筋对无腹筋梁受剪强度的影响,提出无腹筋梁受剪强度计算公式:

      $$V = (1.2 - 0.2a)\phi {f_{\rm{c}}}^{\prime} {b_{\rm{w}}}{d_{\rm{v}}}\;\;\quad\quad$$ (3)
      $$\phi = {\left(2B + \frac{{A{\rho _{\rm{s}}}{f_{\rm{s}}}}}{f_{\rm{c}}^{\prime}}\right)} / \left(\frac{{2B\lambda {f_{\rm{c}}^{\prime}} }}{{{\rho _{\rm{s}}}{f_{\rm{s}}}}} + 1\right)$$ (4)

      式中:dv为截面有效高度;bw为腹板宽度; ${f_{\rm{c}}^{\prime}} $ 为混凝土单轴抗压强度;a为剪跨段长度;ρs为纵筋率;λ为剪跨比;fs为极限状态下纵筋应力,一般取屈服强度。剪压区混凝土简化强度准则中的系数分别为:A=0.837,B=1.075。

      试验梁的极限受剪承载力计算值和实测值列于表5表5中的Vm为梁的实测极限受剪承载力,VuVfcV分别为按式(1)、式(2)、式(3)进行计算所得的梁极限受剪承载力,计算过程中混凝土及钢筋强度取实测值。

      表5可知:我国规范GB 50010−2010计算高强混凝土无腹筋梁受剪承载力偏于保守,这是因为规范未考虑受拉纵筋承受的剪力;使用CECS38: 2004计算钢纤维高强混凝土梁的受剪承载力,计算结果较规范GB 50010−2010更加接近实测值。文献[14]提出的无腹筋梁受剪强度计算公式,在计算未掺钢纤维的高强混凝土梁时,考虑了纵向钢筋强度及配筋率的影响,其计算结果最接近实测值,但在纵筋率较大时计算结果偏于不安全。

      图7(a)为不同纵筋配筋率试验梁B1、B2、B3的极限受剪承载力对比图。由图7(a)可知,随着纵筋配筋率的增大,HRB600级钢筋高强混凝土梁的极限受剪承载力显著提高。图7(b)为不同钢纤维体积率的试验梁B2、B4、B5的极限受剪承载力对比图。由图7(b)可知,随着钢纤维体积率的增大,HRB600级钢筋高强混凝土梁的极限受剪承载力明显提高。

      图  7  极限受剪承载力比较

      Figure 7.  Comparison of ultimate shear strength

    • 试验过程中,使用DJCK-2型裂缝测宽仪对试验加载过程中裂缝的开展进行量测,部分特征荷载对应的实测剪切斜裂缝宽度值见表6。表6中VcrV0.6uV0.8u分别表示斜裂缝开裂荷载、正常使用极限荷载(60%极限荷载)、80%极限荷载,wcrw0.6uw0.8u分别表示斜裂缝开裂荷载、正常使用极限荷载、80%极限荷载所对应的最大斜裂缝宽度。由表6可知,纵向配筋率的增大可有效提高高强混凝土梁的斜裂缝开裂荷载,减小初始斜裂缝宽度,但对正常使用极限状态时裂缝宽度影响较小。钢纤维体积率越大,混凝土梁的斜裂缝开裂荷载越大,正常使用极限状态时高强混凝土梁的裂缝宽度减小明显,80%极限荷载时的最大斜裂缝宽度也随之减小。相同纵筋配筋率情况下,掺入钢纤维可有效延缓高强混凝土梁斜裂缝的开裂和发展,且随着钢纤维掺量的增大,延缓效果增强。

      表 6  斜裂缝最大宽度

      Table 6.  The maximum width of diagonal cracks

      试件编号 斜裂缝开裂
      荷载Vcr/kN
      正常使用极限
      荷载V0.6u/kN
      80%极限荷载V0.8u/kN 开裂荷载对应的
      裂缝宽度wcr/mm
      正常使用极限荷载
      对应的裂缝宽度w0.6u/mm
      80%极限荷载
      对应的裂缝宽度w0.8u/mm
      B1 70.00 148.07 197.43 0.20 1.46 2.56
      B2 94.83 247.62 330.08 0.12 1.42 2.04
      B3 125.04 344.91 459.92 0.06 1.63 3.51
      B4 116.00 268.49 357.96 0.04 0.24 0.96
      B5 124.50 285.21 380.28 0.03 0.30 0.88

      图8为各级荷载P作用下的最大斜裂缝发展情况。结合图3裂缝分布图可知:1)纵筋配筋率的提高可以有效抑制高强混凝土梁的弯曲裂缝及弯剪斜裂缝的发展,增加弯曲裂缝的数量,减小裂缝平均间距,增加弯剪区段斜裂缝数量,减小斜裂缝最大宽度,降低斜裂缝发展高度,增大混凝土剪压区面积,提高高强混凝土梁的受剪承载力。2)混凝土开裂后,钢纤维高强混凝土梁的斜裂缝宽度会呈线性缓慢增长,表明钢纤维承担了一定的拉应力,抑制了斜裂缝发展,且这种抑制作用随钢纤维掺量的增大而增强;钢纤维高强混凝土梁在加荷至极限荷载的65%~80%时,最大斜裂缝宽度开始快速发展。

      图  8  荷载-斜裂缝宽度曲线

      Figure 8.  Load- diagonal crack width curves

    • 本文进行了5根配置HRB600级纵筋的无腹筋梁受剪性能试验,对比分析了各试验梁的斜截面承载力、荷载-挠度曲线、裂缝宽度和破坏特征,所得结论如下:

      (1)纵筋配筋率对HRB600级钢筋高强混凝土梁的受剪力学性能有明显影响,随着纵筋配筋率的提高,高强混凝土梁斜截面开裂荷载增大,斜裂缝宽度减小,极限受剪承载力显著提高。

      (2)掺入钢纤维可以有效地提高HRB600级钢筋高强混凝土梁的斜截面开裂荷载,限制斜裂缝产生与发展,其效果随着钢纤维掺量的增大而提高;HRB600级钢筋高强混凝土梁的极限受剪承载力随着钢纤维体积率的增大明显提高。

      (3)钢纤维高强混凝土梁在发生剪切破坏时,由于钢纤维的桥联作用,剪压区混凝土未见崩散脱落现象,钢纤维的加入使得高强混凝土的脆性得到显著改善。

      (4)使用《纤维混凝土结构技术规程》CECS38:2004对HRB600级钢筋钢纤维高强混凝土梁进行受剪承载力设计计算是适用的,文献[14]提出的无腹筋梁受剪强度计算公式,在计算未掺钢纤维的HRB600级钢筋高强混凝土梁时,其计算结果接近实测值,但纵筋率较大时计算结果偏于不安全。

参考文献 (14)

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