高钛型高炉重渣梁抗剪性能研究

冯士千，李小伟，郑 权，张正伟，杨军锋

(攀枝花学院， 四川攀枝花 617000)



高钛型高炉重渣梁抗剪性能研究

冯士千，李小伟，郑 权，张正伟，杨军锋

(攀枝花学院， 四川攀枝花 617000)

为研究高钛型高炉重渣梁的抗剪性能以及斜裂纹的萌生、生长和发展规律。制作了6根高钛型高炉重渣混凝土梁，其中，用半矿渣混凝土(高钛型高炉渣细骨料制备的混凝土)制作了3根梁试件，用全矿渣混凝土(高钛型高炉渣细骨料及高钛型高炉渣粗骨料制备的混凝土)制作了3根梁试件。通过静力加载试验和分析表明：配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力；高钛型高炉渣梁的正截面初裂条件和斜截面初裂条件与配箍量关系不大；半矿渣梁的各项抗剪能力指标均优于全矿渣梁。

高钛型高炉重渣； 混凝土梁； 抗剪性能

混凝土梁是建筑结构体的重要承重结构，随着高钛型高炉渣材料研究的不断进展，高炉渣混凝土试块、配合比设计、施工工艺等研究工作已取得较多成果[1-11]。但是这些成果主要是材料学科的研究者的研究结果，由于学科的限制，这些成果与土木工程学科混凝土领域所需的材料性能参数联系不是很紧密，致使混凝土主要应用领域的土木工程研究人员在应用高钛型高炉渣混凝土时缺乏依据，只能用现行规范中普通混凝土的参数进行设计。

目前，高钛型高炉渣混凝土在攀枝花的市场份额基本占到一半[12]，这些大量建造的结构物的设计依据是根据普通混凝土结构设计规范设计的。所以，目前用高钛型高炉渣混凝土建造的结构物可靠度是未知的。

共设计了6根高钛型高炉渣混凝土梁，然后通过试验及试验横、纵向对比得出了各梁的骨架曲线，全、半矿渣梁抗剪能力强弱等结论。

1 梁抗剪性能试验概况

1.1 试件设计及制作

高钛型高炉重渣梁尺寸为2 500 mm×200 mm×400 mm。试验制作的半矿渣梁混凝土梁，试件编号为1号、2号、3号；试验制作的全矿渣梁混凝土梁，试件编号为4号、5号、6号。各梁的配筋形式如图1所示。

(a)1、4号梁 (b)2、5号梁 (c)3、6号梁图1 高钛型高炉重渣梁配筋(单位:mm)

1.2 试验测点的布置

1.2.1 位移计布置

梁的滚轴铰布置在离梁端470 mm处，梁下部跨中布置2号位移计以测量跨中位移，梁上部支座部位布置1号、3号位移计以测量支座沉降，剪跨区布置4号、5号位移计测量剪应变(图2)。

图2 位移计布置(单位:mm)

1.2.2 混凝土梁上测点布置

梁混凝土表面应变花、应变片布置如图3所示。

图3 剪跨区应变花(右)、应变片(左)布置(单位:mm)

1.2.3 钢筋上测点布置

(1)为了测量主筋的应变梯度，梁底部一排钢筋中，中间一根钢筋设置应变片，其布置如图4所示。

(2)为了测量剪跨区箍筋的应变情况，为更加方便的捕捉到箍筋上应变敏感部位和方便钢筋笼骨架的绑扎，在剪跨区的每个箍筋上布置3个应变片(图5)。

图4 主筋应变片布置(单位:mm)

图5 箍筋表面应变片布置

1.3 试验装置

竖向加载设备采用shore-west公司生产的电液伺服加载系统加载。试验的应变和位移数据采集由数据采集系统自动采集，本试验所使用的数据采集系统产于日本，型号为TDS-602。荷载与内位移由shore-west公司生产的电液伺服加载系统采集。

2 试验过程

2.1 试件试验过程

试验开始前，首先检查应变片、应变花及其测试设备是否异常，通过梁顶的竖向千斤顶以0.1倍的预加竖向荷载加卸载一次，来消除试验装置的初始缺陷。此后，根据计算的梁的承载力，将试验的荷载分为10级，按承载力的0.1、0.2、

0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1倍进行竖向加载，每级荷载持荷10 min，直至梁破坏。

2.2 试件失效形式

在剪跨范围内，梁下部剪拉区存在斜向主拉应力，当达到混凝土极限拉应变值时，产生斜裂纹。随着荷载的增大，将发生沿斜裂纹的斜截面强度破坏。当梁在剪跨内沿斜截面发生破坏时，由于配箍率、剪跨比等因素不同将会出现剪压破坏、斜拉破坏和斜压破坏。

本次试验的梁最终破坏形式皆为斜截面受剪破坏，最终破坏形态如图6所示，其斜裂纹破坏状态皆为腹剪斜裂纹。试件试验过程中裂纹发展主要阶段见表1。

图6 矿渣混凝土梁破坏形态

特征点1号梁特征点位移/mm力/kN2号梁特征点位移/mm力/kN3号梁特征点位移/mm力/kN4号梁特征点位移/mm力/kN5号梁特征点位移/mm力/kN6号梁特征点位移/mm力/kN跨中正截面裂纹初裂0.5978.910.98117.910.7790.910.8371.910.4553.910.2739.91斜裂纹初裂2.39281.812.39287.812.36275.812.4169.811.74212.811.53198.81梁抗剪破坏条件4.69550.813.73427.813.76403.814.71542.814.11436.812.51290.81最大抗剪能力7.25792.817.33700.817.26585.818.72759.818.06636.816.17516.81

3 辅助试验

3.1 混凝土强度试验

半矿渣混凝土标准试块与全矿混凝土标准试块配合比中除粗骨料掺加量不一样以外，水泥、高钛型高炉重渣细骨料、外加剂等用量完全一样，两组试块及梁试件同条件养护。混凝土标准试件压力极限值由试验测得，强度计算见表2、表3。可见，半矿渣梁试块立方体抗压强度稍低于全矿渣梁试块的立方体抗压强度(混凝土立方体抗压标准值=混凝土强度总体分布的平均值-1.645倍标准差)。

表2 半矿渣混凝土强度

4 试验结果及分析

4.1 试件的受力计算

单位长度梁的自重25×0.2×0.4=2 kN/m，将均布的梁自重等效为跨中集中合力加上作动器初始配重，梁的跨中

表3 全矿渣混凝土强度

初始等效荷载为3.81 kN。表1中试验记录荷载均已加上梁自重等效荷载及作动器初始配重荷载。

4.2 矿渣梁的受力分析

4.2.1 矿渣梁受力分析

由表1矿渣梁试验的试验现象特征点，可得半矿渣1号、2号、3号梁的骨架曲线如图7所示。可见，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂条件和斜截面初裂条件与配箍量关系不大。

图7 半矿渣梁骨架曲线

4.2.2 全矿渣梁受力分析

由表1矿渣梁试验的试验现象特征点，可得全矿渣4号、5号、6号梁的骨架曲线如图8所示。可见，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂条件和斜截面初裂条件与配箍量关系不大。

图8 全矿渣梁骨架曲线

4.2.3 矿渣梁最大抗剪能力对比

半矿渣1号梁与全矿渣4号梁的配筋完全一致，混凝土配合比中除粗骨料掺加量不一样以外，水泥、高钛型高炉重渣细骨料、外加剂等用量完全一样，由表1矿渣梁试验的试验现象特征点可得，1号半矿渣梁的最大抗剪能力为792.81kN，4号全矿梁的最大抗剪能力为759.81kN。尽管半矿渣梁试块立方体抗压强度稍低于全矿渣梁试块的立方体抗压强度，但1号半矿渣梁的正截面初裂承载力、斜裂纹初裂承载力、抗剪承载力和最大抗剪能力都优于4号全矿渣梁。

2号、5号梁及3号、6号梁同理，尽管半矿渣梁试块立方体抗压强度稍低于全矿渣梁试块的立方体抗压强度，但半矿渣梁的正截面初裂承载力、斜裂纹初裂承载力、抗剪承载力和最大抗剪能力都优于相对应的全矿渣梁。

5 结论

通过试验可以得出如下结论：

(1)梁截面尺寸、混凝土强度等已定条件下，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，但正截面初裂条件和斜截面初裂条件与配箍量关系不大。

(2)半矿渣混凝土试块与全矿渣试块的配合比中，水泥、高钛型重矿渣砂、外加剂的使用量完全一样，半矿渣混凝土的粗骨料使用的是攀枝花产的碎石，全矿渣混凝土的粗骨料使用的是高钛型重矿渣粗骨料。通过试块抗压强度测试可知，全矿渣混凝土试块的抗压强度略高于半矿渣混凝土试块。

(3)半矿渣梁的抗剪能力各项指标均优于全矿渣梁。

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冯士千(1991～)，男，本科。

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[定稿日期]2016-05-23