不同配筋形式的简支梁在小剪跨比受力状态下破坏形态的试验研究

李红霞,叶 敬

(1.贵州中建建筑科研设计院有限公司,贵州贵阳550006;2.贵州大学,贵州贵阳550003)

国内外的诸多试验表明简支梁在小剪跨比受力状态下发生的破坏形态基本都是斜压破坏,斜压破坏属于脆性破坏,并且破坏发生在剪跨区段。目前解决小剪跨比受力状态的方式有三种,即①增大梁截面;②加腋;③加密箍筋。这些方式虽然是目前解决问题的方式,但都存在一定的不足。本文根据斜压破坏的特点,充分利用斜压破坏的高承载力,采用理论分析结合试验研究的方法,通过改变配筋方式增加剪跨段的延性,即利用“扬长避短”的方法来解决小剪跨比简支梁发生斜压破坏的脆性问题。

1 试验设计

1.1 斜压破坏特点

众所周知,斜压破坏具有高的承载力(图1),只是延性差(图2),只要采取一定的措施也许就能“扬长避短”。从斜压破坏的形式不难看出,当λ=1时(λ为剪跨比),裂缝与竖直方向呈45°角,随着 λ的减小,夹角会越来越小,箍筋的销栓作用也会越来越小,腰筋的销栓作用越来越明显[1],显然箍筋在斜压破坏中所发挥的作用不如腰筋大。因此本文试验目的为通过改变配筋方式来增加剪跨段的延性,解决小剪跨比受力状态下简支梁斜截面出现易斜压脆性破坏的问题。

1.2 不同剪跨比下的主应力迹线

从图3[2]不同剪跨比简支梁的主应力迹线可以看出,剪跨比越小支座点与加载点的主拉应力迹线趋于水平,主压应力趋于垂直,短斜柱现象越明显。由于混凝土抗压能力远高于抗拉能力,根据不同剪跨比下的主应力迹线图得到思路,形成了剪跨段增设水平钢筋抵抗拉应力以及在形成短斜柱的剪跨段增设水平箍筋进行区域约束的改变配筋方式的设计理念。

图1 斜截面破坏F0-f曲线(F0为承载力、f为挠度)

图2 斜压破坏状态

图3 剪跨比λ=2、λ=1、λ=1/2主应力迹线图

1.3 试件设计

为消除影响混凝土的抗剪承载力的其他因素,在试件的设计中,通过以下措施来实现:

(1)采用同一个混凝土标号的混凝土C25,使混凝土强度对所有试件的影响相同;

(2)采用相同的截面尺寸150 mm×300 mm,使截面尺寸对所有试件的影响相同;

(3)采用相同的截面形状——矩形截面,使截面形状对所有试件的影响相同;

(4)采用相同的箍筋直径与间距,使箍筋对所有试件的影响相同;

(5)采用相同的受拉主筋与架立筋,使纵筋的销栓作用对所有试件的影响相同;

(6)在试验过程中三根试验梁采用相同的剪跨比1.1,使剪跨比对所有试件的影响相同。

1.4 试验方案

试件梁一(BM-1)的设计思想:按照普通的钢筋混凝土梁进行设计。

试件梁二(BM-2)的设计思想:诸多文献提到了纵筋率[3]对梁的抗剪机理和抗剪承载力影响不容忽视,尤其有文献提到了将纵筋从集中布置梁底变成分布于梁腹的情况。当梁的高度比较大时按照构造要求一般都配置腰筋。试件梁二在梁腹部配置两道梁腹纵筋,研究腰筋对梁的抗剪性能的影响。

试件梁三(BM-3)的设计思想:根据斜压破坏的特点:①斜压破坏是三种斜截面破坏中斜截面承载力最大的;②斜压破坏时,混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干个斜向短柱而破坏,破坏是突然发生的;③发生斜压破坏时,当达到峰值荷载的时候,跨中挠度不大,破坏后荷载会迅速下降,表明它属于脆性破坏类型。利用纵筋对混凝土的销栓作用、箍筋的套箍作用和区域约束的概念[4],在梁腹配置一道梁腹纵筋,在剪跨段配置横向箍筋-腰箍,对剪跨段进行横向区域约束。各试件设计尺寸见图4。

图4 试件设计图

2 试验方法及步骤

试验采用静力加载方法[5],加载仪器采用100 t手动千斤顶加载,并通过分配梁在试验梁上的对称位置实现两个等值、同步的集中力,两集中力分别通过固定支座和滚动支座传至试验梁。分配梁安装在试验梁上,加载点与简支支座处放有120 mm×180 mm×18 mm钢垫板。垫板与试件梁间为传力均匀铺有一层细沙。

试验为破坏试验,加载到承载力试验荷载计算值的90%以后,为求得精确的破坏荷载值,每级加载值取短期荷载值的5%,按每级10 kN进行加载,持续时间5 min,记录梁的破坏现象。

破坏准则:试验后期,当千斤顶继续加载时而显示荷载的仪器读数不增加反而降低,同时位移计读数急剧增加时,可以认为试件失效。试验加载装置图见图5。

图5 加载装置图

3 试验结果及分析

3.1 初裂荷载及位置

三试件梁初裂裂缝位置均出现在纯弯段,具体开裂荷载如表1。

理论值采用文献[6]中所提供的公式:

其中:Mcr为开裂弯矩;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;b为矩形截面的宽度;h为截面高度;σs为受拉钢筋应力;a为受拉钢筋重心至受拉区边缘距离;xc为中和轴至受压区边缘距离。计算其开裂弯矩Mcr为5.77 kN·m。

表1 试件梁初裂荷载表

结合试验过程以及试验结果可以得出如下结论:①在试件开裂前的预载阶段及开裂前的加载过程,结构内部进行了调整。②从钢筋应变计的数值来看,箍筋、腰筋与腰箍参与工作,起到很好的约束作用,而不仅仅是底部受拉钢筋参与抗裂工作。因为,尽管初裂裂缝出现在纯弯段抗拉能力最薄弱处,但由于内部的重组调整,腹筋与腰筋起到了很好的约束作用,所以使得开裂荷载比计算值提高了。

由此得出:改变配筋方式是可以改变梁的初裂荷载的。

3.2 极限承载力

对试件梁BM-1,根据文献[7]公式:

其中:vcs为构件截面上混凝土和箍筋的受剪承载力设计值;λ为计算截面的剪跨比;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;b为矩形截面的宽度;h0为截面的有效高度;fyv为箍筋抗拉强度设计值;Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;s为沿构件长度方向的箍筋间距。

按照以上公式计算出vcs为77.8 kN,按照最小截面尺寸限值本次实验构件的hw/b≤4根据文献[7]公式V≤0.25βcfcbh0(其中hw为截面的腹板高度,对矩形截面取有效高度;βc为混凝土强度影响系数,当混凝土强度低于C50时取1.0;fc为混凝土轴心抗压强度设计值)计算出的斜截面承载力为141.6 kN。各试件梁实测极限荷载见表2。

表2 抗剪承载力计算值与实测值表

试件开裂后,简支梁中轴以下混凝土退出工作,钢筋抗拉。从试验的结果来看,常规配筋的试件梁一的极限承载力基本符合规范最小截面尺寸限值。

加两道腰筋的试件梁二的极限承载力超出规范最小截面尺寸限值近50%。

加一道腰筋剪跨区加腰箍的试件梁三的极限承载力超出规范最小截面尺寸限值近30%。从相应的钢筋应变计数值来看,腰筋对提高简支梁的极限承载力有很大作用。

3.3 挠 度

从表3、图6中可以得出结论:试件梁一、试件梁二表现出明显的脆性特征,当荷载增加到极限荷载,荷载迅速下降,挠度迅速增大,这种破坏形态在工程中是尽量避免的。试件梁三在破坏过程中有很明显的挠度变形,承载力下降并不是急剧的,变形很大然而承载力下降很小,表现出很好的延性。

图6 三根试件梁的荷载-挠度曲线比较图

3.4 破坏形态

试件梁一:随着荷载的增加出现在纯弯段的裂缝开展趋缓,剪跨段裂缝发展迅速,破坏形态与斜压破坏相同(见图7)。

图7 试件梁一破坏图

试件梁二:随着荷载的增加出现在纯弯段的裂缝开展趋缓,剪跨段裂缝发展迅速,破坏形态与斜压破坏相同,最终剪跨段混凝土先纯弯段被压溃(见图8)。

试件梁三:随着荷载的增加尽管剪跨段出现斜裂缝,但其开展缓慢,纯弯段裂缝发展迅速,破坏形态与剪压破坏相同。破坏避开剪跨段发生在纯弯段,且具有较大的残余承载力,构件有明显的延性性能(见图9)。

从表3、图6、图7、图8、图9可以得出:(1)仅根据截面高度按照规范设置腰筋只能提高其极限承载力不能改变其破坏形态;(2)配置腰箍能有效的改善小剪跨比受力状态的简支梁剪跨段的延性。

图8 试件梁二破坏图

图9 试件梁三破坏图

4 结 语

目前,在工程应用中解决梁处于小剪跨比受力状态的方法有三种:(1)加腋法。该方法有时会影响到房屋的使用功能及美观,有时会把出现在梁端的塑性区转移到柱中。(2)增大梁截面。该方法不但会使得剪跨比更小,而且不符合设计概念中的强梁弱柱理念。(3)在剪跨区加密箍筋。梁端本身钢筋较密,加密箍筋很难保证节点区域浇筑质量。

通过按照剪跨区的应力迹线特征改变配筋方式进行试验,结果表明:在不显著增加施工难度的前提下改变配筋形式可以提高构件的开裂荷载与极限承载力,改善构件的延性性能,有效地提高结构的抗震性能,从根本上解决构件在剪切作用下的脆性问题。

[1]东南大学,天津大学,同济大学合编.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:49-119.

[2]施岚青,徐有邻.钢筋混凝土受弯构件的剪切强度控制区及其下包线[J].建筑结构学报.1983,(5):23-34.

[3]李平先,丁自强,赵广田.有腹筋钢筋混凝土短梁抗剪强度的试验研究[J].郑州工学院学报,1993,14(1):1-11.

[4]丁大钧.现代混凝土结构学[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:151-159.

[5]湖南大学等.建筑结构试验[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.

[6]陆春阳.混凝土受弯构件正截面抗裂弯矩计算[J].广西大学学报(自然科学版),2005,30(3):181-183,214.

[7]中华人民共和国建设部.GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[8]王命平,王新堂.小剪跨比钢筋混凝土梁的抗剪强度计算[J].建筑结构学报,1996,17(5):73-78.