钢纤维全轻混凝土梁斜截面开裂荷载试验研究

唐华瑞， 韩灵杰 ，尚亚琼

(1. 郑州工商学院 建筑工程学院，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)

钢纤维全轻混凝土梁斜截面开裂荷载试验研究

唐华瑞1， 韩灵杰2，尚亚琼1

(1. 郑州工商学院 建筑工程学院，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)

为进一步研究钢纤维全轻混凝土梁斜截面开裂荷载的影响因素及计算公式，运用反位试验加载装置，采用两点对称集中加载的方法，对18根试验梁进行试验，并分析了剪跨比λ、钢纤维掺量ρf对钢纤维全轻混凝土开裂剪应力的影响。结果表明：随着剪跨比的增大，钢纤维全轻混凝土斜截面开裂时的剪应力不断减小；当钢纤维掺量增加时，钢纤维全轻混凝土剪应力随之增加。同时将混凝土抗剪开裂荷载的计算值与试验值进行对比，推导出适合钢纤维全轻混凝土梁开裂荷载的计算公式。

钢纤维；全轻混凝土；梁；斜截面；开裂荷载

实际工程中，混凝土结构构件通常都是带裂缝工作，在正常使用阶段对斜截面开裂荷载的计算、控制不容忽视[1]。目前，对于钢纤维混凝土和轻骨料混凝土的开裂性能已有研究：文献[2]中，对全轻混凝土梁斜截面的受剪承载力进行了研究，结果表明：其破坏形态与普通混凝土梁的破坏形态基本相同，但是全轻混凝土的破坏是以骨料的破坏为主，骨料强度是混凝土强度的决定因素，全轻混凝土梁的开裂荷载与配筋率及破坏形态有关，随着箍筋的增加，抗剪开裂荷载明显增加，剪压与斜拉破坏的抗剪极限荷载相差较大。文献[3]通过研究钢纤维混凝土抗剪性能表明：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，以钢纤维取代部分箍筋来改善梁的变形性能，推迟斜裂缝的出现和限制斜裂缝的发展是有效可行的。

目前钢纤维全轻混凝土梁的研究相对较少，尤其是对斜截面开裂荷载的研究更少。因此，系统地研究钢纤维全轻混凝土梁斜截面开裂荷载，对于全面了解其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

在全轻混凝土中掺入一定量乱向分布的钢纤维，形成新型的建筑材料——钢纤维全轻混凝土[5]。本试验采用强度等级为52.5的普通硅酸盐水泥；粗骨料为山东淄博生产的2～20 mm粒径连续级配页岩陶粒；细骨料为山东淄博生产的页岩陶砂；钢纤维掺量分别为0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%，其性能指标见表1。

表1 钢纤维的性能指标

本次试验采用150 mm×400 mm×3 200 mm的试验梁，保护层厚度取25 mm,剪跨比分别为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，梁的配箍率分别为0.25%、0、0.19%，纵筋配筋率为1.64%(两根直径为25 mm的钢筋)[6]。

本次试验运用反位试验加载装置，采用两点对称集中加载的方法对试验梁施加试验所需的荷载。

2 斜截面开裂时剪应力分析

混凝土梁的开裂是由于混凝土的主拉应力达到混凝土的极限抗拉强度所致。因此，影响钢纤维全轻混凝土梁开裂性能的主要因素就是混凝土的抗拉强度[7]。

剪应力计算公式为：

(1)

式中： τcr——剪应力,MPa； Vcr——斜截面开裂荷载,kN； b——试验梁梁宽，mm； h0——截面的有效高度，mm。

表2列出了试验梁的开裂荷载实测值。

表2 各试验梁开裂荷载实测值

注：LC2.0-0.25-0.8-1中第1个数据表示剪跨比，第2个数据表示配箍率，第3个数据表示钢纤维掺量，第4个数据表示试验梁的编号。

2.1 剪跨比与开裂时剪应力的关系

图1反映了试验梁开裂时，平均剪应力与剪跨比的关系，随着剪跨比的增大，剪应力不断减小。产生这种情况的原因有：一是钢纤维对于试验梁剪跨段的剪应力虽有一定的增强作用，但是由于随着剪跨比的增加，混凝土的拉应力也相应增加，而钢纤维对于混凝土的增强作用逐渐减弱[8]；二是混凝土的受压会抑制裂缝的开裂，当剪跨比较小时，混凝土的压应力对于斜裂缝的开裂抑制作用较明显，会提高混凝土斜截面的开裂荷载。所以，随着剪跨比的增加，斜截面混凝土的压应力逐渐减小，开裂荷载也随之减小。

图1 剪跨比与开裂时剪应力的关系 图2 钢纤维体积率与开裂剪应力的关系

2.2 钢纤维掺量与开裂时剪应力的关系

图2反映了开裂时的剪应力随着钢纤维掺量变化而变化的情况，当钢纤维掺量增加时，剪应力也随之增加。这是由于钢纤维的存在使梁内部形成一个桥架，钢纤维长细比越大，桥架作用越明显，钢纤维的存在可以阻止梁内部微裂缝的产生，从而起到提高试验梁开裂荷载的作用。

3 开裂荷载计算公式

钢纤维全轻混凝土梁抗剪的开裂，主要是由于外荷载作用时，在弯剪区腹部的混凝土的主拉应力超过了混凝土的极限抗拉强度，导致混凝土开裂[9]。因此，混凝土的抗拉强度是影响钢纤维全轻混凝土梁开裂荷载的主要因素。

众多研究表明，钢纤维的加入对混凝土的抗裂作用影响明显。加载初期，试验梁未出现裂缝，处于弹性阶段，应力应变基本上呈正比增长；随着荷载的增加，受拉区混凝土的拉应力逐渐增大，当达到全轻混凝土抗拉强度时，由于有钢纤维的掺入，乱向分布的钢纤维开始发挥其作用，承受一部分拉应力，从而限制了混凝土的开裂，使开裂荷载有所增加，起到提高全轻混凝土抗裂性能的作用[10]。由此可见，钢纤维全轻混凝土抗剪开裂荷载的公式中，必须体现钢纤维对开裂荷载的提高作用。

查阅文献可知，抗剪开裂荷载计算公式中，钢纤维抗裂作用的体现有两种方法：一种是钢纤维对混凝土部分开裂荷载的贡献作用，以(1+βcrλf)的系数来表示，开裂荷载公式中第一部分，用基体混凝土的抗剪开裂荷载来计算，暂不考虑钢纤维的作用，在此基础上，乘以钢纤维的加入所产生的影响系数[11]。第二种方法是将钢纤维的作用效果考虑进基体混凝土的抗拉强度中去，由于受剪开裂的主要机理就是混凝土的拉应力达到其抗拉强度，而钢纤维的掺入也是通过提高全轻混凝土的抗拉强度，来提高开裂荷载，因此，也可将钢纤维的作用直接体现在全轻混凝土的抗拉强度中。

文献[12]中，考虑国内外研究者的钢纤维混凝土梁斜截面开裂剪力值，通过试验研究和理论分析，系统研究了钢筋钢纤维混凝土梁的开裂荷载计算公式，公式为：

(2)

式中：Vcr——斜截面开裂荷载，kN； ft——抗拉强度,MPa； b——试验梁梁宽，mm； h0——截面的有效高度，mm； λ ——剪跨比。

表3 钢纤维全轻混凝土梁开裂荷载计算值与实测值

试件编号b/mmh0/mmλft/MPaρsv/%计算值/kN实测值/kN实测值/计算值LC2.5-0.25-1.2-11303672.53.40.2581.02901.11LC2.5-0.25-1.2-21503522.53.40.2589.66850.95LC2.5-0.25-1.6-11503622.53.70.25100.34900.90LC2.5-0.25-1.6-21803722.53.70.25123.741050.85LC3.0-0.19-0.8-114437433.20.1978.75600.76LC3.0-0.19-0.8-215238233.20.1984.90750.88

钢纤维全轻混凝土梁开裂荷载计算值与实测值见表3。由表3可知，计算值与实测值的比值平均为0.947，变异系数为0.142，由此可见，试验数据与文献中公式计算值相关性好。因此，文献[12]的开裂荷载计算公式作为钢纤维全轻混凝土梁的开裂荷载计算公式是可行的。

公式中对梁的开裂荷载起决定作用的就是混凝土的抗拉强度值，而其抗拉强度值与钢纤维掺量有密不可分的关系：随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗拉强度不断提高。众多试验表明：在混凝土还没有开裂阶段，混凝土的拉应力不断增加，而箍筋的应力几乎为零，可以忽略不计，当混凝土的拉应力不断增加时，开裂裂缝处由于有钢纤维的限制，拉应力有一部分由钢纤维来承担，以此来提高混凝土的抗拉强度，而箍筋应力始终很小，箍筋对于开裂荷载的作用可以忽略不计。由此可知，要提高钢纤维全轻混凝土梁的开裂荷载，可以增加钢纤维的掺量来提高混凝土的抗拉强度，而配箍率的变化对于开裂荷载的影响几乎为零。

4 结论

试验研究结果表明：随着剪跨比的增大，钢纤维全轻混凝土斜截面开裂时的剪应力不断减小；随着钢纤维掺量的增加，钢纤维全轻混凝土剪应力随之增加，钢纤维全轻混凝土梁斜截面开裂斜裂缝宽度有减小的趋势；当混凝土即将开裂时，箍筋的应力很小，很难起到抗裂的作用，配箍率的变化对于其开裂荷载的影响几乎为零。

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斜截面开裂性能，得出了有益的结论。在以后的研究中，将进一步考虑钢纤维种类，钢纤维的长细比等其他性能对钢纤维全轻混凝土斜截面抗剪性能的影响。

[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] 杨艳敏.全轻混凝土梁承载力研究[J].混凝土, 2011(3):48-50.

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[11] 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(10):66-68.

[12] 赵顺波,赵国藩,黄承逵.钢筋钢纤维混凝土梁斜截面抗裂试验研究[J]. 水力发电学报,1997(4):18-28.

Experimental study on inclined section cracking load of steel fiber reinforced full-lightweight concrete beams

TANG Hua-rui1, HAN Ling-jie2, SHANG Ya-qiong1

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouTechnologyandBusinessUniversity,Zhengzhou451400,China;2.DepartmentofCivilandArchitectureEngineering,ZhengzhouUniversityofScienceandTechnology,Zhengzhou450064,China)

In order to further study the influence factors of the oblique section of steel fiber concrete beam light cracking load and calculation formula, by using reverse test loading device and the method of two symmetrical concentrated loads, 18 experimental beams are made in this test to the effect of shear stress of contrast variable shear span ratio, steel fiber content changes of lambda Rho f on steel fiber light concrete cracking. The results show that the shear stress decreases with the increase of shear span ratio, and the shear stress increases with the increase of steel fiber content. At the same time, by comparing the practical calculation of concrete shear cracking load and the cracking load test of steel fiber light concrete, a formula for cracking load of steel fiber light concrete beam is proposed.

steel fiber; full-lightweight concrete; beam; inclined section; cracking load

2016-10-24

河南省科技攻关计划项目(142102310536)

唐华瑞(1984—)，女，河南荥阳人，硕士，讲师。

1674-7046(2017)01-0036-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.007

TU375

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