钢纤维混凝土开圆孔T梁受剪性能研究

吴雪红　侯志成

关键词：有限元分析 钢纤维 T型 剪切破坏

中图分类号：TU973.31 文献标识码：A 文章编号：1679-3567（2023）10-0037-03

随着社会生产力及建筑技术的飞速发展，人们对建筑环境的舒适性、安全性要求不断提高，大量高层智能建筑不断涌现。对于大型复杂建筑，楼层管线布置复杂，难免与结构发生碰撞，带来施工设计困难的问题。但是，目前的钢筋混凝土开孔梁质量很难保证，且孔洞附近钢筋绑扎密集，影响施工。

采用钢纤维混凝土可以较理想解决前文阐述的因为各种管道、设备管线等布置梁下，增大结构高度而降低房屋净高的问题，可以美化建筑环境，提高视觉观感。可以降低结构恒载，有利于结构整体抗风抗震，提高结构使用年限。

1实验概况

1.1材料和试件设计

本研究中的普通混凝土（NC）和钢纤维混凝土（SFRC）的配合比参考中国《纤维混凝土》（JGIT 472-2015）。粗骨料粒径为15～25 mm，表观密度为2780 kg/m³。SFRC中加入0.75%体积率的钢纤维长度30 mm，直径0.6 mm，长细比50，屈服强度1000～1300 MPa。主要钢筋等级为600 MPa和400 MPa，根据钢筋拉伸试验结果，相应的屈服强度测量值分别为675 MPa和473 MPa，极限抗拉强度分别达到861 MPa和572 MPa。

为了研究钢纤维和600 MPa钢筋在混凝土T梁中的作用，依据《钢纤维混凝土结构设计标准》（JGJIT465-2019），设计并制作了两根T梁。T梁的纵向钢筋和箍筋直径分别为14 mm和6 mm，箍筋间距为150 mm，梁的详细钢筋布置和几何尺寸如图1所示。两根T梁符号分别为T6N和T6S，其中T代表T梁，4和6为400 MPa和600 MPa纵向钢筋，N和S代表无钢纤维和有钢纤维。

图1试验梁截面形式

1.2材料性能

采用最大承载能力为2 000 kN的UTM和三根矩形SFRC梁，分别按照GB/T 50080-2016对包括NC和SFRC在内的12个混凝土立方体样品进行了测试。NC和SFRC的抗压强度分别为58.5、59.2、53.2 MPa和60.8、62.9、57.6 MPa。在混凝土中加入钢纤维后，抗压强度增加了6.1%。另一方面，三根矩形梁的比例极限弯曲拉伸强度根据JGJ/T 465-2019进行了测试和计算，分别为6.0、6.9和5.4 MPa。

2静载试验结果与分析

表1清楚地显示了两个测试T梁极限承载力与跨中挠度。在混凝土中加入钢纤维会增加T梁的承载能力和挠度，因为没有钢纤维的T6N梁剪切破坏而无法继续承载。但T6S钢纤维T梁由于纵向钢筋拉断而弯曲破坏，完全符合设计预期。同时，T6S梁的施加荷载达到279.4 kN，比参考梁的189.1 kN增加了90.3 kN。

表1 试验与数值计算结果对比

3数值分析

3.1试验梁数值模拟结果及分析

用ABAQUS模拟的两根T梁中的加载过程。模拟结果表明：数值计算T梁的整体破坏趋势基本与试验一致，包括混凝土应力分布、挠度、混凝土极限强度位置和裂缝等。T6N无钢纤维梁的跨中挠度很小，因为该梁混凝土受剪破坏。相比之下，钢纤维T6S梁明显弯曲，产生了较大的挠度，这在应力云图图中可以清楚地看出。因此，通过模拟和实验结果图片的比较，T梁的数值模拟与实验结果基本一致，如表1所示。

对T6N和T6S实验结果与ABAQUS中的有限元模拟结果进行了比较。结果表明：有限元分析和实验之间的所有曲线大致遵循相同的趋势，但有一些可接受的偏差。总之，有限元分析中的荷载和挠度曲线与实验结果吻合良好，无论有无钢纤维，预测600 MPa钢筋混凝土T梁的荷载和跨中挠度结果都是可靠的。

3.2开圆孔T梁数值模拟结果及分析

图2 无钢纤维混凝土T梁应力云图

图3 有钢纤维混凝土T梁应力云图

图4 梁荷载-挠度曲线

调整好后的两类T梁模型先后在剪压区布置圆形孔洞后模拟破坏过程。如图2和3所示，孔洞位置相同，均在第二和第三箍筋中间，圆心距离梁端220 mm，梁腹板底边110 mm，圆形孔洞直径为120 mm。圆形孔洞普通混凝土T梁力学性能削弱明显。根据混凝土和钢筋应力应变图形可以判断，两个带孔T梁都依然剪切破坏。然而，无钢纤维圆孔T梁极限承载力和跨中挠度分别降低到158.9 kN和4.0 mm，比无孔T梁降低了34.2 kN和1.7 mm。如图4所示，钢纤维混凝土T梁因开孔后的力学性能削弱程度明显比普通混凝土T梁小。根据钢筋和混凝土应力应变图及荷载跨中挠度曲线可以判断，圆孔钢纤维混凝土T梁仍然剪切破坏，而试验中无孔钢纤维混凝土T梁则受弯破坏。同时，圆孔T梁极限承载力和跨中挠度分别降低到280.3 kN和27.7 mm，承载能力与无孔T梁降几乎相同，而跨中挠度低24.1 mm。這种现象是因为钢纤维明显提高了混凝土T梁的抗剪承载力和跨中挠度。

通过两组荷载位移曲线图，可以明显看出钢纤维对钢筋混凝土腹板开圆孔T梁的力学性能作用，对位于剪压区的圆形孔洞的T梁，承载能力和跨中挠度增高显著。因为加入钢纤维后，混凝土抗剪强度提高，孔洞T梁可以承载更高弯矩，钢筋和混凝土材料强度得到进一步发挥。然而，根据有限元软件计算结果，尽管钢纤维提高了孔洞T梁的抗剪强度和跨中挠度，但孔洞T梁依然是剪切破坏，钢筋和混凝土材料强度仍然没有充分利用。在实际工程中根据承载需要，仍然有必要在孔洞周边设计加强筋。关于钢筋混凝土开孔T梁力学性能讨论，是根据有限元软件模拟结果，需要进一步开展实验验证理论结果。

4结论

本研究通过加载两个T梁，运用ABAQUS6.14-1有限元软件，模拟了两个梁加载过程。通过调整材料参数，得到较可靠的数值模型，然后计算了开孔T梁的承载能力和挠度。因此，得出以下结论。

（1）在T梁中加入7.5%体积的钢纤维，可以显著提高T梁极限承载能力和挠度，使T梁的破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏。同时，T形梁上形成的裂纹的分布和宽度也变得更加均匀。

（2）用ABAQUS 6.14-1软件对试验的T梁进行了模拟，其关键数值偏差在3%～5%之间，可用于计算腹板开圆孔的T梁性能。

（3）根据有限元软件的模拟结果，在T形钢筋混凝土T梁上开圆孔会显著降低梁的极限承载力，并改变梁的最终破坏模式。

（4）根据有限元软件的计算结果，在有圆孔的钢筋混凝土梁中加入钢纤维可以显著提高梁的极限承载力和跨中挠度，但不能达到无孔T梁的力学性能，仍然剪切破坏。