高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪抗裂试验与受剪开裂剪力的计算

卞 祝，黄 伟，戈海玉，葛清蕴

1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽六安,237000；2.安徽工业大学建筑与土木工程学院，安徽马鞍山,243000

高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪抗裂试验与受剪开裂剪力的计算

卞 祝1，黄 伟2，戈海玉1，葛清蕴1

1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽六安,237000；2.安徽工业大学建筑与土木工程学院，安徽马鞍山,243000

通过高性能钢筋高强钢纤维混凝土简支梁抗剪试验，研究了混凝土强度等级、钢纤维掺量及箍筋对试验梁受剪抗裂的影响。试验结果表明：混凝土强度等级的提高与钢纤维的掺入能显著提高钢筋混凝土梁受剪抗裂性能，而梁斜截面开裂前箍筋基本不参与抗剪。基于国内外相关试验梁数据，提出了考虑剪跨比、纵筋率和钢纤维特征参数的高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪开裂剪力经验计算公式，并与所收集的相关公式进行对比验证，计算结果表明，所提出的公式计算值和实测值较吻合。

钢纤维；梁；高强高性能；混凝土强度等级；受剪开裂剪力

钢筋和混凝土作为当今主要建筑材料，已向高强高性能发展[1-3]。一些学者通过钢纤维钢筋混凝土梁受剪试验研究，提出开裂荷载计算公式[4-8]，但各研究的侧重点不同，结果很难有普适性，且计算方法也未统一。钢纤维的掺入增加梁斜截面受剪机理的复杂性，钢纤维高强高性能钢筋混凝土梁受剪抗裂机理与普通梁相比有何不同，其受剪开裂剪力能否采用普通梁公式计算，这些问题的存在，使得受剪抗裂的相关研究具有重要意义。

本文根据试验现象和所收集到的相关梁试验数据，分析影响试验梁抗裂剪力的主要因素，提出高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁抗剪开裂剪力经验计算公式，并结合试验数据与相关文献中的公式进行对比分析。

1 试验概况

试件配筋和加载点位置见图1，试验梁主要参数见表1。试验梁包括HRB500高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁、无钢纤维对比梁；同时，选用长径比值48.5、端部带钩剪切异型钢纤维。

图1 试件配筋及加载图

表1中，C(common concrete)为普通混凝土，B(bearing)为承载能力，S(shear)为剪切，F(fiber)为纤维，λ为剪跨比，ρf为钢纤维体积率，h0为截面有效高度，ρ为纵筋率，ρsv为配箍率。

2 开裂剪力影响试验参数

利用本文提出的试验梁实测开裂剪力值Vfcr,m，运用现行规程[9]计算得开裂剪力值，结果见表2。

表1 试验梁参数

2.1 混凝土强度等级

由表2可以看出，SBC2受剪斜截面开裂剪力值比梁SBC1提高15.2%，梁SBF1～SBF3开裂剪力值比梁SBF4～SBF6分别提高10.9%、89.2%、49.7%，可见钢纤维掺量为定值时，混凝土强度等级提高，梁开裂剪力均有一定程度的增大。混凝土抗拉强度随其强度等级的增加而增加，梁斜截面开裂剪力也随之增加，这在掺入钢纤维的混凝土梁上表现得更显著。

表2 梁计算剪力和实测剪力值

2.2 钢纤维掺量

根据图2所示的梁开裂剪力值随着钢纤维掺量增加变化趋势，对于混凝土强度等级为C50系列梁，梁SBF4、SBF5、SBF6开裂剪力值比梁SBC1分别提高18.2%、-2.3%、28.0%；梁SBF1、SBF2、SBF3开裂剪力值比梁SBC2提高13.8%、60.5%、66.5%。因此，掺入钢纤维能显著提高钢筋混凝土梁的抗裂性能，且能改善高强混凝土的脆性。初步分析SBF5梁数据由试验误差所致。

图2 对开裂剪力影响

由试验可知，梁SBF6开裂时剪力为84.5 kN，此时剪压区箍筋应变值并未立即突变，直到剪力增长到123.5～147.0 kN。其他钢纤维梁试验有同样的现象。梁斜截面受剪剪跨区受力最大，钢纤维钢筋混凝土梁随外荷载的增加，内部首先出现微裂缝，跨越微观裂缝的钢纤维可承担一部分剪力，阻滞微观裂缝发展为肉眼可见裂缝。钢纤维混凝土梁比无纤维对比试验梁延迟出现斜裂缝，开裂剪力值增大。钢纤维混凝土梁开裂后，剪压区乱向分布的钢纤维使得梁内力重分布的能力提高，跨越裂缝的钢纤维承担剪力并将基传向未开裂的混凝土，此时内力重分布充分而平稳，箍筋参与抗剪有效推迟。

2.3 箍筋

图3为剪力—剪跨区箍筋应变实测曲线。由图可知，各梁剪跨区开裂时对应箍筋应变值较小，为32～38 με，斜截面开裂前，箍筋基本未参与梁抗剪。

图3 剪力-箍筋应变关系

梁剪跨区受力较大处混凝土达到极限抗拉应变，使得梁内初始微裂缝发展为宏观裂缝而宣告受剪开裂。钢纤维本身比表面积大，乱向分布在混凝土中产生有效粘结，能显著限制微观裂缝发展，从而提高梁抗裂剪力。与钢纤维相比，箍筋与基体混凝土间粘结能约束混凝土。但由于箍筋表面光滑、直径小、间距较大，只能约束其周围有限范围内的混凝土，对整个剪跨区混凝土裂缝调节能力较弱，限制剪跨区混凝土微裂缝的开展远不比钢纤维，钢纤维的掺入使得箍筋对梁受剪抗裂的贡献比更小。也有文献[7]表明，其他变量相同时，提高配箍率对钢纤维混凝土梁抗裂剪力值的影响甚微。

3 高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪抗裂剪力计算方法

3.1 开裂剪力计算方法

简支梁在两点对称加载下受剪开裂时，对应支座剪力为梁开裂剪力值。钢纤维钢筋混凝土梁开裂剪力主要影响因素有混凝土强度、钢纤维种类和掺量、梁截面尺寸(有效高度)、剪跨比、纵筋率等。对于钢纤维钢筋混凝土无腹筋梁斜截面的抗裂，基本不存在尺寸效应[10]，配置箍筋可在一定程度限制其在有效影响范围内裂缝开展，使截面有效高度值对梁抗裂影响不大。根据前面的分析可知，开裂前剪跨区箍筋应力不大，因此，有箍筋钢纤维混凝土梁开裂剪力不考虑尺寸效应和箍筋贡献。对于钢纤维混凝土抗拉强度，通过制作标准试块进行量测可得，无试块时，可采用规程[9]规定的公式计算：

fft=ft(1+αtλf)

(1)

钢纤维对混凝土整体增强已受到研究者的一致认可，梁抗裂性能随着纵筋率的增大而提高[5]，有文献考虑受拉纵筋含量对梁受剪开裂剪力影响[11]，但纵筋率ρ和剪跨比λ对梁抗裂影响很难定量，因此本文建立关于λ及ρ的梁开裂剪力系数k1(λ,ρ)并进行研究。

综上所述，配有高强高性能钢筋和高强钢纤维混凝土的梁抗剪开裂剪力影响因素包括梁截面尺寸(宽度和有效高度)、钢纤维混凝土抗拉强度fft、纵筋率ρ和剪跨比λ，则有计算公式如下：

(2)

式中，vfcr、Vfcr为钢纤维高强钢筋混凝土梁受剪开裂强度(MPa)及开裂剪力(kN)。

对所收集的国内外94根钢纤维高强钢筋混凝土梁受剪开裂强度值进行统计分析，得到k1(λ,ρ)的表达式如下：

(3)

式(3)和式(1)中均考虑钢纤维的增强抗裂作用，实际浇筑钢纤维混凝土时存在振捣密实困难，可适当降低增强幅度，并在95%保证率基础上考虑方便实用，调整式(3)得到：

(4)

将式(4)代入式(2)，得到高强高性能钢筋钢纤维混凝土梁在两点集中荷载下开裂剪力经验公式：

(5)

式中，λ<1时，取λ=1；λ>3时，取λ=3。采用式(5)计算文献[5，7，12-14]中梁受剪开裂荷载理论值Vfcr,c，统计分析剪跨比λ分别在1～3、3～4时梁受剪开裂剪力实测值与计算值的比值，详见表3。

表3 梁开裂剪力值对比

由表3可见，当1≤λ≤3时，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.065，变异系数δ=0.275；当3≤λ≤4时，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.419，变异系数δ=0.634。计算值与实测值较为吻合，式(5)能够较好地预测剪跨比为1≤λ≤3高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪开裂剪力值。

3.2 计算值与试验值对比

采用本文所提出的经验计算公式(5)计算试验梁受剪开裂剪力值，如图4和表4所示，Vfcr,m/Vfcr,c平均值μ=1.198,变异系数δ=0.135，可见式(5)能够较好地预测两点集中加载的情况下高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪开裂剪力值。

图4 试验梁受剪开裂剪力统计分析

3.3 开裂剪力计算公式对比分析

公式(6)～(10)为收集钢纤维钢筋混凝土梁受剪开裂剪力公式[4-8]。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，βcr为钢纤维增强系数，对剪切异型钢纤维取0.33。

表4 试验梁受剪开裂剪力统计分析

采用式(5)以及公式(6)～(10)计算本文试验梁受剪开裂剪力值并进行对比，结果见图5、图6。由图可见，当ρ=0.8%时，公式(6)计算值与实测值较为吻合；公式(7)(8)计算值与实测值相比偏大，不安全；公式(9)(10)开裂计算剪力过小，公式保守，本文公式(5)对梁开裂剪力值整体预测较好。

图5 C50梁开裂剪力值

图6 C80梁开裂剪力值

4 结 语

根据以上试验分析，可得到以下结论：

(1)钢纤维混凝土梁抗裂剪力随混凝土强度等级的提高而增大。

(2)钢纤维的掺入能显著改善梁整体受剪抗裂性能。钢纤维体积率ρf≤2%时，高强高性能钢筋钢纤维混凝土梁受剪抗裂剪力值随着ρf的增加而增加，箍筋在梁剪跨区开裂前基本未参与抗剪。

(3)提出高性能钢筋高强钢纤维混凝土梁受剪开裂剪力经验公式，考虑了梁受剪主要影响因素以及纵筋率影响，能较准确预测采用高强高性能钢筋和高强钢纤维混凝土的简支梁斜截面受剪抗裂剪力值，计算值与相关文献和本文试验梁实测值吻合较好。

[1]王希伟，杨勇新，王全凤，等．高强钢筋与高强混凝土的匹配问题[J]．基建优化，2006，27(4)：101-104

[2]王铁宏．亟需推广应用高强钢筋和高性能混凝土[J]．建设科技，2005(6)：28-29

[3]林小松，杨果林．钢纤维高强与超高强混凝土[M]．北京：科学出版社，2002：1-25

[4]Narayanan R,Darwish I S.Shear in Mortar Beams Containing Fibers and Fly Ash [J].Journal of Structural Engineering,1988,114(1):84-102

[5]姜鹏．钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受力性能试验研究[D]．郑州：郑州大学研究生院，2005：47-48

[6]赵顺波，李凤兰，赵国藩，等．钢筋钢纤维混凝土梁的斜截面承载力[J]．应用基础与工程科学学报，1998，6(1)：81-86

[7]张宏战，黄承逵，张瑞瑾．钢纤维高强混凝土箍筋梁抗剪性能试验[J]．哈尔滨工业大学学报，2006，38(10)：1781-1785

[8]金立兵，陆春华，王录民．预应力钢纤维混凝土梁斜截面抗裂试验与计算[J]．江苏大学学报:自然科学版，2010，31(5)：601-605

[9]中国工程建设标准化协会.CECS38:2004纤维混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004

[10]赵顺波，赵国藩，黄承逵．钢筋钢纤维混凝土无腹筋梁的剪切尺寸效应[J]．华北水利水电学院学报，1997，18(2)：8-13

[11]Theodore C Z.Beam Shear Strength Prediction by Analysis of Existing Data[J].ACI Journal,1968,66(6):618-625

[12]Narayanan R,Darwish I Y.Use of steel fibers as shear reinforcement [J].ACI Structural Journal,1987,84(3):216-227

[13]孙晓燕.高强钢纤维混凝土力学性能试验研究[D].郑州：华北水利水电学院土木与交通学院,2001:9-15

[14]蒋丽娜．钢纤维作为抗剪钢筋的试验研究[J]．广西工学院学报，1994，5(4)：20-27

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.08.032

2016-01-12

皖西学院校青年项目“钢纤维高强钢筋混凝土简支梁受剪性能研究”(WXZQ1413)。

卞祝(1987-)，女，安徽六安人，硕士，助教，主要研究方向：结构工程。

TU

A

1673-2006(2016)08-0118-04