钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁抗弯刚度试验研究

潘丽云, 尚亚琼, 康星星, 李长永

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁抗弯刚度试验研究

潘丽云, 尚亚琼, 康星星, 李长永

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

钢纤维全轻混凝土叠浇梁兼具钢纤维全轻混凝土质量轻、抗拉性能好与普通混凝土抗压性能好的优良特性.通过14根钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁、2根钢筋混凝土梁和2根钢筋钢纤维全轻混凝土梁的正截面受力性能对比试验,研究分析了钢纤维体积率、钢纤维全轻混凝土截面高度对叠浇梁正截面抗弯刚度的影响规律,提出了基于有效惯性矩的钢纤维全轻混凝土叠浇梁正截面抗弯刚度计算公式.结果表明：叠浇梁的正截面抗弯刚度随着钢纤维体积率的增加而增大,随着钢纤维全轻混凝土截面高度比例的增大而减小;基于有效惯性矩的抗弯刚度进行叠浇梁的挠度计算结果与试验结果符合良好.

钢纤维全轻混凝土;叠浇梁;抗弯刚度;截面高度;钢纤维体积率;有效惯性矩

为了充分利用普通混凝土抗压和钢纤维轻骨料混凝土抗拉的优点,赵顺波等[1]提出了一种新型的梁(板)组合结构形式,即在下部一定高度的钢纤维轻骨料混凝土上叠浇普通混凝土组成的叠浇梁(板).在钢纤维全轻混凝土力学性能和钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇板受力性能研究成果基础上[2-4],开展了一系列钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的受力性能试验研究[5-6].笔者结合钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁正截面受力性能试验研究成果,对其抗弯刚度进行了分析研究,提出了相应的计算方法.

1 试验概况

1.1 试验梁设计与制作

如图1所示,试验梁截面尺寸为150 mm×300 mm,长度为3 m,跨度为2.7 m.架立筋为2φ10,剪跨段的箍筋为φ8@100 mm,纯弯段不配置箍筋.试验梁纵向受力钢筋均配置2根,纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度均为25 mm.

图1 试验梁尺寸及配筋示意图(单位:mm)

试验设计制作了14根叠浇梁及用于对比的2根钢筋混凝土梁和2根钢筋钢纤维全轻混凝土梁.纵向受拉钢筋均为带肋钢筋,普通混凝土强度等级为C30,钢纤维全轻混凝土的基准混凝土强度等级为LC30.钢纤维采用钢板剪切端钩型钢纤维,长度32 mm,等效直径0.6 mm.

根据钢纤维全轻混凝土叠浇梁的组合形式,先浇筑下部钢纤维全轻混凝土并振实,其高度在振实后量测控制;再在其上浇筑高强混凝土并振实抹面,控制振捣棒插入结合面在20 mm以内.待成型48 h后,拆模并洒水养护7 d,此后为室内环境条件下自然养护.在浇筑梁的同时,浇筑边长为150 mm的立方体试块和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件,以测定混凝土的实际强度.

试验梁的编号与参数组合见表1.其中编号含义为:普通混凝土(钢纤维全轻混凝土)强度等级-钢纤维全轻混凝土高度(h1)-纵向受拉钢筋直径-钢纤维体积率,a和b表示每组有2根梁.

1.2 试验方法

试验梁采用反力架及液压千斤顶加力装置,两端简支、跨中三分点对称集中加载,由荷载传感器控制荷载值,各级荷载作用下的跨中挠度由布置在跨中截面和支座处的位移计测试,采用英国Solatron高精度全自动数据采集系统进行数据采集.

2 试验结果分析

2.1 跨中挠度-弯矩曲线

试验梁的跨中挠度-弯矩曲线如图2所示.

由图2可知,叠浇梁与钢筋混凝土梁的跨中挠度-弯矩曲线具有类似变化规律.随着荷载的增大,挠度经历了因截面开裂而明显增大、随裂缝开展与条数增多而逐渐增大以及随纵向受拉钢筋屈服或受压区混凝土压碎而突然增大等3个阶段;钢筋混凝土梁在截面开裂后的挠度明显增大,钢纤维体积率增大对减小叠浇梁的跨中挠度有明显效果;随着钢纤维全轻混凝土截面高度的增大,叠浇梁截面开裂时的挠度突增现象变得难以辨析,在同样荷载作用下叠浇梁的跨中挠度有所增加.

2.2 梁的抗弯刚度

根据钢筋混凝土受弯构件挠度计算的最小刚度原则[7-8],按材料力学的简支梁挠度计算公式,可以换算得到梁的抗弯刚度Bs.

(1)

式中:M为梁的跨中弯矩;l为梁的跨度;s为与荷载形式、支撑条件有关的系数,本试验条件下s=23/216.

由此,可绘制试验梁在正常使用荷载(M/Mu=0.30～0.75)下的抗弯刚度-弯矩曲线，如图3所示.为了清晰表现钢纤维体积率和钢纤维全轻混凝土截面高度对叠浇梁抗弯刚度的影响,取每组2根试验梁抗弯刚度的平均值.由图3可知,叠浇梁与钢筋混凝土梁的抗弯刚度随荷载的变化规律类似,且与其挠度变化规律相一致;随着钢纤维体积率的增加,叠浇梁的抗弯刚度增大;钢筋钢纤维全轻混凝土梁的抗弯刚度最小,叠浇梁的抗弯刚度随着钢纤维全轻混凝土截面高度的增大而降低,但当高度比h1/h=0.6和0.7时,抗弯刚度变化较小.

图3 试验梁跨中弯矩-抗弯刚度曲线

3 叠浇梁的截面抗弯刚度计算方法

3.1 叠浇梁正截面抗裂计算

钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁在开裂前的抗弯刚度随着钢纤维全轻混凝土截面高度的变化而变化,这是由钢纤维全轻混凝土弹性模量低于混凝土的弹性模量造成的,因此可采用材料力学方法进行正截面惯性矩计算.对应于截面开裂的极限状态,以有效惯性矩为开裂前惯性矩的85%近似估算.当截面开裂后,叠浇梁受压区混凝土的受力状态与钢筋混凝土梁受压区混凝土的受力状态相近;受拉区因钢纤维全轻混凝土逐渐开裂退出工作而将拉应力传递给开裂截面的纵向受拉钢筋,从而影响开裂截面受拉钢筋应力及裂缝间钢筋应变的均匀性.由此,基于钢筋混凝土梁受弯刚度计算理论[8],经理论分析,得到钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁在正常使用极限荷载阶段的抗弯刚度计算公式为:

(2)

Mcr=γfftW0,

(3)

(4)

式中:Bs为钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的正截面抗弯刚度;Ec为混凝土的弹性模量;I0为叠浇梁的惯性矩;W0为叠浇梁换算截面对受拉边缘的弹性抵抗矩;h为叠浇梁的截面高度;γ为截面抵抗矩塑性系数;fft为钢纤维全轻混凝土的抗拉强度(对于钢筋混凝土梁,取为混凝土抗拉强度ft);αEs为钢筋与钢纤维全轻混凝土的弹性模量比;ρ为截面配筋率;Mcr为跨中正截面开裂弯矩.

根据材料力学方法,将钢纤维全轻混凝土截面和纵向受拉钢筋截面分别按弹性模量比换算为形心位置不变的混凝土等效截面,得到截面特征值计算公式:

W0=I0/(h-y0)；

(5)

y0=

(6)

当y0≥h-h1时,

(αEs-1)As(h-as-y0)2;

(7a)

当y0

(7b)

式中:y0为换算截面形心至受压边缘的距离;b为截面宽度;h1为钢纤维全轻混凝土的截面高度;αEc为钢纤维全轻混凝土与普通混凝土的弹性模量比;As为纵向受拉钢筋的截面面积;as为纵向受拉钢筋截面重心至截面受拉边缘的距离.

3.2 抗弯刚度试验与计算结果对比

为比较试验梁抗弯刚度的实测值Bs0与计算值Bs的符合程度,将Bs0/Bs随跨中弯矩变化的情况示于图4.对于钢筋混凝土梁,采用上述公式计算的抗弯刚度偏大,Bs0/Bs的平均值为0.873、离散系数为0.064,进一步说明受拉区混凝土开裂后较快地退出受力工作，致使受弯刚度降低较多.对于钢筋钢纤维全轻混凝土梁,Bs0/Bs的平均值为0.944、离散系数为0.062.对于钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁,Bs0/Bs的平均值为0.976、离散系数为0.094.两者抗弯刚度的实测值与计算值符合良好.

图4 试验梁抗弯刚度实测与计算对比

4 结 语

对钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的抗弯刚度进行了试验研究,结果表明钢纤维体积率和钢纤维全轻混凝土截面高度均对叠浇梁的正截面抗弯刚度产生较大影响,这是由于钢纤维对受拉区全轻混凝土抗拉性能的增强作用及钢纤维全轻混凝土与普通混

凝土在弹性模量上的差异造成的.经过试验与计算对比表明,采用有效惯性矩计算钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的抗弯刚度是可行的.

[1]赵顺波,李长永,李晓克.一种钢纤维轻混凝土与高强混凝土叠浇组合梁:中国，ZL201220274599.4[P].2012-12-19.

[2]李长永,钱晓军,赵顺波.全轻混凝土基本力学性能研究[J].混凝土,2010(5):79-82.

[3]张晓燕,李长永,袁浩,等.混合纤维增强全轻混凝土弯曲韧性试验研究[J].水利发电,2013(5):87-90.

[4]赵顺波,杜中华,石风俊,等.钢纤维轻骨料混凝土叠浇双向板抗冲切韧性试验研究[J].混凝土,2013(8):123-126.

[5]李长永.钢纤维轻骨料混凝土性能与叠浇梁受弯性能研究[D].郑州:郑州大学,2014.

[6]Li Changyong,Yang Hui,Liu Yang.Flexural behaviors of reinforced concrete beams superposing with partial steel fiber reinforced full-lightweight concrete[J].Applied Mechanics and Materials,2013,438-439:800-803.

[7]中国建筑科学研究院.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[8]赵顺波.混凝土结构设计原理[M].2版.上海:同济大学出版社,2013.

(责任编辑：陈海涛)

Experimental Research on Flexural Stiffness of Reinforced Steel Fiber Reinforced Full-lightweight Concrete Superposed Beams

PAN Liyun, SHANG Yaqiong, KANG Xingxing, LI Changyong

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beam combines the good performances of steel fiber reinforced full-lightweight concrete in lightweight and tensile resistance with that of ordinary concrete in compression. Through comparison-experiment results of normal-section mechanical performances of 14 reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beams, 2 reinforced concrete beams and 2 reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams, we analytically researched the influence regulations of the volume fraction of steel fiber and the sectional depth of steel fiber reinforced full-lightweight concrete on the normal-section flexural stiffness of reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beams, then we proposed computational formulas on the normal-section flexural stiffness of reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beams. The results show that the normal-section flexural stiffness of reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beams increases with the increase of the volume fraction of steel fiber, and decreases with the increase of the sectional depth of steel fiber reinforced full-lightweight concrete, as well as the computational results of deflections of reinforced steel fiber reinforced full-lightweight concrete superposed beams by the effective inertia moment are in good agreement with the experimental results.

steel fiber reinforced full-lightweight concrete; superposed beam; flexural stiffness; sectional depth; volume fraction of steel fiber; effective moment of inertia

2014-11-11

河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队(13IRTSHN002);河南省新型城镇建筑技术协同创新中心(教科技[2013]638号).

潘丽云(1967—),女,安徽安庆人,教授,主要从事混凝土结构设计理论与应用等方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.009

TU528;TV332

A

1002-5634(2015)01-0043-04