剪跨比对受火后RC梁抗剪和变形性能影响研究★

2022-04-14彭小丽郭永圣

山西建筑 2022年8期

彭小丽，郭永圣，刘翔

(江西应用职业技术学院建筑工程学院，江西赣州 341000)

1 概述

钢筋混凝土构件遭受火灾高温后，会导致其承载能力和延性的降低，从而影响建筑结构的正常使用和安全性能[1-3]。依据《钢筋混凝土结构设计规范》[4]，钢筋混凝土梁构件的破坏形式应设计为延性较好的弯曲破坏，而避免出现脆性剪切破坏。但是当混凝土梁遭受火灾高温后，由于钢筋强度可恢复性能较好而混凝土易出现不可恢复的破坏[5-6]，导致按照弯曲破坏形式设计的梁可能会出现剪切破坏，给结构带来安全隐患。由于剪跨比是控制钢筋混凝土梁破坏形式的关键参数[7-8]，研究剪跨比对受火后钢筋混凝土梁抗剪承载力和变形性能影响，可为火灾后评估钢筋混凝土梁构件提供一定的参考。

本文进行了两个未受火和两个受火钢筋混凝土梁的抗剪性能静载试验，重点分析研究了剪跨比对钢筋混凝土梁抗剪和变形性能的影响。

2 试验方案和设计

设计并制作了4个钢筋混凝土试件，两个常温混凝土梁L1和L2为对比试件，两个经ISO834标准升温曲线作用1 h的受火梁L3和L4。试验考虑了两个剪跨比，L1和L3的剪跨比为2.1，L2和L4的剪跨比为2.7。4个钢筋混凝土梁试件的尺寸、配筋率均一致。梁长度为2.4 m，净跨为1.8 m、截面为200 mm×300 mm。混凝土采用C30，保护层厚度为25 mm。为了使试件的破坏形式为剪切破坏，箍筋按构造要求配置，采用6.5 mm直径箍筋，间距为200 mm，配箍筋率为0.165%。配置双层钢筋纵筋，受拉区为425，受压区为225，受拉区纵筋配筋率为3.27%。试件的具体参数如表1所示，尺寸和配筋构造如图1所示。

表1 试件的主要参数

3 受火试验和静力加载

3.1 受火试验

对梁L3和L4先进行受火试验，试验采用的ISO834标准升温曲线和炉内的实测温度如图2所示。受火试验过程中，根据试件表面水的状态可以分为四个阶段：试件表面水开始溢出、试件表面覆盖水、覆盖水沸腾和覆盖水蒸发完毕。试验过程中试件出现溢水现象如图3所示。受火试验后，可以观察到试件出现不规则裂缝，且有崩角现象，梁表面呈浅灰黄色。试件破坏情况如图4所示。

3.2 静力加载

试验的加载装置如图5所示，试验采用液压伺服作动器加载，通过一个分配梁来实现试件的两点加载。试验的加载制度如下：首先，进行预加载，以2 kN/s的速度加载，直至10 kN来检查试验仪器是否正常；而后进行正式加载，先按照10 kN进行加载，当钢筋应变达到屈服后改成位移控制加载，每级位移幅值为3 mm。最后加载至试件极限荷载的80%后停止加载试验结束。

4 试验分析

4.1 试验过程与破坏现象

4.1.1 剪跨比λ为2.1的未受火试件L1梁

试验加载至30 kN时，梁的纯弯段出现第一条弯曲裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当加载至40 kN时在剪跨区出现第一条斜裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当加载到115 kN时，弯曲裂缝和斜裂缝均继续发展，其中最大弯曲裂缝宽度约束0.1 mm，最大斜裂缝宽度为0.28 mm，形成主斜。加载到225 kN时，主斜裂缝宽度约为1.5 mm，达到规程规定的剪切破坏标准。当加载至238 kN时达到极限荷载，箍筋出现屈服，纵筋未屈服，主斜裂缝宽度达到3 mm。最终加载到188 kN，此时已低于极限荷载80%，最大跨中挠度为16.78 mm，试验结束。L1梁的裂缝开展如图6所示，图6中的数值为加载的荷载，单位kN。

4.1.2 剪跨比λ为2.7的未受火试件L2梁

试验加载至25 kN时，在纯弯端出现条弯曲裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当加载至35 kN时，在弯剪段出现第1条剪切裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。斜裂缝出现后，箍筋应变迅速增加。当加载到120 kN时，最大弯曲裂缝宽度约为0.16 mm，最大斜裂缝为0.6 mm，形成主斜裂缝。加载到185 kN时，主斜裂缝宽度约为1.5 mm。加载至201 kN时达到极限荷载，主斜裂缝宽度约为7 mm。继续加载至极限荷载的80%，最大跨中挠度为21.13 mm，试验结束。试验过程中箍筋发生屈服，纵筋未发生屈服。L2梁的裂缝开展如图7所示。

4.1.3 剪跨比λ为2.1的受火试件L3梁

试验加载至15 kN时，纯弯端出现第1条弯曲裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当加载至20 kN时，弯剪段出现第1条斜裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当加载至120 kN时，出现主斜裂缝，裂缝宽度为0.3 mm，此时箍筋屈服，最大弯曲裂缝宽度为0.1 mm。加载到180 kN时，主斜裂缝宽度约为1.5 mm。当加载至215 kN时达到极限荷载，最大斜裂缝宽度为2.5 mm。继续加载至极限荷载的80%，最大跨中挠度19.48 mm，试验结束。试验过程中纵筋未发生屈服。L3梁的裂缝开展如图8所示。

4.1.4 剪跨比λ为2.7的受火试件L4梁

试验加载至20 kN时，纯弯端出现第一条弯曲裂缝，裂缝宽度为0.02 mm。加载至25 kN时，弯剪段出现第一条斜裂缝，裂缝宽度为0.02 mm。当加载至110 kN时，出现主斜裂缝，裂缝宽度0.6 mm，此时箍筋出现屈服。当加载至146 kN时，斜裂缝宽度达到1.5 mm。加载至182 kN时，达到极限荷载，主斜裂缝宽度约为5 mm，弯曲裂缝宽度约为0.24 mm。加载至试验结束，最大跨中挠度为22.64 mm。L4梁的裂缝开展如图9所示。

4.2 剪跨比对梁抗剪承载力的影响分析

各试件在不同状态下的剪力对比如表2所示。由表2可知：

1)对比出现1.5 mm斜裂缝时梁的剪力Vut，随着剪跨比的增加，Vut减小。其中未受火梁L2比L1的Vut减小了18%，受火梁L3比L4减小了19%。

2)对比梁的极限抗剪承载力Vu，同Vut类似，随着剪跨比的增加，Vu减小。其中未受火梁L2比L1的Vu减小了16%，受火梁L3比L4的减小了14%。

3)相同的剪跨比，受火梁的Vut和Vu比未受火梁均出现降低，其中L3的Vut和Vu比L1分别降低了20%和10%，L4的Vut和Vu比L2分别降低了21%和8%。

表2 试件的主要参数

此外，各试件的跨中挠度和延性系数如表1所示。由表1可知：

1)当达到极限荷载时，梁的跨中挠度dm随着剪跨比增加而增大，其中未受火梁L2比L1的dm增加了17%，受火梁L3比L4的增加了17%。

2)相同的剪跨比，受火梁的dm比未受火梁均出现增大，其中L3的dm比L1增加了13%，L4的dm比L2增加了13%。

3)随着剪跨比的增加，梁的延性系数μ增大，其中，未受火梁L2的μ比L1增加了41%，受火梁L4的μ比L3增加了11%。

4)相同的剪跨比，受火梁的延性系数μ比未受火梁均增加。

4.3 剪跨比对梁弯矩-挠度曲线的影响分析

各试件的弯矩-跨中挠度曲线如图10所示。由图10可知由于梁的破坏模型均为剪切破坏，各试件的跨中挠度随着弯矩的增大基本呈现线性递增关系。在相同的跨中挠度的情况下，受火梁的弯矩小于未受火梁，反映了受火后梁的抗弯刚度会出现降低。剪跨比λ为2.7的L2和L4的极限抗弯和变形能力均大于剪跨比λ为2.1的L1和L3，说明随着剪跨比增大，梁的变形能力增加。

4.4 梁箍筋应变分析

各试件的剪力-箍筋应变曲线如图11所示。由图11可知，L1和L3(λ为2.1)箍筋应变较小，反映了剪跨比较小时，箍筋对提高梁抗剪承载力的作用有限。而L2和L4(λ为2.7)，箍筋应变较大，反映了随着剪跨比的增大，箍筋对梁抗剪承载力的贡献提高。此外，L2和L4的箍筋应变发展可以分为两个阶段，第一阶段箍筋屈服前箍筋应变和剪力呈现线性递增关系且箍筋应变较小，第二阶段箍筋屈服后随着剪力的增大箍筋应变大幅增大。

4.5 剪跨比对梁斜裂缝的影响分析

各试件的剪力-斜裂缝曲线如图12所示。由图12可知斜裂缝的发展主要可以分为三个阶段：斜裂缝的微裂阶段、斜裂缝的发展阶段和斜裂缝的快速扩展阶段。在微裂阶段(L1和L3的剪力小于200 kN，L2和L4的剪力小于150 kN)，随着剪力的增大斜裂缝裂缝宽度增加缓慢。在斜裂缝发展阶段(L1和L3的剪力大于200 kN且小于300 kN，L2和L4的剪力大于150 kN且小于280 kN),随着剪力的增大，裂缝宽度增大明显。在裂缝快速扩展阶段(L1和L3的剪力大于300 kN，L2和L4的剪力大于280 kN)，随着剪力进一步增大，斜裂缝快速扩展。此外，随着剪跨比的减小，各阶段的临界剪力均增大。在相同的剪力作用下，受火试件L3(L4)比未受火试件L1(L2)的斜裂缝宽度更大，反映了火灾后，混凝土抗拉强度降低，试件更易开裂。相关规程指出，当斜裂缝宽度大于1.5 mm时，梁即可被认定为剪切破坏。由图12可知，斜裂缝为1.5 mm时，受火试件L3(L4)比未受火试件L1(L2)的剪力更小。