HRB500高强钢筋钢纤维混凝土梁受剪试验和承载力计算*

卞 祝， 葛清蕴

(皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012)

HRB500级高性能钢筋及高强混凝土可较好协同工作，高强混凝土掺入适量钢纤维可改善其明显脆性[1-2]，使得HRB500级钢筋和高强度等级混凝土充分发挥其高性能。梁受剪破坏呈脆性、预兆性差，采用钢纤维高强混凝土及HRB500级高性能钢筋是一种优化配置。梁斜截面受剪机理复杂，影响因素多，有关研究方法及承载力计算公式较难一致，相对于普通梁，钢纤维高强高性能钢筋混凝土简支梁在两点对称集中加载下受剪破坏特征及承载力计算公式值得研究。结合试验，分析主要影响因素对梁受剪承载力的影响，统计钢纤维高强高性能钢筋混凝土梁受剪承载力实用经验公式并验证，为相关研究发展和应用提供一些有效依据。

1 试验概况

试件配筋和加载图见图1，试验梁详细参数如表1所示。选用长径比为48.5的端部带钩剪切异型钢纤维。

图1 试件配筋及加载图

*：λ为剪跨比，ρf为钢纤维体积率，h0为截面有效高度，ρ为纵筋率，ρsv为配箍率

据试验可知，梁SBF4～SBF5发生剪压破坏，梁SBF1～SBF3剪跨区箍筋被剪断梁告破坏。试验梁受剪承载力实测值Vfcu,m见表2。

表2 梁受剪承载力实测值

2 受剪承载力试验影响因素

2.1 混凝土强度等级

钢纤维混凝土强度是影响钢纤维钢筋混凝土梁受剪承载力的重要参数。由表2知，ρf为0.8%、1.5%和2%时，混凝土强度等级为C80的梁受剪承载力相对于C50梁分别增长31.9%、20.1%、11.6%，可见ρf为定值时，钢纤维混凝土强度越高，梁受剪时剪跨区混凝土抗压、抗剪及抗拉能力越大，钢纤维高强钢筋混凝土梁受剪承载力越高。

2.2 钢纤维掺量

图2为混凝土强度等级分别为C50和C80混凝土梁随钢纤维掺量改变受剪承载力的变化趋势。由图2可知，对于混凝土强度等级为C80的梁，钢纤维掺量为0.8%、1.5%、2%时梁受剪承载力值相对于无钢纤维梁分别提高18.7%、14.5%、15.9%，对于混凝土强度等级为C50的梁，钢纤维掺量为0.8%、1.5%、2%时梁受剪承载力值相对于无纤维对比梁分别提高18.2%、25.4%、41.2%。可见，ρf≤2%时，钢纤维的掺入显著提高钢筋混凝土梁受剪承载力，梁受剪承载力随着钢纤维掺量的提高而提高。

图2 钢纤维掺量对受剪承载力的影响

钢纤维的掺入提高钢筋混凝土梁抗剪能力，主要体现在钢纤维提高基体混凝土的强度、抗拉力和变形能力，增强混凝土延性和韧性，混凝土与纵筋、箍筋间的黏结因钢纤维掺入而加强，梁整体抗剪素质提高。

2.3 箍 筋

由文献[3]中图3剪力-箍筋应变关系可知，梁斜截面开裂后箍筋应变值突变滞后，突变后随即持续增长，逐渐参与抗剪，箍筋发挥作用。梁破坏时剪跨区箍筋平均应变达1 367～1 779 με(C50)及2 194～2 473 με(C80)，如图3所示，C80系列梁破坏时，受剪箍筋在裂缝处沿平行于裂缝发展方向被剪断，说明梁达到极限荷载时箍筋达到极限应变，完全发挥抗剪性能，可见，混凝土强度等级更高时，箍筋抗剪能力发挥更充分。

(a) C50 (b) C80

图3主斜裂缝处箍筋形态

Fig.3Stateofstirrupsatthemaindiagonalcrack

3 钢纤维钢筋混凝土梁受剪承载力计算模型

3.1 受剪承载力计算方法

钢纤维钢筋混凝土梁发生剪切破坏是指梁在弯剪复合作用下，沿剪跨区临界斜裂缝发生的破坏形式。

图4中Vfcu钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁受剪承载力，Va为骨料咬合力的竖向分量，Va为骨料咬合力的竖向分量，Vd为纵筋销栓作用产生剪力的竖向分量，Vfv为垂直于斜裂缝钢纤维抗拔力的竖直分量，Vfc为受压区钢纤维混凝土承担的竖向剪力，Vsv为箍筋所承担的剪力。

图4 钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁抗剪模型

图4为钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁抗剪受力模型，在临界斜裂缝处建立斜截面各抗剪因素竖向力的平衡方程如下：

Vfcu=Vfc+Va+Vd+Vfv+Vsv

(1)

钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁抗剪受力复杂，各抗剪分量相互影响，共同参与抗剪。钢纤维改善混凝土的均匀性和密实度，提高混凝土的抗剪能力，钢纤维混凝土与钢筋的黏结增强，改善纵筋销栓作用及箍筋对混凝土的有效约束，使得Vfc、Va、Vd、Vfv有不同程度提高，单独确定各分量Vfc、Va、Vd、Vfv较困难，为简化计算，采用Vcf综合考虑Vfc、Va、Vd、Vfv，即：

Vcf=Vfc+Va+Vd+Vfv

(2)

Vfcu=Vcf+Vsv

(3)

3.1.1 无腹筋梁受剪承载力分析

集中荷载作用下钢纤维钢筋混凝土无腹筋梁受剪承载力值大小主要与剪跨比、纵筋率、梁截面尺寸及钢纤维混凝土强度有关。剪跨比λ直接影响梁抗剪强度，梁受集中荷载时，λ为梁破坏截面弯矩剪力之比。受拉纵筋限制交纵筋的斜裂缝发生剪切错动，阻碍裂缝沿纵筋表面发生撕裂破坏。

试验表明：钢纤维增强纵筋销栓作用，提高纵向钢筋撕裂面混凝土抗拉强度，梁受剪承载力随纵筋率提高增长幅度可观[4]。取有关于剪跨比λ和纵筋率ρ的梁受剪承载力回归系数k2(λ,ρ)，以钢纤维混凝土抗拉强度表达钢纤维钢筋混凝土梁受剪承载力，得：

Vfcu=Vcf=k2(λ,ρ)fftbh0

(4)

收集国内外采用高强混凝土并掺有钢纤维的无腹筋梁受剪试验数据并统计分析，得受剪承载力回归系数如下：

(5)

将式(5)代入式(4)，得高强钢纤维钢筋混凝土无腹筋梁斜截面受剪承载力统计计算公式：

(6)

表3 高强钢纤维钢筋混凝土无腹筋梁实测值与计算值的对比

3.1.2 高强钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁

(7)

式(7)中，lw为临界斜裂缝水平投影长度，即Zcotα，受剪承载力主要考虑lw长度范围内箍筋的贡献，试验测得lw值在353～439 mm，即λh0的系数在0.68～0.88之间，取lw=0.75λh0。

梁破坏时，不同箍筋、同肢箍不同位置处的箍筋应力不均匀，引入有关钢纤维特征参数的影响系数k3(λf)，并综合考虑剪跨区箍筋应力的不均匀性，得到受剪钢纤维钢筋混凝土梁即将破坏时箍筋承担的剪力：

(8)

收集国内外有关高强钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁受剪承载力试验数据，结合式(6)统计分析得到k3(λf)：

k3(λf)=3.78-0.8λf

(9)

将式(6)、式(8)、式(9)代入式(3)，得到高强钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁抗剪承载力计算公式：

(10)

式(10)中，λ<1时，取λ=1；λ>3时，取λ=3。采用式(10)计算文献[5、21-27]中有关梁受剪承载力计算值Vfcu,c，并与实测值Vfcu,m对比分析，结果见表4。

表4 钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁实测值与计算值的对比

见表4所列，Vfcu,m/Vfcu,c的平均值为μ=1.131，变异系数为δ=0.120，Vfcu,c与Vfcu,m吻合较好，离散型较小，可见式(10)能够很好预测钢纤维箍筋梁受剪承载力值。

3.2 实测值与计算值对比

采用式(10)计算钢纤维高强钢筋混凝土有腹筋梁受剪承载力值，并与实测值对比分析，结果见表5所示。

从表5可以看出，Vfcu,m/Vfcu,c的均值为μ=1.152，变异系数为δ=0.058，受剪承载力实测值与计算值吻合良好。可见，式(10)能够很好地预测高强钢纤维钢筋混凝土有腹筋梁在集中荷载作用下受剪承载力值。

表5 梁受剪承载力实测值与计算值的对比

4 结 语

随混凝土强度等级提高，钢纤维高强钢筋混凝土梁受剪承载力提高，箍筋抗剪能力发挥更充分。ρf≤2%时，随ρf增加，钢纤维高强钢筋混凝土梁受剪承载力提高。提出高强钢纤维钢筋混凝土梁受剪承载力经验计算公式，计算结果与实测结果吻合较好。

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