钢筋钢纤维混凝土连梁的变形特点

赵 军，马 鑫，李光辉

(郑州大学土木工程学院，河南郑州450001)

随着现代混凝土结构理论的发展和混凝土强度的提高，剪力墙结构的承载能力和抗震能力都有大幅度提升.发生地震时，主要由剪力墙结构来承担和抵抗水平地震作用.从世界各地发生的地震破坏情况来看，作为剪力墙结构中重要构件的连梁最先受到冲击而破坏，连梁作为结构的第一道防线在墙肢屈服之前达到屈服，尽可能发挥其塑性变形能力以及耗散地震能量，可有效减轻整个主体结构的损坏程度，因此如何提高连梁的性能也受到了国内外学者的广泛重视［1－6］.

钢纤维能显著改善混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等力学性能，提高混凝土的延性和韧性，增加钢筋混凝土结构的变形能力和抗震能力［7－9］.在钢筋混凝土连梁或者剪力墙中加入钢纤维，将改善连梁或剪力墙结构的承载能力和抗震性能.因此，笔者设计了4个不同钢纤维体积率的钢筋混凝土连梁，进行低周反复荷载作用下的试验研究.

1 试验概况

1.1 试件尺寸

依据文献［10—12］对试件设计的规定，同时，综合考虑剪力墙结构中连梁的尺寸、加载设备和试验空间等因素，取连梁的截面尺寸(长×宽×高)为800 mm ×150 mm ×400 mm，跨高比为2.0，两端各有一片1 000 mm×150 mm×600 mm的剪力墙.整个试件呈工字形，分为连梁和墙肢两部分，总长度为2 000 mm，连梁和墙肢的厚度均为150 mm.所有构件均采用相同的尺寸和配筋形式.具体试件尺寸和配筋如图1和图2所示.

图1 试件尺寸简图

图2 试件配筋简图

1.2 试验参数及原材料

混凝土强度等级为C50，分别制作普通混凝土和钢纤维混凝土两种试件，钢纤维体积率分别为0.0%，0.5%，1.5%，2.5%.C50 混凝土配合比见表1.

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

试验原材料:剪切型微扭钢纤维，长径比为42，等效直径为0.76，抗拉强度为760 MPa;P·O42.5级普通硅酸盐水泥;细集料为天然河砂，Ⅱ区中砂;粗集料为5～20 mm连续级配碎石.

1.3 加载装置

采用水平低周反复加载方式，加载时将试件竖立放置，连梁两端剪力墙分别与地梁和加载曲梁连接，水平荷载通过连梁两端的剪力墙传递到连梁上.为模拟实际工程中由剪力墙相对变形引起连梁受力的情况，试验装置在加载曲梁顶面设计了保证水平加载的平行铰，曲梁加载点位于连梁形心位置.

采用荷载－位移混合控制的水平低周反复荷载的加载制度，加载过程分为荷载控制和位移控制两个阶段.在试件屈服之前，采用荷载控制的方式对试件进行加载，所加荷载分级递增并水平往复进行，每级荷载循环1次，当荷载临近试件屈服荷载时增加分级，直至试件屈服.当试件屈服之后，改为位移控制加载，即根据试件屈服时的位移作为位移控制参数，逐级递增，每次位移循环3次，直到构件的承载力下降为极限承载力的80%时停止，认定此时构件已完全破坏.

1.4 测点布置

钢筋的受力状态直接反应构件的受力情况，因此在试验中主要测试了梁端和梁跨中的纵向受力钢筋应变、纵向构造钢筋应变以及不同位置的箍筋应变，以分析在试验过程中各部位钢筋应变的变化情况.应变片具体位置及编号如图3所示，其中1—20号应变片为箍筋应变片，21—46号应变片为纵向钢筋应变片，括号中编号为与括号外编号相对应的背面钢筋应变片.

为测量连梁在受力过程中的位移情况，在梁受力方向两侧各布置4个位移计来测量加载过程中连梁与剪力墙的相对位移，位移计在连梁各侧的具体布置情况和编号如图4所示.

2 钢筋应变分析

2.1 纵向钢筋应变分析

试件在正向加载过程中的纵向钢筋应变随荷载的变化情况如图5所示.从开始加载到破坏，连梁中钢筋应变的变化可分为以下4个阶段.

1)初始加载时，荷载较小，由于混凝土和钢筋共同承受荷载，梁顶、跨中和梁底截面的钢筋应变都比较小.在梁顶出现受弯裂缝之后，随着荷载的变化，连梁两端的纵向受力钢筋呈现梁顶受拉而梁底受压的现象，与连梁的内力分布相一致.由于此时荷载较小，且纵向构造钢筋位于截面中部，其应变很小，在此阶段基本没有太大变化.

2)试件开裂以后，随着荷载的不断增加，梁中受力纵向钢筋应变明显增大，梁顶截面纵向钢筋受拉，梁底截面纵向钢筋受压，但跨中截面纵向钢筋应变很小，符合反弯点受力状况特点.同时随着连梁中钢纤维体积率的增大，在同一荷载阶段受力纵筋的应变有所降低.在这个阶段，纵向构造钢筋主要表现为受拉，但应变较小.

3)随着斜裂缝的发展和两端水平裂缝不断从两端向跨中出现，连梁纵筋的受力也发生变化，梁顶截面的拉应变和梁底截面的压应变明显增大，跨中截面纵筋开始受拉.而对于纵向构造钢筋，梁顶、梁底和跨中截面钢筋都处于受拉状态，且应变明显增大，说明随着钢纤维的加入，增大了构造钢筋参与受力的程度.

4)进入破坏阶段以后，由于钢纤维体积率的不同，各个试件中纵向钢筋的最终受力应变情况也有较大区别.在钢纤维体积率较小的试件中，直至试件破坏纵向钢筋也没有达到屈服;而随着钢纤维体积率的增加，纵向钢筋在破坏阶段达到屈服.这是由于钢纤维体积率较小时，裂缝发展不太充分，纵向钢筋的作用没有得到充分发挥.随着钢纤维体积率的增加，试件表面形成较密的裂缝体系，使纵筋的作用得到有效发挥.

图5 连梁纵向钢筋应变图

2.2 箍筋应变分析

正向加载时，不同钢纤维体积率试件中穿过斜裂缝的箍筋的应变变化情况如图6所示.其中系列1为钢纤维体积率1.5%试件中的箍筋应变，系列2为未掺加钢纤维试件中的箍筋应变.由图6可知，系列1和系列2有基本相同的应变变化趋势，在未出现斜裂缝的时候，箍筋应变很小，随着裂缝的出现，箍筋应变会突然增大，最后跨越临界斜裂缝的箍筋会随着裂缝的发展发生屈服.

图6 试件临界裂缝处箍筋应变情况

比较系列1和系列2可以得到，由于钢纤维的加入，箍筋应变的变化趋势有所不同.当荷载为140 kN时，普通混凝土试件的箍筋应变明显增大，而钢纤维混凝土试件箍筋在荷载接近240 kN时才出现明显的增大趋势.这主要是由于乱向分布的钢纤维均匀分布于试件的各个部位，当试件开裂以后，跨越裂缝的钢纤维发挥优异的桥架作用，在承担荷载的同时，还能把裂缝两端的应力向周围混凝土中传递;由于钢纤维数量较多，几乎试件所有截面的混凝土都参与受力，形成了典型的混凝土多缝开裂状态，在整个试件表面产生交叉斜裂缝网格体系，使跨越裂缝的箍筋应变大大减小.同时，也使箍筋的延性得到了充分的发挥.

3 侧向位移分析

各试件在加载过程中在连梁同一侧4个测点的位移变化情况如图7所示.在荷载较小时，试件侧向位移沿梁长近似呈线性分布.随着荷载的增加和裂缝的出现，由于弯矩和剪力的作用，侧向位移分布曲线呈现出接近倒S形分布特征，这和梁的弯曲变形截然不同，反映出试件以跨中截面为反弯点的受力状态.同时，侧向位移分布从线性到非线性的变化，反映了连梁中裂缝开展及刚度等的变化情况.

随着荷载的增加，裂缝逐渐开展，连梁刚度不断下降，且随着荷载的增加刚度下降程度增大.通过对图7中各试件位移变化图的比较可见，随着试件中钢纤维体积率的增加，在相同荷载作用下，试件的侧向位移有所减小，但破坏时的极限位移明显增大，使试件的破坏延性有所改善.

图7 连梁随荷载相对位移变化图

4 结语

1)钢纤维体积率影响着钢筋混凝土连梁中纵向钢筋的应变变化.当连梁处于破坏阶段时，钢纤维对裂缝的限制作用使纵向钢筋的抗拉作用得到有效发挥.

2)钢纤维的加入，明显降低了同级荷载下跨越裂缝的箍筋应变，并显著提高了箍筋的极限应变.

3)钢纤维的加入，明显降低了试件在同级荷载作用下的侧向位移，并显著增大了试件的极限位移，改善了试件的破坏延性.

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