钢纤维全轻混凝土叠浇梁斜截面受剪疲劳性能的试验研究

李长永, 聂旭, 康星星, 彭超, 张晓燕, 赵顺波

(华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州450045)

钢纤维全轻混凝土叠浇梁斜截面受剪疲劳性能的试验研究

李长永, 聂旭, 康星星, 彭超, 张晓燕, 赵顺波

(华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州450045)

为了充分发挥钢纤维全轻混凝土对钢筋混凝土结构的基本性能、抗冻融能力等的增强作用，通过在一定高度的钢纤维全轻混凝土上浇筑普通混凝土的方法研发了一种新型钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁。在承受疲劳荷载作用的情况下，需要明晰钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的疲劳性能及其设计方法。为此,进行了钢纤维全轻混凝土截面高度和钢纤维掺量变化的10根钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的斜截面受剪疲劳性能试验，研究了不同疲劳破坏特征受疲劳荷载上限值和剪跨段斜裂缝初始宽度的影响机理。结果表明：疲劳荷载上限值控制了斜裂缝初始宽度和箍筋的初始应力幅，并对疲劳寿命产生了显著影响。随着疲劳荷载上限值的增大，斜裂缝宽度发展迅速，叠浇梁因箍筋脆性断裂而发生疲劳破坏；疲劳过程中超载导致斜裂缝宽度和箍筋应力幅的突然增大，是造成疲劳破坏的主要原因之一。考虑受拉区钢纤维全轻混凝土的增强作用，提出了叠浇梁斜裂缝宽度计算公式和疲劳次数验算公式。

叠浇梁;钢纤维全轻混凝土;截面高度;钢纤维掺量;受剪疲劳;斜裂缝宽度;箍筋应力幅;疲劳寿命

对于高层建筑、大跨和大空间结构，混凝土自重对其正常使用和承载能力具有明显的影响。因此，高性能轻骨料混凝土的研究和应用受到了越来越多的关注[1-4]。在此背景下，本文作者的课题组研发了全部粗、细骨料均采用烧结膨胀页岩陶粒的钢纤维全轻混凝土[5-10]，并对其进行了试验研究。由试验结果知，钢纤维全轻混凝土在最大程度减轻自重的前提下，具有很多综合优良性能，比如增强了基本力学性能特别是抗拉强度[5-8]，提高了抗冻融能力[9]，降低了收缩等[10]。当将钢纤维全轻混凝土用于现场浇筑成型的钢筋混凝土叠浇梁的截面受拉区时，叠浇梁在静载作用下的抗裂度、裂缝宽度和挠度等正常使用性能以及承载能力均可得到改善和提高[11-16]。

NES and ØVERLI 进行了类似的分层梁受力性能研究[17](分层梁由钢纤维轻骨料混凝土底层和浇筑其上的普通混凝土层组成)，结果表明，在弯矩和剪力作用下，梁的同截面上下层黏结良好，没有出现滑移，钢纤维轻骨料混凝土提高了梁的抗拉延性，可以减少普通抗剪钢筋的配置量。文献[18]研究了将超高韧性水泥基复合材料用于受拉区的分层混凝土复合梁的静力和疲劳抗弯性能。结果表明，在静力和疲劳荷载作用下，梁受弯时平截面假定仍然成立，层间界面具有可靠的黏结强度，超高韧性水泥基复合材料对受拉区混凝土层的延性具有增强作用，使得复合梁具有延性变形能力。

将钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁应用于桥梁、吊车梁、列车轨枕和海洋平台工程时，它将承受反复荷载作用，其可靠的疲劳寿命对于结构安全性是非常重要的[19-22]，而在现行的轻骨料混凝土结构设计规范中尚未有相关规定[1-2]。因此，需要开展钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁抗疲劳性能的研究。鉴于此，笔者进行了钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁斜截面受剪疲劳性能试验研究，提出了相应的评价钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁斜截面受剪疲劳性能的计算方法。

1 试验概况

1.1 试验梁的设计与制作

试验设计、制作了10根矩形截面梁。梁的宽度b=150 mm、高度h=400 mm、长度l=3.2 m，如图1所示。 跨度l0=2.9 m，剪跨比λ=2.0。纵向受拉钢筋为2φ25 mmHRB400，架立筋为2φ8 mmHPB335，箍筋为φ6@120 mm HPB300。纵向受拉钢筋配筋率ρ=1.84%，配箍率ρsv=0.32%。纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度c=25 mm。 钢纤维全轻混凝土的截面高度h1=200～280 mm，对应的截面高度比h1/h=0.5～0.7。钢纤维全轻混凝土的钢纤维体积率ρf=0.8 %～1.6 %。

图1 钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁立视图(单位：mm)

试验梁在实验室制作。在完成钢筋骨架和模板组装后，首先浇筑并振捣钢纤维全轻混凝土至设计截面高度，然后在钢纤维全轻混凝土达到初凝前在其上浇筑普通混凝土并振捣、抹面成型[11-16]。见表1所列，梁的编号含义：叠浇梁(SB)钢纤维体积率(ρf)-截面高度比(αhh1/h)；每组有2根梁，代号分别为a、b。其中截面尺寸b和h为实测值。

1.2 混凝土的制备

原材料采用P·O 52.5水泥，其物理力学性能见表2。矿物掺合料为II-级粉煤灰，密度2 049 kg/m3、需水量比95%、细度3.9%。

表1 试验梁特征参数

表2 水泥的物理力学性能

钢纤维全轻混凝土采用烧结膨胀页岩陶粒作为粗细骨料，其物理力学性能见表3，陶粒的级配按照最大紧密堆积密度调配。薄板剪切型钢纤维，长度36 mm、等效直径1.35 mm。这些材料的外貌特征如图2所示。

表3 粗细轻骨料的物理力学性能

普通混凝土采用粒径5～20 mm的石灰岩碎石和细度模数2.84的天然砂，其物理力学性能见表4。减水剂为减水率19%的萘系高效减水剂，搅拌用水为自来水。钢筋的性能见表5。

钢纤维全轻混凝土配合比设计采用规范JGJ 51—2002和GB/T 472—2015规定的绝对体积法[23-24]进行设计。所有配合比的胶凝材料用量为水泥440 kg/m3、粉煤灰110 kg/m3，水胶比0.25，减水剂用量为胶凝材料用量的1.0%。用于预湿轻骨料的附加用水量按图3所示的轻骨料1 h吸水率确定，吸水率按规范GB/T 17431.2—2010的规定测试[25]。钢纤维全轻混凝土和普通混凝土的配合比见表6和表7。

图2 轻骨料和钢纤维的外貌特征

粒径/mm细度模数堆积密度/(kg/m3)表观密度/(kg/m3)紧密堆积密度/(kg/m3)压碎指标/%片状颗粒含量/%含泥量/%5～20—1583277016827.2110.70.16～5.002.84148926181598——1.7

表5 钢筋的性能

钢纤维全轻混凝土和普通混凝土拌合物坍落度按规范GB/T 50080—2002规定的坍落度筒法进行测试[26]。所有拌合物均具有良好的工作性能，适宜于模内浇筑成型，坍落度实测值见表6和表7。

钢纤维全轻混凝土和普通混凝土基本力学性能试验按规范GB/T 50081—2002的规定进行[27]。立方体抗压和劈裂抗拉强度试验采用边长150 mm的立方体试块，轴心抗压强度和弹性模量试验采用尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试块。所有试块成型后伴随试验梁的养护至验梁疲劳试验时，试验梁的各项测试结果见表6和表7。

图3 轻骨料吸水率变化曲线

表6 钢纤维全轻混凝土的配合比

表7 普通混凝土的配合比

1.3 疲劳试验方法

试验梁加载方式采用顶部2点集中荷载，如图4所示。

按规范GB 50152—2012规定[28]，选取等幅正弦荷载，频率10 Hz。加载及控制设备采用MTS 疲劳试验系统。试验步骤如下：

图4 试验梁疲劳试验装置实景照片

步骤1在疲劳上限荷载20%范围内预加载2～3次，调试并保证试验加载和测试系统正常工作；

步骤2正式进行2次静力反复荷载试验，在荷载达到疲劳荷载上限后卸载，开始疲劳试验；

步骤3当疲劳次数N=5 000、1万、5万、10万、20万、50万和100万次时，进行试验测试。此后疲劳次数每增加5万次，进行一次试验指标测试；

步骤4重复试验步骤3，直至试验梁破坏。

疲劳荷载比ρf=0.1。对于试验梁SB0.8-0.5-a、SB0.8-0.6-a和SB1.2-0.6-a，疲劳荷载上限取为静载极限抗剪能力的55%。由于这3根试验梁未产生预期的疲劳破坏，其他试验梁的疲劳荷载上限按对应于与箍筋相交处斜裂缝宽度0.2 mm取值。

如图5所示，应变片用于测试加载点附近剪压区和跨中表面的混凝土应变，安装在跨中、加载点和支座部位的电阻位移计用于测试梁的挠度。与箍筋相交处的斜裂缝宽度采用精度0.02 mm的裂缝宽度读数仪观测。

图5 位移计和应变片布置示意图

2 试验结果及分析

2.1 疲劳破坏特征

表8列出了试验梁的破坏特征，图6示出了试验梁破坏段的图片。SB0.8-0.6-a、SB0.8-0.6-b、SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b等5根梁发生了箍筋疲劳断裂特征的斜截面抗剪破坏，这些梁的疲劳荷载上限均取为对应于与箍筋相交处斜裂缝宽度达0.2 mm时的荷载值。由于钢纤维全轻混凝土中的钢纤维对斜裂缝扩展的约束作用，疲劳荷载上限随着钢纤维体积率的增大而增大。

表8 试验梁的破坏特征

梁SB0.8-0.5-a和SB1.2-0.6-a在疲劳次数达到数百万次后仍没有发生疲劳破坏，最终静载破坏。梁SB0.8-0.5-b发生了预料之外的跨中混凝土斜拉破坏，破坏由剪跨段底部一条斜裂缝突然延伸至跨中段，导致跨中段钢纤维全轻混凝土未受箍筋约束而斜向劈裂破坏。梁SB0.8-0.7-a和SB0.8-0.7-b仅承受十几万次的疲劳荷载作用就发生了预料之外的支座区域梁底部钢纤维全轻混凝土的压碎破坏。

图6 试验梁破坏形态

由于截面受压区普通混凝土的抗压强度高于钢纤维全轻混凝土的，加载点附近剪压区混凝土应变随着疲劳次数的增加而线性增大，但没有发生剪压区混凝土破坏。

2.2 斜裂缝宽度(ωcr)的验算

如图7所示，疲劳荷载上限取为静力抗剪荷载的55%时，卸载时残余斜裂缝宽度平均值和疲劳荷载达到上限时的斜裂缝宽度平均值随疲劳次数的发规律基本一致，均呈现初始快速而后平稳的发展变化趋势。在疲劳次数5万次之前，梁侧面出现数条斜裂缝，伴随着裂缝宽度快速增大并向加载点延伸。受新出现裂缝和邻近裂缝扩展的影响，残余最大裂缝宽度值和疲劳荷载上限时的最大裂缝宽度值随疲劳次数的增加呈波浪形变化。当疲劳次数分别达到950万和650万次时，梁SB0.8-0.5-a和SB1.2-0.6-a对应于疲劳荷载上限的最大裂缝宽度依次为0.55 mm和0.40 mm，最大裂缝残余宽度依次为0.25 mm和0.15 mm。

疲劳荷载上限为55%静力抗剪荷载的梁SB0.8-0.6-a，在疲劳次数5 000～10 000次时发生了超载，导致斜裂缝宽度突然增大，造成了钢纤维约束斜裂缝的“桥架作用”和斜裂缝间骨料“咬合作用”的不可恢复性破坏。如图8所示，疲劳次数5万次后，残余裂缝宽度的平均增加量为0.18 mm、最大增加量为0.75 mm，对应的残余最大裂缝宽度值为0.86 mm，疲劳荷载上限时的裂缝宽度最大值为1.07 mm。此后直至疲劳破坏前，裂缝宽度最大值增量较小。与疲劳荷载作用的钢筋混凝土梁和钢筋钢纤维混凝土梁类似[29-33]，梁SB0.8-0.6-a的残余最大裂缝宽度值及其在疲劳荷载上限时的裂缝宽度最大值呈现突然增大、相对稳定增大和快速增大的变化规律。

图7 疲劳荷载上限为55 %静力抗剪能力的试验梁斜裂缝宽度变化

图8 疲劳初期超载的试验梁SB0.8-0.6-a斜裂缝宽度变化曲线

当疲劳荷载上限对应的初始斜裂缝宽度为0.2 mm时，梁SB0.8-0.6-b和SB1.2-0.6-b的残余裂缝宽度平均值呈现随着疲劳次数增加先快速增加、后稳定增加的发展变化趋势。与梁SB0.8-0.6-b比较，梁SB1.2-0.6-b在疲劳次数1万次后对应于疲劳荷载上限的最大裂缝宽度增量较大。疲劳次数为80万次时，梁SB0.8-0.6-b的残余裂缝宽度最大值为0.31 mm，疲劳荷载上限时的裂缝宽度最大值为0.65 mm。疲劳次数100万次时，梁SB1.2-0.6-b的残余裂缝宽度最大值为0.32 mm，疲劳荷载上限时的裂缝宽度最大值为0.90 mm。与此不同的是，梁SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b在疲劳1万次时的内斜裂缝宽度快速增加，在没有更多斜裂缝出现的情况下发生了箍筋断裂破坏。

根据加载点附近剪压区混凝土受压应变试验数据，试验梁剪压区混凝土具有可靠的抗剪压疲劳性能，且钢纤维全轻混凝土与普通混凝土叠浇界面没有观测到剪切-滑移现象。因此，疲劳荷载作用下叠浇梁剪压区普通混凝土的功能与钢筋混凝土梁的类似[29,31,34]，钢纤维全轻混凝土的抗剪-拉作用类似于钢纤维混凝土梁的和钢筋混凝土梁的[33,35]。依据钢纤维混凝土梁和钢筋混凝土梁的研究成果[32,35,36]，结合本文试验结果进行修正，叠浇梁侧表面与箍筋相交处斜裂缝宽度可按下列公式计算：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)通过钢纤维掺量特征值体现了钢纤维对斜裂缝扩展的约束作用，通过钢纤维混凝土抗拉强度体现了叠浇梁受拉区钢纤维对斜截面抗裂的增强作用及其对箍筋应力的降低效果。图7—9给出了叠浇梁在疲劳荷载上限时的裂缝宽度最大值的实测与计算结果的比较情况：尽管量值有所差异，但两者在发展趋势上吻合良好。从图8可以看出，由于超载的影响，斜裂缝宽度增长突然偏离了正常值。受限于试验数据，上述计算公式仍需进一步的试验研究论证。

图9 疲劳荷载上限对应于斜裂缝宽度0.2 mm的试验梁斜裂缝宽度变化曲线

2.3 箍筋疲劳应力验算

结合钢筋混凝土梁和钢纤维混凝土梁的研究成果[29,31-32,34-36]，剪跨比相同时，静载与动载作用下梁的受剪破坏形态没有差异。当≥2.0时，梁的疲劳抗剪能力取决于箍筋拉应力幅此处为疲劳荷载上限时的箍筋应力为疲劳荷载下限时的箍筋应力。为了简化计算，忽略骨料咬合作用和纵向受拉钢筋的销栓作用等次要影响，并假定箍筋最小与最大应力比等于疲劳荷载的最小与最大值之比，即则箍筋拉应力幅可按下式计算：

(4)

图10给出了试验梁的箍筋拉应力幅计算结果。由图10可以明显看出，试验梁的疲劳破坏实质上取决于箍筋拉应力幅的大小。梁SB0.8-0.5-a的初始万次疲劳试验后184.0 MPa；梁SB1.2-0.6-a的初始万次疲劳试验后；因箍筋的初始拉应力幅均小于规范GB 50010—2010规定值165 MPa[19]，这2根梁均未发生疲劳破坏。如果疲劳试验5 000～10 000次没有超载，梁SB0.8-0.6-a在箍筋初始条件下的疲劳性能应该与这2根梁的相似。然而，超载使得箍筋应力达338.2 MPa，破坏了钢纤维对斜裂缝开展的限制作用和受拉区钢纤维全轻混凝土对叠浇梁受剪能力的增强作用，不可避免地造成了箍筋拉应力幅的增大，因此箍筋疲劳断裂导致了叠浇梁的受剪疲劳破坏。

图10 试验梁箍筋应力幅计算结果

当疲劳荷载上限按最大斜裂缝宽度0.2 mm取值时，箍筋的应力和应力幅增大。梁SB0.8-0.6-b、SB0.8-0.7-a、SB0.8-0.7-b、SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a、SB1.6-0.6-b的初始分别为224.2、229.1、244.5、280.1、292.3、290.8 MPa，这些梁均发生受剪疲劳破坏。梁SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b的初始应力幅增大，钢纤维对受剪疲劳的增强作用反映至增大疲劳荷载上限值，没有直接体现在增加疲劳次数上。

3 结语

基于对钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的受剪疲劳性能的试验研究，可得到如下的结论：

1)在疲劳荷载上限的斜裂缝宽度达到一定值时，叠浇梁发生以箍筋断裂为特征的受剪疲劳破坏，其实质是箍筋初始应力幅超过了安全限值。由于疲劳荷载上限随着钢纤维掺量的增加而增大，钢纤维对叠浇梁疲劳寿命的提高作用没有直接反映在疲劳次数的增加上。

2)随着疲劳次数的增加，斜裂缝宽度呈现快速、稳定和失稳三阶段的增长特征。文中提出了不同疲劳次数时最大斜裂缝宽度的预测公式，反映了钢纤维对裂缝开展的限制作用和钢纤维全轻混凝土对叠浇梁斜截面抗裂的增强作用。斜裂缝宽度最大值的实测和计算结果尽管在数值上存在差异，但发展趋势符合良好。

3)疲劳过程中超载导致箍筋应力和斜裂缝宽度的突然增大，破坏了钢纤维对裂缝开展的约束作用和受拉区钢纤维全轻混凝土对叠浇梁抗剪能力的提高作用。这不可避免地增大了箍筋的应力幅，导致了因箍筋断裂而产生的叠浇梁受剪疲劳破坏现象。因此，需要重视叠浇梁在正常使用状态下的超载情况。

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ExperimentalStudyonShearBehaviorofReinforcedSFRFLCSuperposedBeams

LI Changyong, NIE Xu, KANG Xingxing, PENG Chao, ZHANG Xiaoyan, ZHAO Shunbo

(Henan Province International United Lab of Eco-building Materials and Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

For the optimum application of steel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC), a new reinforced SFRFLC superposed beam was developed by pouring ordinary concrete on a certain height of SFRFLC. Considering the conditions of concrete structures subjected to cyclic loading, the fatigue behaviors and calculation methods of this reinforced SFRFLC superposed beam should be cleared. In this paper, we introduced the shear fatigue experiment of 10 reinforced SFRFLC superposed beams in changes of the sectional depth of SFRFLC and the steel fiber content, and analyzed the mechanisms of different characteristics of fatigue failure affected by the maximum fatigue load and the diagonal crack width at shear-span of test beams. Results show that the maximum fatigue load controls the initial diagonal crack width and the initial stress amplitude of stirrups, which has a great influence on the fatigue life. With the increase of maximum fatigue load, the growth of diagonal crack width becomes fast, the fatigue failure of test beams may take place due to the fracture of stirrups. Overload during fatigue was one of the main reasons of fatigue failure, which resulted in the sudden increase of diagonal crack width and stirrup′s stress amplitude. Considering the enhancement of SFRFLC in tension zone, formulas are suggested for the calculating of diagonal crack width and the checking of fatigue time.

superposed beam; steel fiber reinforced full-lightweight concrete; sectional depth; steel fiber content; shear fatigue; diagonal crack width; stirrup′s stress amplitude; fatigue life

杜明侠)

TV213.4

A

1002-5634(2017)06-0016-09

2017-10-20

河南省高等学校重点科研项目(16A560024)；河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队(13IRTSTHN002)；河南省新型城镇建筑技术协同创新中心(河南省教育厅，教科技〔2013〕638号)。

李长永(1977—)，女，天津人，副教授，博士，从事土木工程材料与结构方面的研究。E-mail：lichang@ncuw.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.003