摘要:通過8根集中荷載下高強(qiáng)箍筋混凝土梁的受剪破壞試驗(yàn),分析了500MPa箍筋混凝土構(gòu)件斜截面的剪切承載力及使用階段的斜裂縫寬度,同時(shí)對(duì)兩組配有蒙皮鋼筋的混凝土梁的受剪承載力及斜裂縫寬度進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,此類構(gòu)件的受力性能與普通鋼筋混凝土受剪構(gòu)件相同,其斜截面受剪承載力仍可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算,并且具有足夠的安全儲(chǔ)備。同時(shí)蒙皮鋼筋的配置能夠有效地限制裂縫的開展,改善受剪破壞的脆性性能。
關(guān)鍵詞:高強(qiáng)箍筋;剪切承載力;使用階段;斜裂縫寬度
中圖分類號(hào): TU317 + . 2; TU375. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
500MPa鋼筋作為一種新型鋼筋已納入《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499 - 1998)標(biāo)準(zhǔn)中,它具有強(qiáng)度高,延性好等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于國外主要工業(yè)化國家,然而國內(nèi)由于500MPa鋼筋的研究起步較晚并且缺乏相應(yīng)鋼筋混凝土構(gòu)件試驗(yàn)資料而尚未列入我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50010 -2002) [ 1 ]中,因此為扭轉(zhuǎn)我國建筑用鋼材落后的局面,在我國推廣和使用這種新型鋼筋[ 2 ] ,有必要補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行研究。
應(yīng)用500MPa鋼筋作為抗剪箍筋,隨著箍筋強(qiáng)度的提高降低了用鋼量,同時(shí)也意味著正常使用階段可能出現(xiàn)較大的斜裂縫[ 3 ] 。因此,研究高強(qiáng)箍筋混凝土梁的斜截面受剪承載力以及使用階段斜裂縫寬度問題具有重要的意義。
1 試驗(yàn)概況
本文設(shè)計(jì)了8根T形截面試驗(yàn)梁,采用兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載,剪跨比為2. 75。混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C30, C40, C50,配箍率分別為0. 39%, 0. 31%。考慮到應(yīng)用500MPa鋼筋作為受力主筋,可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件在高應(yīng)力狀態(tài)下出現(xiàn)過寬斜裂縫而不能滿足結(jié)構(gòu)適用性和耐久性的要求,為此試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組配有蒙皮鋼筋的梁進(jìn)行對(duì)比研究。蒙皮鋼筋布置于受力主筋至構(gòu)件表皮之間的混凝土保護(hù)層內(nèi),是由變形鋼筋焊網(wǎng)而制成的[ 4 ] 。試驗(yàn)測定剪跨區(qū)段與斜裂縫相交處箍筋的應(yīng)變、斜向開裂荷載、跨中撓度及各個(gè)荷載等級(jí)下的斜裂縫寬度。構(gòu)件的截面形式如圖1所示,構(gòu)件配筋見表1。
2 試驗(yàn)現(xiàn)象
2. 1 斜裂縫的出現(xiàn)與斜向開裂
鋼筋應(yīng)變片位置如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出試驗(yàn)梁的荷載- 箍筋應(yīng)變曲線,如圖3所示。
加荷初期,試驗(yàn)梁處于彈性工作階段,梁表面未出現(xiàn)裂縫,此時(shí)箍筋應(yīng)力較小。隨著荷載的增加,在試驗(yàn)梁中部出現(xiàn)一系列的垂直裂縫,當(dāng)荷載增加到大約為30% ～40%極限荷載時(shí),斜裂縫以一種非常突然的方式出現(xiàn)在梁的剪跨區(qū)段,并且一出現(xiàn)就具有較大的延伸長度,約為100～150 mm,此時(shí)裂縫寬度不大,斜裂縫出現(xiàn)前箍筋應(yīng)力較小,斜裂縫出現(xiàn)時(shí),箍筋的應(yīng)力出現(xiàn)突變,即圖3荷載- 箍筋應(yīng)變曲線均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)剪力由剛開始的混凝土承擔(dān)逐步轉(zhuǎn)向由箍筋和混凝土共同承擔(dān)。
斜裂縫出現(xiàn)的形態(tài)具有不確定性,既有在梁下部由垂直裂縫斜向發(fā)展成的彎剪裂縫,又有在梁腹部直接形成的腹剪裂縫[ 5 ] 。對(duì)于本次試驗(yàn),試驗(yàn)梁的斜向開裂以腹剪裂縫居多。
2. 2 斜裂縫出現(xiàn)后梁的工作狀況
梁斜向開裂以后進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)定的斜裂縫發(fā)展階段,隨著外荷載的增加,斜裂縫的寬度和長度均以穩(wěn)定的速度增長,箍筋所受的拉力逐漸增大,同時(shí)箍筋的存在也限制了斜裂縫的開展和延伸。由圖3可見試驗(yàn)所測的箍筋微應(yīng)變絕大多數(shù)能達(dá)到2 500 ×10- 6 ,即箍筋能夠達(dá)到屈服,只有少數(shù)箍筋應(yīng)變不能達(dá)到屈服,有些靠近支座處箍筋應(yīng)變呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。
當(dāng)荷載加至90%的極限荷載,斜裂縫進(jìn)入了一種不穩(wěn)定的裂縫擴(kuò)展階段,此時(shí)斜裂縫寬度加大,斜裂縫向上發(fā)展至加載點(diǎn)附近,向下則發(fā)展至支座附近。繼續(xù)加載,斜裂縫寬度突然增加,梁形成較明顯的剪壓區(qū),最終導(dǎo)致梁的受剪破壞,呈現(xiàn)出一定的脆性。
圖4為試驗(yàn)梁裂縫分布。
由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可見,集中荷載下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構(gòu)件其受力性能和一般的鋼筋混凝土受剪構(gòu)件的受力性能基本相同。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3. 1 受剪承載力
為了驗(yàn)證現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 - 2002) [ 1 ]對(duì)配置500MPa箍筋的混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載力計(jì)算的適用性,本文采用規(guī)范規(guī)定的集中荷載作用下受剪承載力公式計(jì)算并與實(shí)測值進(jìn)行比較分析。比較結(jié)果見表2。
由上表可以看出,試驗(yàn)實(shí)測破壞剪力均大于取鋼筋和混凝土實(shí)測強(qiáng)度按照規(guī)范規(guī)定公式計(jì)算的破壞剪力。其比值V 0u /Vcalu 均值為1. 67,變異系數(shù)為0. 060,可見按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的受剪承載力計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好,并且具有足夠的安全儲(chǔ)備。由此可見,集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構(gòu)件仍可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式進(jìn)行計(jì)算,并且具有足夠的安全儲(chǔ)備。
3. 2 使用階段斜裂縫寬度限值討論
對(duì)于受剪構(gòu)件來說也需進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下的斜裂縫寬度限值的討論。對(duì)于斜裂縫寬度限值的討論本文采用如下方法:采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的受剪承載力計(jì)算公式,分別代入混凝土和鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值( ftk和fyvk ) ,從而求得構(gòu)件受剪承載力的標(biāo)準(zhǔn)值Vk ,用構(gòu)件受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以構(gòu)件的安全系數(shù)1. 55[ 6 ] ,即可求出構(gòu)件正常使用階段的剪力Vz。此時(shí)用正常使用階段的剪力Vz 和試驗(yàn)測得的最大斜裂縫寬度為0. 2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪力V0. 2進(jìn)行比較分析。表3為試驗(yàn)梁在正常使用階段的剪力。
由上表可以看出,本次集中荷載作用下的受剪構(gòu)件,當(dāng)箍筋強(qiáng)度取為500MPa時(shí),只有LQA4的比值Vz /V0. 2大于1,說明LQA4在正常使用階段不能滿足斜裂縫寬度限值要求,其余7根梁的Vz /V0. 2小于1,均能夠滿足斜裂縫寬度限值要求。
可見,采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受剪承載力計(jì)算公式設(shè)計(jì)的集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用階段一般可以滿足斜裂縫寬度限值要求。
3. 3 配置蒙皮鋼筋試驗(yàn)梁的分析
3. 3. 1 受剪承載力
考慮到應(yīng)用500MPa鋼筋作為抗剪箍筋可能出現(xiàn)過寬的斜裂縫而不能滿足結(jié)適用性和耐久性的要求,為此設(shè)計(jì)了兩組配有蒙皮鋼筋的構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比研究。兩組梁分別為LQA2和LQA7, LQA5和LQA8,所配的蒙皮鋼筋為Φ5@80。兩組試驗(yàn)梁受剪承載力對(duì)比見表4。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,對(duì)于極限荷載,配置蒙皮鋼筋的試驗(yàn)梁LQA7, LQA8與同條件未配置蒙皮鋼筋的試驗(yàn)梁LQA2,LQA5相比,其承載力有一定程度地提高,分別提高了22. 1%和25. 4%。這是因?yàn)槊善や摻畹募尤胂喈?dāng)于增加了配箍率,同時(shí)也增加了構(gòu)件的剛度,增強(qiáng)了對(duì)混凝土的約束特性[ 7 ] ,因而受剪承載力增大。
3. 3. 2 斜裂縫寬度
裂縫發(fā)展形態(tài)對(duì)比見圖5,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),做試驗(yàn)梁斜裂縫寬度對(duì)比圖6。
由上圖可見:集中荷載作用下配置蒙皮鋼筋的試驗(yàn)梁其裂縫發(fā)展規(guī)律和普通鋼筋混凝土受剪試驗(yàn)梁相似,所不同的是裂縫條數(shù)明顯增多且相同荷載作用下,配置蒙皮鋼筋的試驗(yàn)梁的最大斜裂縫寬度要明顯小于未配置蒙皮鋼筋試驗(yàn)梁的斜裂縫寬度。同時(shí)蒙皮鋼筋的配置使得垂直裂縫和斜裂縫開展數(shù)量均增多,裂縫發(fā)展細(xì)密,能夠有效地限制裂縫開展寬度[ 8, 9 ] 。并且配有蒙皮鋼筋的受剪試驗(yàn)梁最終破壞時(shí)斜裂縫寬度約在0. 9～1 mm左右,破壞時(shí)可以實(shí)現(xiàn)鋼筋之間的應(yīng)力重分布,避免了脆性破壞的發(fā)生[ 7 ] 。而相同條件下未配置蒙皮鋼筋的試驗(yàn)梁最終破壞形式為無法預(yù)知的脆性破壞,且斜裂縫寬度較大,均能超過1. 5mm,有些甚至更大。
因此,蒙皮鋼筋的配置既能有效地限制裂縫開展寬度又能改善受剪破壞的脆性性能。
4 結(jié)論
通過8根集中荷載作用下高強(qiáng)箍筋混凝土梁受剪性能的試驗(yàn)研究,歸納出以下幾點(diǎn)規(guī)律:
(1)集中荷載下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構(gòu)件其受力性能和裂縫發(fā)展規(guī)律均與普通鋼筋混凝土受剪構(gòu)件相同,此類構(gòu)件的受剪承載力仍可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50010 - 2002)公式進(jìn)行計(jì)算,并且承載力余量大,具有較高的安全儲(chǔ)備。
(2)在正常使用極限狀態(tài)下,采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受剪承載力計(jì)算公式設(shè)計(jì)的集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用階段一般可以滿足斜裂縫寬度限值要求。
(3)配置蒙皮鋼筋的混凝土構(gòu)件的受剪承載力有一定程度地提高,并且蒙皮鋼筋的配置使得垂直裂縫和斜裂縫開展數(shù)量均增多,裂縫發(fā)展細(xì)密,既能有效地限制裂縫開展寬度又能改善受剪破壞的脆性性能。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ] GB 50010 - 2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[ S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.
[ 2 ] 王鐵宏. 亟需推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋和高性能混凝土[ J ]. 建設(shè)科技, 2005, (6) : 28 - 29.
[ 3 ] MansurM A, Tan K H,Lee S L, et al. Crack width in concrete members reinforced with welded wire fabric[ J ]. ACI Structural Journal. 1991, 2(88) : 147 - 154.
[ 4 ] 滕智明. 鋼筋混凝上基本構(gòu)件[M ]. 北京:清華人學(xué)出版社, 1992.
[ 5 ] Zararis P D, George G C. Diagonal shear failure and size effect in RC beamswithoutweb reinforcement[ J ]. Journal of structural engineering, 2001,127 (7) : 733 - 742.
[ 6 ] 金琰,蘇幼坡,康谷貽. 斜裂縫寬度計(jì)算及新規(guī)范受剪承載力公式能否滿足斜裂縫寬度的討論[ J ]. 建筑結(jié)構(gòu), 2003, 33 (1) : 12 - 14.
[ 7 ] 張晉,許清風(fēng),潘小華,等. 焊接鋼筋網(wǎng)研究應(yīng)用的新進(jìn)展[ J ]. 工業(yè)建筑, 2001, 31 (7) : 42 - 44.
[ 8 ] Bernold L E, Chang P. Potential gains througth welded wire fabric reinforcement[ J ]. Journal of Construction Engineering and Management, 1992,118 (2) : 244 - 257.
[ 9 ] Lee S L, MansurM A, Tan K H, et al. Crack control in beams using deformed wire fabric[ J ]. Journal of Structural Engineering, 1989, 10 (115) :2645 - 2660.
