掺入不同尺寸钢纤维的高强混凝土深梁抗剪性能

2021-05-13马煜东马恺泽魏慧刘伯权

华南理工大学学报（自然科学版） 2021年4期

马煜东马恺泽魏慧刘伯权

(长安大学建筑工程学院，陕西西安710064)

深梁为跨高比小于2的简支单跨梁或跨高比小于2.5的多跨连续梁，是建筑结构和桥梁工程中重要的承重构件之一。普通混凝土深梁是工程中较为常见的构件，但其承载能力较低，不能满足某些工程条件下的使用。随着基建工程的快速发展，高性能混凝土构件在现代结构中占据了愈来愈重要的地位。高强混凝土深梁虽然拥有较高的强度，但延性较差，在拉应力或冲击荷载作用下易发生脆性破坏，限制了其在工程中的应用范围。而在高强混凝土中掺入纤维可以使其性能得到改善，由于纤维的存在，基体的早期开裂受到阻碍，材料的变形韧性得到提高，其破坏模式由脆性转变为延性[1- 2]。

国内外学者对单一或多种混杂纤维混凝土材料及构件性能进行了研究。Adebar等[3]和Lawler等[4]发现纤维可以有效的抑制构件在加载初期微裂缝的发展，并减小裂缝最终的宽度。赵军等[5]对钢纤维混凝土深梁进行了试验研究，分析了钢纤维体积率、剪跨比及纵筋配筋率对其剪切承载力的影响。徐礼华等[6]运用有限元软件ANSYS对钢纤维混凝土深梁进行了非线性分析，并与试验结果进行了对比。Shah[7]分析了钢纤维混凝土深梁，发现钢纤维混凝土的流动性较差，但可以为构件提供更高的承载力。Kulkarni等[8]对比研究了聚丙烯纤维、钢纤维和玻璃纤维对深梁性能的影响，他们发现聚丙烯纤维可以提高混杂纤维混凝土的和易性，而包含钢纤维和玻璃纤维的混杂纤维混凝土深梁拥有更高的强度。夏广政等[9- 10]进行了混杂纤维高性能混凝土深梁抗弯及抗剪性能试验，研究两种不同类型的纤维掺量及分布钢筋配筋率等对高性能混凝土深梁抗剪能力的影响。结果表明，混杂纤维对高性能混凝土深梁抗弯及抗剪承载能力及延性改善效果显著。Balgude[11]通过试验研究了无腹筋钢纤维混凝土深梁的剪切性能，结果表明钢纤维可以一定程度上充当无腹筋深梁的抗剪微筋，控制裂缝的发展，提高深梁的承载能力和变形能力；但随着钢纤维含量的增大，深梁承载能力的提升程度越来越不明显。张志金等[12]通过无腹筋玄武岩纤维混凝土深梁的剪切性能试验研究发现，随着纤维特征参数的增大，深梁的破坏形态逐渐由斜压破坏转变为剪压破坏。

以上试验分析表明，将不同类型的纤维混杂掺入高强混凝土中，可以充分发挥不同类型纤维的混合效应，提升混凝土基体的各项性能，得到性能更优的深梁构件。而在诸多纤维种类中，钢纤维与高强混凝土有着较好的协同工作性[13- 14]，混合钢纤维对高强混凝土的抗压和抗拉强度有明显的提升作用，同时也能改善材料的韧性，混凝土超高性能的实现与混合钢纤维的使用有着密不可分的关系[15]。尽管国内外学者已经在混杂纤维混凝土及其构件的研究上取得了一定的进展，但关于混合钢纤维混凝土深梁的研究仍较少，对其抗剪性能及相关承载力计算的研究也不够深入。鉴于此，文中对1个高强混凝土深梁和4个混合钢纤维高强混凝土深梁进行了抗剪性能试验，分析了钢纤维体积掺量和分布钢筋配筋率对其抗剪性能的影响规律，并在考虑混合钢纤维协同工作效应条件下，对混合钢纤维高强混凝土深梁的抗剪承载力计算方法进行了改进，旨在为其在工程中的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

表1 试件参数

图1 HFDB- 2配筋

1.2 材料性能

试验选用文献[13]提出的混合钢纤维高强混凝土配合比，原材料如下：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，硅灰，一级特细粉煤灰，S95矿粉，西卡JH型聚羧酸高性能减水剂；Bekaert钢纤维，长钢纤维为长度30 mm、直径0.55 mm的端弯型纤维，短钢纤维为长度13 mm、直径0.20 mm的平直型纤维。材料配合比如表2所示，实测力学性能如表3所示。其中，fcu和ft分别为混合钢纤维高强混凝土立方体抗压强度和轴心抗拉强度。钢筋采用HRB400，不同型号钢筋实测力学指标如表4所示。

表2 混合钢纤维高强混凝土配合比

表3 混合钢纤维高强混凝土力学性能

表4 钢筋力学性能

1.3 试验装置及测试内容

试验在5 000 kN的长柱试验机上进行，加载装置如图2所示。加载速度为0.1 mm/min，直至试件承载力下降到极限荷载的85%结束。在深梁纵向钢筋和分布钢筋预埋钢筋应变片并在支座和跨中布置位移计，量测布置如图3所示。试验中，采用ZBL-F101裂缝观测仪量测裂缝宽度；同时，采用动态数据采集仪，与试验加载同步采集位移及应变数据。

图2 加载装置

图3 量测布置

1.4 试验现象

试件HSDB- 1加载至180 kN时，跨中底部首先出现垂直受弯裂缝；增加荷载至301 kN，左侧出现第1条受剪斜裂缝，并向集中荷载作用点和支座处延伸，由于高强混凝土的脆性，斜裂缝数量较少且宽度迅速增加。随着荷载的增大，深梁左侧破坏程度不断加剧，并形成主裂缝，其宽度不断增加。荷载达到极限荷载后，承载力迅速下降，试件破坏。HSDB- 1破坏形态如图4(a)所示。

试件HFDB- 1加载至313 kN时，跨中出现第1条垂直受弯裂缝。当加载到657 kN时，受剪斜裂缝在梁右侧出现，同时跨中右侧出现两条垂直裂缝。随着荷载继续增加，左侧出现斜裂缝，而右侧斜裂缝密集出现，呈现出向加载点聚拢的态势，并伴随有纤维拔出的声音。由于纤维的作用，右侧主裂缝发展较为缓慢，试件裂缝较HSDB- 1更密集；达到极限荷载后，主斜裂缝缓慢扩展，继续加载直至试件破坏。HFDB- 1破坏形态如图4(b)所示。

试件HFDB- 2加载至844 kN时，右侧出现第1条受剪斜裂缝，此阶段裂缝较多出现在跨中下部，表现为已有裂缝附近出现细小裂纹。随荷载的增加，斜裂缝缓慢发展，并伴有纤维拔出的声音。当达到极限荷载时，深梁右侧斜裂缝较明显，上部裂缝基本聚拢于加载点下方，整个梁面裂缝呈放射状分布在加载点与支座中间区域，裂缝细密。HFDB- 2破坏形态如图4(c)所示。

试件HFDB- 3加荷至392 kN时，跨中出现两条垂直短裂缝；加荷至761 kN时，试件两侧均出现受剪斜裂缝，此后裂缝发育主要表现为受剪区域继续出现新的细斜裂缝，在右侧形成一条明显的主剪斜裂缝；接近极限荷载时，荷载出现停滞，细密裂纹持续出现，并伴随有密集的纤维拔出的声音；继续加载右侧主裂缝增宽，荷载达到极限荷载后下降缓慢。HFDB- 3破坏形态如图4(d)所示。

图4 试件破坏形态

试件HFDB- 4加载至685 kN时，左侧出现细密斜裂缝；斜裂缝延伸较有腹筋梁迅速。随着荷载的增加，左侧斜裂缝持续向上延伸，宽度逐渐增加，纤维不断拔出，达到极限荷载后，深梁承载力并未出现迅速下降，但左侧受剪斜裂缝不断扩展，HFDB- 4最终破坏形态如图4(e)所示。由试验现象可知，HSDB- 1、HFDB- 4发生斜压破坏，HFDB- 1、HFDB- 2、HFDB- 3发生弯剪破坏。由于钢纤维的掺入，试件剪切斜裂缝的初裂荷载得到提高，斜裂缝发展速度减慢，裂缝数量明显增多。试件最终破坏均以弯曲裂缝基本稳定、剪切裂缝不断扩展，承载力下降至破坏水平而结束。

2 试验结果分析

2.1 荷载-挠度曲线

试件的荷载-挠度曲线如图5所示。斜裂缝出现之前，所有试件的荷载-挠度曲线呈现线性；当斜裂缝出现后，高强混凝土深梁的曲线斜率降低，试件刚度开始下降，而混合钢纤维高强混凝土深梁的曲线仍近似以原有斜率继续发展，刚度基本保持不变；随着裂缝的发展，钢纤维“桥联”作用减弱，荷载-挠度曲线开始出现转折，试件刚度及承载力开始下降；在达到峰值荷载后，高强混凝土深梁的承载能力及刚度急剧下降，而混合钢纤维高强混凝土深梁在此后的一段时间内表现出良好的持荷能力，变形能力显著提高。对比HFDB- 2与HFDB- 1、HFDB- 3，纤维含量从1%增至2%或分布钢筋配筋率从0.34%增至0.68%时，试件的承载能力及刚度得到了明显的提高，后期持荷能力更为明显，刚度下降更为缓慢。对比HFDB- 1与HFDB- 4，两者的曲线在前中期相近，但在加载后期，HFDB- 1的曲线下降更为缓慢。在承载力方面，钢纤维作为混凝土基体中的“微筋”，可以替代深梁中的分布钢筋，保证深梁的承载能力；但在加载后期，由于纤维的拔出，HFDB- 4的承载能力和刚度会快速下降，变形能力降低。

图5 荷载-挠度曲线

2.2 承载能力及变形能力分析

试件的承载能力及变形能力如表5所示，Vc、Vp、Vu分别为试件的剪切初裂荷载、峰值荷载和极限荷载，Δc、Δp、Δu分别为相应的跨中挠度。从表中可以看出，试件的初裂荷载、峰值荷载和极限荷载均随着混合钢纤维含量和分布钢筋配筋率的增加而增大。与HSDB- 1相比，HFDB- 1、HFDB- 2的初裂荷载提高了118.2%和180.2%，峰值荷载提高66.8%和111.8%；混合钢纤维含量从0%提升至1%时，试件承载能力的提升程度相对较高。与HFDB- 2相比，HFDB- 3、HFDB- 4的初裂荷载降低了9.8%和18.8%，峰值荷载降低9.9%和19.6%。

表5 剪切初裂荷载及极限荷载

试件的变形能力随着混合钢纤维含量的增大而增大。与HSDB- 1相比，HFDB- 1、HFDB- 2的跨中挠度在初裂状态下增大了105.5%和126.3%，在极限状态下增大了54.3%和69.1%。随着分布钢筋配筋率的增大，试件的变形能力呈先增大后降低的趋势，但下降程度较小。与HFDB- 4相比，HFDB- 3的跨中挠度在初裂及极限状态下提升了32.9%和28.1%；与HFDB- 3相比，HFDB- 2的跨中挠度在初裂及极限状态下降低了6.7%和2.8%。

2.3 钢筋应变分析

试件钢筋随荷载变化情况如图6所示。由图6(a)、图6(b)可知，在出现斜裂缝之前，分布钢筋应变较小，且与荷载近似呈线性关系。斜裂缝出现后，高强混凝土深梁斜截面裂缝处分布钢筋的应变突然增大，且应变值增长较快；而在混合钢纤维高强混凝土深梁中，由于钢纤维有效的限制了斜裂缝的扩展，分担了部分网筋的拉力，斜截面裂缝处分布钢筋的应变增加相对缓慢。从图中可以看出，HFDB- 2中网筋应变的分布较HFDB- 1与HFDB- 3中的更小，这表明混合钢纤维含量和网筋配筋率的增大在抑制斜裂缝扩展、分担网筋拉力方面有较为显著的作用。

图6 钢筋随荷载变化情况

由如图6(c)可知，在竖向裂缝出现前，纵筋应变增加缓慢，且近似与荷载呈线性关系。竖向裂缝出现后，由于钢纤维对裂缝的抑制作用及对拉力的贡献，混合钢纤维高强混凝土深梁中纵筋的应变增加相对缓慢；且钢纤维含量和网筋配筋率越大，应变增长速率越慢。

2.4 钢纤维对高强混凝土深梁增强机理分析

由于现阶段施工条件等的限制，混凝土基体本质上是一种内部有缺陷的材料，存在着细小的孔及细微裂缝；在加载过程中，其会进一步扩展，最终导致构件的破坏。混合钢纤维高强混凝土的基本原理是将两种钢纤维合理组合掺入高强混凝土中，发挥其协同效应，提高或改善原单一种类钢纤维混凝土的若干性能。不同尺寸的钢纤维混合使用时，纤维数量比单一纤维混凝土会有一定的增加，且纤维在混凝土基体中处于乱向分布状态，有极大的概率会跨越基体中原有的裂缝和小孔，抑制其发展，降低混凝土基体原有缺陷的影响。

在加载过程中，短纤维主要起到对混凝土基体的增强作用，缓和裂缝尖端的应力集中程度，阻止与延缓宏观裂缝在基体中的扩展，作为增强基体的“微筋”存在，能有效提高构件的抗裂能力。当构件局部产生较大裂缝时，长纤维由于端部带有弯钩，抗拔出性能优异，可以在构件承载过程中耗散更多能量，进一步延缓裂缝的扩展；同时，“桥架”裂缝之间的长钢纤维承担并传递了裂缝处的拉力，降低了裂缝截面上的钢筋应力。两种纤维在构件破坏过程中协同工作，在不同层次和不同阶段限制斜裂缝的发生和扩展，跨越斜裂缝的钢纤维承担了部分剪力，缓和了抗剪钢筋的应力；钢纤维的存在也改善了混凝土与钢筋的粘结性能，提高了钢筋的销栓作用；同时，剪压区混凝土在复杂受力状态下的强度和极限应变也得到提升，防止混凝土过早被压溃而导致破坏。值得注意的是，混合钢纤维的掺入不会从根本上改变深梁受剪的基本特征和机理，但却提高了深梁的受剪性能。

3 深梁受剪承载力分析

与普通混凝土深梁相比，HFRC深梁性能的提高主要得益于高强混凝土的采用和钢纤维的掺入。故以普通混凝土深梁抗剪承载力计算公式为基础，分别考虑高强混凝土和钢纤维的增强作用，对构件的抗剪承载力公式进行推导。对于普通混凝土深受弯构件的抗剪承载力，我国现行规范《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[16]给出了相关的计算公式，集中荷载下：

(1)

该式包括了短梁在内的深受弯构件的抗剪承载力计算，当l0//h=5时，与一般梁的抗剪承载力计算公式相衔接，当l0/h≤2时，转变为深梁受剪承载力计算公式，即为

(2)

式中，ft为混凝土轴心抗拉强度，b为构件宽度，h0为构件截面有效高度，fyh为构件水平钢筋抗拉强度，Ash为构件上部0.8 h范围内水平钢筋的截面面积，Sv为水平分布钢筋的竖向间距。

以往的研究表明，高强混凝土比普通混凝土有更高的强度，其与纵向钢筋之间的黏结力更大，协同工作效应更好。参考文献[10]的研究，在式(1)中的第1项和第2项分别引入修正系数α、β来考虑高强混凝土的影响，其中α=1.8，β=1。

根据之前的试验分析结果可以看出，两种钢纤维配比的不同会对混凝土的增强效果产生一定的弱化，考虑到这一特性，为使计算公式与单纤维混凝土深梁的计算公式相衔接，可令：

m+n=1

(3)

则高强混凝土纤维抗剪承载力计算公式为

(4)

对于纤维参与系数m、n，其值受纤维掺量及纤维种类的影响，根据本文试验结果，将相关参数带入式(3)和式(4)，通过回归分析，得出m=0.63，n=0.37。另选取刘胜兵等[10]、Madan等[18]的试验结果，对计算方法进行验证，如表6所示。