钢纤维全轻混凝土梁斜裂缝试验研究

唐华瑞，韩灵杰，尚亚琼，王贵春

(1.河南理工大学万方科技学院 建筑与测绘工程系， 河南郑州451400；2.郑州科技学院土木建筑工程学院， 河南郑州450064；3.郑州大学土木工程学院， 河南郑州450001)



钢纤维全轻混凝土梁斜裂缝试验研究

唐华瑞1，韩灵杰2，尚亚琼1，王贵春3

(1.河南理工大学万方科技学院 建筑与测绘工程系， 河南郑州451400；2.郑州科技学院土木建筑工程学院， 河南郑州450064；3.郑州大学土木工程学院， 河南郑州450001)

摘要：为了进一步了解钢纤维全轻混凝土梁斜截面的受力性能及其斜裂缝宽度的发展规律，制作了18根试验梁，运用反位试验加载装置，采用两点对称集中加载的方法，研究了剪跨比λ、钢纤维掺量ρf和配箍率ρsv3个变量的变化对钢纤维全轻混凝土斜裂缝宽度的影响。结果表明：剪跨比过大或者过小对于斜裂缝的发展都是不利的；钢纤维掺量的增加可以有效抑制斜裂缝的发展，减小斜裂缝的宽度；箍筋在试验梁正常使用阶段几乎不起作用。最后通过对斜裂缝宽度的观测和分析，将斜裂缝宽度的计算值与试验值进行对比，提出了钢纤维全轻混凝土梁的最大斜裂缝的计算公式。

关键词：钢纤维；全轻混凝土；梁；斜裂缝

0引言

在实际工程中的混凝土结构构件通常都是带裂缝工作，因此，在正常使用阶段对于斜裂缝宽度的计算、控制也不容忽视[1]。目前有关钢纤维混凝土和轻骨料混凝土的抗剪强度及裂缝已有研究。逯晔等[2]对不同剪跨比的轻骨料混凝土的破坏形态和抗剪承载力进行了研究，结果表明，剪跨比λ为1、2的试件破坏时，在支座纵筋锚固范围均有明显的撕裂裂缝，而剪跨比λ为3的轻骨料混凝土试件则没有，这说明纵筋的销栓作用随着剪跨比的增大而逐渐减小。张宏战等[3]研究了钢纤维混凝土的抗剪性能，结果表明，钢纤维在提高梁斜截面初裂强度和限制斜裂缝的产生和发展方面有很大的优势，但在提高受剪承载力方面要低于箍筋。

对于钢纤维轻骨料混凝土的研究相对来说不是很多，尤其是斜截面受力性能的研究更少。因此，系统地研究钢纤维全轻混凝土梁裂缝规律及其宽度计算方法，对于全面了解钢纤维全轻混凝土梁斜截面的受力性能并确立合理的设计方法，具有重要的理论意义和工程应用价值[4]。

1试验概况

本试验研究主要针对全轻混凝土，即粗骨料全部用页岩陶粒取代，而细骨料则用轻砂。在全轻混凝土中掺入一定量的乱向分布的钢纤维，形成新型的建筑材料钢纤维全轻混凝土。试验采用强度等级为52.5的普通硅酸盐水泥；采用山东淄博生产的2～20 mm粒径连续级配页岩陶粒为粗骨料，各粒径陶粒的颗粒级配情况良好，见表1；细骨料为产于山东淄博的页岩陶砂，陶砂的各项物理力学性能列于表2；钢纤维为铣削型钢纤维，其性能指标列于表3。

1.1试验梁的设计

本次试验采用150 mm×400 mm×3200 mm的试验梁，保护层厚度取25 mm, 剪跨比变化参数为2.0、2.5、3.0，纵筋采用HRB400级热轧钢筋，箍筋采用HPB300级热轧钢筋，直径为6 mm，梁的截面尺寸、剪跨比、配箍率如表4所示，纵筋配筋率为1.64%(2根直径为25 mm的钢筋)[5]。

表1　2～20 mm页岩陶粒的粒径颗粒级配

表2　陶砂各项物理力学性能

表3　钢纤维的性能指标

表4　试验梁的参数设计

1.2试验方法

本次试验采用反位试验加载装置，支架用地锚螺栓整体锚固于反力槽座中[6]。在支架的上端放置钢梁，通过钢梁下面固定的千斤顶来施加试验中所需要的荷载。根据不同的剪跨比，通过两个千斤顶上端连接荷载传感器，而荷载传感器与东华静态应变测试仪相连接，以此提供两个对称的集中荷载。根据规范中每级荷载的确定方法对试件进行加载。

2试验结果与分析

混凝土试验构件在试验中最直观的表现就是裂缝的发展，在施加荷载作用下，当构件中某一点的主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂，并且当裂缝与混凝土表面贯穿时就可用肉眼观测到裂缝[7]。试验中根据裂缝出现的时间、位置、顺序以及发展形态和速度可以大致判断构件的受力情况。

2.1剪跨比对斜裂缝的影响

在集中荷载作用下，剪跨比对梁抗剪性能的影响很大[8]。图1描述了在不同剪跨比的条件下斜裂缝的宽度随荷载增加而变化的情况，其中曲线的斜率表示斜裂缝增加的速度。从图1中各条曲线可以看出，虽然剪跨比变化在2.0、2.5、3.0，但试验梁斜截面裂缝宽度的增加速度与剪跨比基本没有直接的关系。另外，当斜裂缝宽度达到0.4 mm时，荷载与极限承载力的比值V/Vu随着剪跨比的变化情况是：当剪跨比λ=2.0、λ=3.0时，同组的两根试验梁V/Vu值变化范围为0.69～0.85，而剪跨比λ=2.5时，同组的两根试验梁V/Vu都处于0.75～0.80。由此可知，当钢纤维全轻混凝土梁在剪压破坏阶段时，剪跨比过大或者过小对于斜裂缝的发展均是不利的。

2.2钢纤维掺量对斜裂缝宽度的影响

由于混凝土的抗拉强度很低，只有其抗压强度的1/10[9],因此，在荷载作用下，当混凝土达到其极限抗拉强度时会开裂产生裂缝，而乱向分布的钢纤维可以有效抑制混凝土的开裂和裂缝的发展[10]。

本次试验主要研究钢纤维掺量ρf由0%增加至1.6%时斜裂缝的发展情况。图2所示为平均斜裂缝宽度随着钢纤维掺量变化的情况。由图2可见，随着钢纤维掺量的增加，平均斜裂的宽度逐渐减小。钢纤维掺量的增加可以有效地抑制混凝土梁斜裂缝的发展。

图1斜裂缝宽度随剪跨比变化的发展情况

Fig.1The development of inclined crack with the variation ofshear span ratio

图2平均斜裂缝宽度随钢纤维掺量变化的发展情况

Fig.2The development of average diagonal crack width with the variation of the steel fiber content

图3为斜裂缝宽度随荷载的变化曲线。由图3中可以看出，各曲线斜率基本相同，证明裂缝宽度随着荷载的增加而增加的速率基本一致。当斜裂缝宽度为0.4 mm时，其荷载值占极限荷载值的百分比没有很大变化，钢纤维掺量由0增加至1.2%时，V/Vu值基本保持在0.65～0.75，当钢纤维掺量ρf=1.6%时，则V/Vu=0.83。由此可见，当达到正常使用极限状态时，随着钢纤维掺量的增加，裂缝宽度值不断减小。因此，钢纤维在抑制裂缝发展方面效果明显，对于斜裂缝宽度值要求较高的结构构件，可以通过增加钢纤维的掺量来限制裂缝的发展。

2.3配箍率对斜裂缝宽度的影响

在斜裂缝出现前箍筋的应力很小，主要由混凝土传递剪力；斜裂缝出现后，与斜裂缝相交的箍筋应力增大[11]。当配箍率ρsv为0%、0.19%、0.25%时，斜裂缝随荷载变化的结果如图4所示。

由图4可知，配箍率分别为0%、0.19%、0.25%时，3条斜裂缝变化线几乎重合。由此可见，箍筋在正常使用阶段的应力很小，对于斜裂缝宽度的影响几乎可以忽略不计。

综上所述，影响钢纤维全轻混凝土梁斜裂缝的发展情况的因素主要有剪跨比和钢纤维掺量。当钢纤维全轻混凝土梁在剪压破坏阶段时，剪跨比过大或者过小对于斜裂缝的发展均是不利的。钢纤维在抑制裂缝发展方面效果明显，对于斜裂缝宽度值要求较高的结构构件，可以通过增加钢纤维的掺量来限制裂缝的发展。而箍筋在正常使用阶段的应力很小，对于斜裂缝宽度的影响几乎可以忽略不计。

图3斜裂缝宽度随荷载的变化曲线

Fig.3The change curve of the inclined crack width with load

图4斜裂缝宽度随配箍率的变化图

Fig.4The change of inclined crack width with the variation of stirrup ratio

3最大斜裂缝宽度计算公式

近几年，对于混凝土梁的斜截面开裂荷载及抗剪承载力的研究较多，但对于梁的斜截面的最大裂缝宽度的研究相对较少。《混凝土结构设计规范》中梁的斜裂缝也只规定了宽度限值，没有最大斜裂缝宽度的计算公式。而实际工程中，结构构件都是带裂缝工作，在正常使用阶段对于斜裂缝宽度的计算、控制也不容忽视。根据文献[4]分析得出的斜裂缝宽度的实用计算公式，通过加载过程中对斜裂缝宽度的观测和分析，将计算值与试验值进行对比，分析得到的钢纤维全轻混凝土梁的最大斜裂缝的计算公式为：

(1)

(2)

(3)

其中，ωweb,max为斜裂缝最大宽度值(mm)；σsv,m为箍筋平均应力(MPa);Esv为箍筋的弹性模量(MPa);Vcr为斜截面开裂荷载(kN)；Asv为箍筋的截面面积(mm2)；a,l分别为试验梁的剪跨和跨长(mm)。

本公式只适用于正常使用阶段中斜裂缝的宽度计算。本试验的实测数据与上式计算数据对比结果列于表5中。

表5　试验梁斜裂缝宽度

图5　最大斜裂缝实测值与计算值对比图Fig.5　The measured values of the maximum inclined crack width to the calculated values

依据文献[4]中纤维混凝土梁的斜裂缝最大宽度的计算数值，对比试验中钢纤维全轻混凝土梁的斜裂缝最大宽度的实测数值，可见实测值与计算值的比值大多数在0.75左右浮动，平均值为0.77，标准差0.13，变异系数为0.167。

从对比结果中可以看出，实测数据与公式计算值吻合情况良好，如图5所示。钢纤维对于斜裂缝宽度的限制作用体现在混凝土的抗拉强度ft中。通过对比分析，可以将式(1)、(2)、(3)作为钢纤维全轻混凝土梁最大斜裂缝宽度的计算公式。

4结论与展望

限于试验条件，本次试验主要研究了集中荷载作用下钢纤维全轻混凝土的抗剪性能，得出了有益的结论。在以后的研究中，将进一步考虑一般荷载作用的情况，并分析钢纤维长细比等其他参数对钢纤维全轻混凝土抗剪性能的影响。

参考文献：

[1]赵国藩,彭少民,黄承逵.钢纤维混凝土结构[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 1999.

[2]逯晔,孙海林,叶列平,等.高强轻骨料混凝土梁抗剪承载力的试验与计算[C]//第七届全国轻骨料混凝土学术研讨会论文集.南京：东南大学出版社，2014:454-459.

[3]张宏战,黄承逵,张瑞瑾.钢纤维高强混凝土箍筋梁抗剪性能试验[J]. 哈尔滨工业大学报,2006,38(10):1781-1785.

[4]赵顺波,赵国藩.钢筋钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度计算方法[J]. 建筑结构,1998(7):39-42.

[5]宋丽莎,孙丽.钢纤维混凝土拌合物工作性能试验研究[J]. 华北水利水电大学学报,2013,34(1):24-26.

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[12]李凤兰,赵顺波,黄承逵.配筋钢纤维混凝土梁受剪承载力设计方法研究[J]. 工业建筑,2003,33(10):66-68.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

收稿日期：2015-12-03；

修订日期：2016-03-10

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(14210231050)；河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队(13ITRTSHN002)

通讯作者：王贵春(1962—)，男，辽宁黑山县人，郑州大学教授，工学博士；E-mail: guichunwang@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0635

中图分类号TU528

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)03-0635-06

Experimental study on inclined crack of steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams

TANG Hua-rui1，HAN Ling-jie2，SHANG Ya-qiong1，WANG Gui-chun3

(1.Department of Building and Geomatics Engineering,Wanfang College of Science and Technology，Henan Polytechnic University, Zhengzhou 451400,China；2.Department of Civil and Architecture Engineering,Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou 450064, China;3.School of Civil Engineering，Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to further study the mechanical behaviors of inclined section and the development of diagonal crack of steel fiber reinforced lightweight concrete beams, 18 test beams are manufactured and tested using trans loading device and the method of symmetrically concentrated loading at two points. The effects of 3 variables, including shear span ratio λ, the dosage of steel fiber ρf and the ratio of reinforcement ρsv, on the inclined crack width of steel fiber reinforced lightweight concrete are analyzed. The results show that whether the shear span ratio is too large or too small, it is unfavorable for the development of inclined cracks; that the increase of the dosage of steel fiber can effectively control the development of inclined crack and reduce its width; that stirrup has little effect on the test beams. Meanwhile, by observing and analyzing the width of inclined crack, and comparing the calculated results of inclined crack with the test ones, the formula to calculate the maximum inclined crack of the steel fiber reinforced lightweight concrete beam is proposed.

Key words:steel fiber; full-lightweight concrete; beam; inclined crack

引文格式： 唐华瑞，韩灵杰，尚亚琼,等.钢纤维全轻混凝土梁斜裂缝试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：635-640.