钢纤维全轻混凝土叠浇配筋梁裂缝宽度试验研究

李长永， 彭超， 丁新新， 潘丽云

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

钢纤维全轻混凝土叠浇配筋梁裂缝宽度试验研究

李长永， 彭超， 丁新新， 潘丽云

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

根据钢纤维全轻混凝土叠浇配筋梁、钢筋混凝土梁和钢筋钢纤维全轻混凝土梁的受弯性能试验，结合裂缝分型统计分析，研究了纵向受拉钢筋配筋率和钢纤维全轻混凝土截面高度对叠浇梁正截面主要裂缝分布平均间距、平均宽度和最大宽度的影响规律，提出了钢纤维全轻混凝土配筋叠浇梁正截面裂缝计算公式。研究成果为钢纤维全轻混凝土配筋叠浇梁正常使用极限状态裂缝验算提供了计算方法。

叠浇梁；钢纤维全轻混凝土；截面高度；纵向受拉钢筋配筋率；裂缝分布；裂缝宽度

充分利用材料性能优点是混凝土结构优化设计的重要目标。普通混凝土具有材料来源丰富、抗压强度高、可塑性好等优点，是目前土木工程中最重要的建筑材料。在轻骨料混凝土中掺入钢纤维配制而成的钢纤维轻骨料混凝土不仅具有轻骨料混凝土的各种优点，而且能显著改善轻骨料混凝土的脆性，提高轻骨料混凝土结构的韧性、抗疲劳性能和耐久性能，是轻骨料混凝土复合材料向大跨度、超高度及寒冷区域发展的新方向。因此，将高强度混凝土置于受弯构件的受压区、将钢纤维轻骨料混凝土置于受弯构件的受拉区，可同时获得充分利用普通混凝土抗压强度和钢纤维全轻混凝土抗拉强度而提高受弯构件承载性能、利用钢纤维全轻混凝土密度小的特点而尽量减轻受弯构件自重的双重效果[1-2]，基于这一科学理念的新型组合梁板应运而生[3]。与传统的钢筋混凝土叠合式受弯构件比较[4]，叠浇梁的钢纤维轻骨料混凝土与其上浇筑的普通混凝土之间不存在叠合界面，因而不存在叠合面变形差和抗剪不足的问题，也不存在纵向受拉钢筋因一期荷载作用而“应力超前”、受压区混凝土因二期荷载作用而“应变滞后”的缺点。本文结合一系列钢纤维全轻混凝土叠浇梁的受弯性能试验研究[5-6]，统计分析了其正截面裂缝分布规律，提出了相应的裂缝宽度计算方法。

1 试验概况

试验梁截面尺寸：宽度×高度(b×h)为150 mm×300 mm，长度为3 m，跨度为2.7 m。纵向受拉钢筋为HRB400带肋钢筋(φ14、φ18)和HRB335带肋钢筋(φ20)，混凝土保护层厚度均为25 mm。架立筋为2φ10，剪跨段的箍筋为φ8@100 mm，纯弯段不配置箍筋。普通混凝土强度等级为C40，钢纤维全轻混凝土强度等级为LC30。钢纤维采用钢板剪切端钩型钢纤维，长32 mm，等效直径0.6 mm。试验梁的实测性能参数见表1，梁的编号含义为混凝土强度等级—钢纤维全轻混凝土截面高度—纵向受拉钢筋直径—钢纤维体积率(%)，a、b表示每组2根梁的代号。表中：fcu、fc和ft依次为普通混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗拉强度;ffcu、ffc和fft分别为钢纤维全轻混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗拉强度;ρf为钢纤维体积率；h1为钢纤维全轻混凝土截面高度。

试验梁的加载按试验方法标准进行[7]。采用反力架及液压千斤顶加力装置，两端简支、跨中对称集中加载，由荷载传感器控制荷载值，正截面开裂后，在正常使用阶段各级荷载作用下的裂缝宽度采用读数显微镜测定。

表1 试验梁实测性能参数

2 试验结果分析

2.1 裂缝分布特点

部分试验梁在正常使用荷载下的纯弯段侧面裂缝分布如图1所示。叠浇梁的裂缝分布表现出密、短、杂的特征，即间距小而密、延伸高度短、形状复杂，根状裂缝较多，与其他条件相同的钢纤维全轻混凝土配筋梁的裂缝分布特征较为接近。随着配筋率增大，裂缝截面的延伸高度增大；钢纤维全轻混凝土截面高度的变化对裂缝分布影响不大。与钢筋混凝土梁比较，当荷载约低于极限荷载的40%时，叠浇梁的裂缝延伸缓慢；当荷载约达到极限荷载的40%～50%时，裂缝间距和延伸高度基本稳定，叠浇梁延性明显优于钢筋混凝土梁。

图1 试验梁的裂缝形态

2.2 裂缝分类统计分析

参考钢筋混凝土梁的裂缝分类方法[8]，对叠浇梁的正常使用状态裂缝分类进行了平均间距、平均宽度、平均宽度扩大系数的统计分析。结果表明：初裂后，在各级荷载作用下裂缝高度持续延伸或迅速延伸到中和轴附近的a类裂缝，数量占总数的75.8%；以叠浇梁纵向受拉钢筋重心位置对应的梁侧面的平均裂缝宽度ωcr和最大裂缝宽度ωmax为统计对象，a类裂缝的宽度相对较大，ωmax来自a类裂缝的权重达到了95.3 %。因此，a类裂缝控制了叠浇梁裂缝宽度的整体发展和分布形态，将其作为研究对象进行叠浇梁裂缝平均间距lcr、平均宽度ωcr和最大宽度ωmax的统计分析，结果见表2。

表2 试验梁实测平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度

2.3 裂缝截面的有效受拉区高度

如图2所示，梁的a类裂缝在梁底侧面宽度最大，在钢筋重心位置附近宽度减小；随着距离钢筋重心的增大，在延伸高度的梁腹处增大到一定值而后减小。图2中0

图2 试验梁裂缝宽度沿截面高度的变化

钢筋混凝土梁的纵向受拉钢筋有效受拉区高度(hte)的计算方法如下：

hte=cs+(n-1)s+(3+n)d。

(1)

在此基础上，考虑叠浇梁中钢纤维全轻混凝土对受拉区起约束增强作用，使得纵向受拉钢筋的有效受拉区高度减小，统计叠浇梁有效受拉区高度的实测值，得到叠浇梁的hfte计算公式为：

hfte=hte(1-βteλf)。

(2)

式中：hfte、hte分别为含有和没有钢纤维影响的纵向受拉钢筋有效受拉区高度；βte为钢纤维对有效受拉区高度的影响系数，取值0.78；λf为钢纤维的特征含量；cs为最外层纵向受拉钢筋的保护层厚度，当cs≥5d时，取cs=5d；d为纵向受拉钢筋的直径；n为纵向受力钢筋排数；s为上、下排钢筋间净距。

2.4 平均裂缝间距

基于普通钢筋混凝土梁的计算公式为：

(3)

式中：as为所有纵向受拉钢筋截面重心至梁截面受拉边缘的距离；ρte为纵向受拉钢筋有效配筋率，ρte=As/Ate≤0.01时，取值为0.01；As为纵向受拉钢筋横截面面积；Ate为纵向受拉钢筋的有效受拉区面积，Ate=b×hte；k1、k2为试验系数。

叠浇梁有效受拉区面积和纵向受拉钢筋有效配筋率为：

Afte=(1-0.78λf)Ate,0,

(4)

ρfte=ρte,0/(1-0.78λf)。

(5)

叠浇梁的裂缝两侧混凝土除了受纵向受拉钢筋的约束外，同时还受钢纤维的约束。在梁截面受拉边缘至纵向受拉钢筋外表面的范围内，钢纤维通过连接裂缝两侧的混凝土传递拉应力，使开裂截面混凝土承受较为均匀的拉应力，进而使某一距离处未开裂截面混凝土的拉应力达到限值而再次开裂；但钢纤维全轻混凝土的高抗拉性能又提高了发生开裂的应力限值。因此，在钢纤维全轻混凝土叠浇梁中引入影响系数，考虑cs对lfcr的综合影响。结合本次试验，略去梁高的影响，叠浇梁的裂缝间距预测公式为：

(6)

采用试验梁平均裂缝间距实测值进行数据拟合，可得到k1=1.9，k2=0.087，βcs=0.18。试验梁平均裂缝间距的实测值与式(6)平均裂缝计算值的比值：均值为0.960，标准差为0.134。

2.5 裂缝宽度

平均裂缝宽度和最大裂缝宽度计算公式为：

(7)

ωmax=τswm。

(8)

式中：τs为平均裂缝宽度扩大系数；φ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，φ=1-0.5ft/(ρteσs)；σs为纵向受拉钢筋应力；Es为纵向受拉钢筋的弹性模量；αc为裂缝间混凝土变形影响系数，取值为0.7；ft为混凝土抗拉强度。

对试验梁的a类裂缝，统计每条裂缝宽度与同级荷载下所有裂缝平均宽度之比值，得到频率直方图，表明其分布符合正态分布。按照95%的保证率，得到τs=μ+1.645σ=1.51。

叠浇梁平均裂缝宽度的实测值与式(7)计算值的比值：均值为1.096，标准差为0.229。最大裂缝宽度的实测值与式(8)计算值的比值：均值为1.083，标准差为0.280。

3 结 语

1)叠浇梁与同条件下钢纤维全轻混凝土梁侧面裂缝分布特征近似。对正常使用荷载下的裂缝进行分类统计，结果表明主裂缝的数据相关性最好、离散性最小，对叠浇梁的裂缝宽度发展和分布形态起控制作用。

2)以主裂缝为研究对象，给出了叠浇梁平均裂缝间距、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度的试验成果，确定了叠浇梁有效受拉区高度的计算方法，建立了叠浇梁纵向受拉钢筋重心水平处裂缝的平均间距、平均宽度和最大宽度的计算公式。

[1]赵顺波.混凝土结构设计原理[M].2版.上海：同济大学出版社，2013：1-10.

[2]潘丽云,徐文晓,陈彦磊，等.钢纤维全轻混凝土基本性能试验研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2015,36(2):7-10.

[3]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.

[4]赵顺波,张新中．混凝土叠合结构设计原理[M]．北京：中国水利水电出版社，2001：112-122.

[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,2014:25-78.

[6]潘丽云,尚亚琼,康星星,等.钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁的抗弯刚度[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2015,36(1):43-46.

[7]中国建筑科学研究院.混凝土结构试验方法标准:GB 50152—92 [S].北京:中国建筑工业出版社,2012:11-38.

[8]赵顺波,管俊峰,张学朋,等.钢筋混凝土梁裂缝分型试验研究及统计分析[J].工程力学,2008,25(12):141-146.

(责任编辑：陈海涛)

Experimental Study on the Crack Width in Reinforced Superposed Steel Fiber Reinforced Full-lightweight Concrete Beams

LI Changyong, PENG Chao, DING Xinxin, PAN Liyun

(School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Based on the experimental study on flexural behaviors ofreinforcedsuperposedsteel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC) beams, reinforced concrete beams and reinforced SFRFLC beams, and combined with the crack classification statistical analysis,the effects of the longitudinal tensile reinforcement ratio and the sectional depth of SFRFLC on the mean crack space and maximum crack widthinthe normal cross-section of the test reinforced superposed beams werediscussed,the formulas were proposed for the calculation of the normal-sectional cracksin reinforced superposed SFRFLC beams.The results provide a calculation methodfor the checking calculation of the cracks under the normal serviceability of reinforced superposed SFRFLC beams.

superposed beam; steel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC); cross-sectional depth; longitudinal tensile reinforcement ratio; crack distribution; crack width

2015-11-20

河南省教育厅科学技术研究重点项目资助计划(12A560008);河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队(13IRTSHN002)。

李长永(1977—)，女，天津市人，副教授，博士，主要从事纤维混凝土及其结构设计理论与应用研究。E-mail:lichang@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.009

TV332;TU528

A

1002-5634(2016)02-0052-05