摘要:通過8根集中荷載下高強箍筋混凝土梁的受剪破壞試驗,分析了500MPa箍筋混凝土構件斜截面的剪切承載力及使用階段的斜裂縫寬度,同時對兩組配有蒙皮鋼筋的混凝土梁的受剪承載力及斜裂縫寬度進行了對比分析。試驗結果表明,此類構件的受力性能與普通鋼筋混凝土受剪構件相同,其斜截面受剪承載力仍可按現行《混凝土結構設計規(guī)范》有關公式進行計算,并且具有足夠的安全儲備。同時蒙皮鋼筋的配置能夠有效地限制裂縫的開展,改善受剪破壞的脆性性能。
關鍵詞:高強箍筋;剪切承載力;使用階段;斜裂縫寬度
中圖分類號: TU317 + . 2; TU375. 1 文獻標識碼:A
500MPa鋼筋作為一種新型鋼筋已納入《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499 - 1998)標準中,它具有強度高,延性好等優(yōu)點,目前已廣泛應用于國外主要工業(yè)化國家,然而國內由于500MPa鋼筋的研究起步較晚并且缺乏相應鋼筋混凝土構件試驗資料而尚未列入我國現行《混凝土結構設計規(guī)范》( GB50010 -2002) [ 1 ]中,因此為扭轉我國建筑用鋼材落后的局面,在我國推廣和使用這種新型鋼筋[ 2 ] ,有必要補充相關試驗對其性能進行研究。
應用500MPa鋼筋作為抗剪箍筋,隨著箍筋強度的提高降低了用鋼量,同時也意味著正常使用階段可能出現較大的斜裂縫[ 3 ] 。因此,研究高強箍筋混凝土梁的斜截面受剪承載力以及使用階段斜裂縫寬度問題具有重要的意義。
1 試驗概況
本文設計了8根T形截面試驗梁,采用兩點對稱集中加載,剪跨比為2. 75。混凝土強度等級分別為C30, C40, C50,配箍率分別為0. 39%, 0. 31%?？紤]到應用500MPa鋼筋作為受力主筋,可能會導致構件在高應力狀態(tài)下出現過寬斜裂縫而不能滿足結構適用性和耐久性的要求,為此試驗設計了兩組配有蒙皮鋼筋的梁進行對比研究。蒙皮鋼筋布置于受力主筋至構件表皮之間的混凝土保護層內,是由變形鋼筋焊網而制成的[ 4 ] 。試驗測定剪跨區(qū)段與斜裂縫相交處箍筋的應變、斜向開裂荷載、跨中撓度及各個荷載等級下的斜裂縫寬度。構件的截面形式如圖1所示,構件配筋見表1。
2 試驗現象
2. 1 斜裂縫的出現與斜向開裂
鋼筋應變片位置如圖2所示。根據試驗數據做出試驗梁的荷載- 箍筋應變曲線,如圖3所示。
加荷初期,試驗梁處于彈性工作階段,梁表面未出現裂縫,此時箍筋應力較小。隨著荷載的增加,在試驗梁中部出現一系列的垂直裂縫,當荷載增加到大約為30% ～40%極限荷載時,斜裂縫以一種非常突然的方式出現在梁的剪跨區(qū)段,并且一出現就具有較大的延伸長度,約為100～150 mm,此時裂縫寬度不大,斜裂縫出現前箍筋應力較小,斜裂縫出現時,箍筋的應力出現突變,即圖3荷載- 箍筋應變曲線均出現轉折點,此時剪力由剛開始的混凝土承擔逐步轉向由箍筋和混凝土共同承擔。
斜裂縫出現的形態(tài)具有不確定性,既有在梁下部由垂直裂縫斜向發(fā)展成的彎剪裂縫,又有在梁腹部直接形成的腹剪裂縫[ 5 ] 。對于本次試驗,試驗梁的斜向開裂以腹剪裂縫居多。
2. 2 斜裂縫出現后梁的工作狀況
梁斜向開裂以后進入了一個穩(wěn)定的斜裂縫發(fā)展階段,隨著外荷載的增加,斜裂縫的寬度和長度均以穩(wěn)定的速度增長,箍筋所受的拉力逐漸增大,同時箍筋的存在也限制了斜裂縫的開展和延伸。由圖3可見試驗所測的箍筋微應變絕大多數能達到2 500 ×10- 6 ,即箍筋能夠達到屈服,只有少數箍筋應變不能達到屈服,有些靠近支座處箍筋應變呈現受壓狀態(tài)。
當荷載加至90%的極限荷載,斜裂縫進入了一種不穩(wěn)定的裂縫擴展階段,此時斜裂縫寬度加大,斜裂縫向上發(fā)展至加載點附近,向下則發(fā)展至支座附近。繼續(xù)加載,斜裂縫寬度突然增加,梁形成較明顯的剪壓區(qū),最終導致梁的受剪破壞,呈現出一定的脆性。
圖4為試驗梁裂縫分布。
由上述試驗現象可見,集中荷載下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構件其受力性能和一般的鋼筋混凝土受剪構件的受力性能基本相同。
3 試驗結果分析
3. 1 受剪承載力
為了驗證現行《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010 - 2002) [ 1 ]對配置500MPa箍筋的混凝土構件斜截面受剪承載力計算的適用性,本文采用規(guī)范規(guī)定的集中荷載作用下受剪承載力公式計算并與實測值進行比較分析。比較結果見表2。
由上表可以看出,試驗實測破壞剪力均大于取鋼筋和混凝土實測強度按照規(guī)范規(guī)定公式計算的破壞剪力。其比值V 0u /Vcalu 均值為1. 67,變異系數為0. 060,可見按照現行《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的受剪承載力計算公式的計算結果與試驗結果符合良好,并且具有足夠的安全儲備。由此可見,集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構件仍可按現行《混凝土結構設計規(guī)范》公式進行計算,并且具有足夠的安全儲備。
3. 2 使用階段斜裂縫寬度限值討論
對于受剪構件來說也需進行正常使用極限狀態(tài)下的斜裂縫寬度限值的討論。對于斜裂縫寬度限值的討論本文采用如下方法:采用《混凝土結構設計規(guī)范》的受剪承載力計算公式,分別代入混凝土和鋼筋強度的標準值( ftk和fyvk ) ,從而求得構件受剪承載力的標準值Vk ,用構件受剪承載力標準值除以構件的安全系數1. 55[ 6 ] ,即可求出構件正常使用階段的剪力Vz。此時用正常使用階段的剪力Vz 和試驗測得的最大斜裂縫寬度為0. 2 mm時所對應的剪力V0. 2進行比較分析。表3為試驗梁在正常使用階段的剪力。
由上表可以看出,本次集中荷載作用下的受剪構件,當箍筋強度取為500MPa時,只有LQA4的比值Vz /V0. 2大于1,說明LQA4在正常使用階段不能滿足斜裂縫寬度限值要求,其余7根梁的Vz /V0. 2小于1,均能夠滿足斜裂縫寬度限值要求。
可見,采用現行《混凝土結構設計規(guī)范》受剪承載力計算公式設計的集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用階段一般可以滿足斜裂縫寬度限值要求。
3. 3 配置蒙皮鋼筋試驗梁的分析
3. 3. 1 受剪承載力
考慮到應用500MPa鋼筋作為抗剪箍筋可能出現過寬的斜裂縫而不能滿足結適用性和耐久性的要求,為此設計了兩組配有蒙皮鋼筋的構件進行對比研究。兩組梁分別為LQA2和LQA7, LQA5和LQA8,所配的蒙皮鋼筋為Φ5@80。兩組試驗梁受剪承載力對比見表4。
上述試驗數據表明,對于極限荷載,配置蒙皮鋼筋的試驗梁LQA7, LQA8與同條件未配置蒙皮鋼筋的試驗梁LQA2,LQA5相比,其承載力有一定程度地提高,分別提高了22. 1%和25. 4%。這是因為蒙皮鋼筋的加入相當于增加了配箍率,同時也增加了構件的剛度,增強了對混凝土的約束特性[ 7 ] ,因而受剪承載力增大。
3. 3. 2 斜裂縫寬度
裂縫發(fā)展形態(tài)對比見圖5,根據試驗數據,做試驗梁斜裂縫寬度對比圖6。
由上圖可見:集中荷載作用下配置蒙皮鋼筋的試驗梁其裂縫發(fā)展規(guī)律和普通鋼筋混凝土受剪試驗梁相似,所不同的是裂縫條數明顯增多且相同荷載作用下,配置蒙皮鋼筋的試驗梁的最大斜裂縫寬度要明顯小于未配置蒙皮鋼筋試驗梁的斜裂縫寬度。同時蒙皮鋼筋的配置使得垂直裂縫和斜裂縫開展數量均增多,裂縫發(fā)展細密,能夠有效地限制裂縫開展寬度[ 8, 9 ] 。并且配有蒙皮鋼筋的受剪試驗梁最終破壞時斜裂縫寬度約在0. 9～1 mm左右,破壞時可以實現鋼筋之間的應力重分布,避免了脆性破壞的發(fā)生[ 7 ] 。而相同條件下未配置蒙皮鋼筋的試驗梁最終破壞形式為無法預知的脆性破壞,且斜裂縫寬度較大,均能超過1. 5mm,有些甚至更大。
因此,蒙皮鋼筋的配置既能有效地限制裂縫開展寬度又能改善受剪破壞的脆性性能。
4 結論
通過8根集中荷載作用下高強箍筋混凝土梁受剪性能的試驗研究,歸納出以下幾點規(guī)律:
(1)集中荷載下配置500MPa箍筋的混凝土受剪構件其受力性能和裂縫發(fā)展規(guī)律均與普通鋼筋混凝土受剪構件相同,此類構件的受剪承載力仍可按現行《混凝土結構設計規(guī)范》( GB50010 - 2002)公式進行計算,并且承載力余量大,具有較高的安全儲備。
(2)在正常使用極限狀態(tài)下,采用《混凝土結構設計規(guī)范》受剪承載力計算公式設計的集中荷載作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用階段一般可以滿足斜裂縫寬度限值要求。
(3)配置蒙皮鋼筋的混凝土構件的受剪承載力有一定程度地提高,并且蒙皮鋼筋的配置使得垂直裂縫和斜裂縫開展數量均增多,裂縫發(fā)展細密,既能有效地限制裂縫開展寬度又能改善受剪破壞的脆性性能。
參考文獻:
[ 1 ] GB 50010 - 2002,混凝土結構設計規(guī)范[ S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.
[ 2 ] 王鐵宏. 亟需推廣應用高強鋼筋和高性能混凝土[ J ]. 建設科技, 2005, (6) : 28 - 29.
[ 3 ] MansurM A, Tan K H,Lee S L, et al. Crack width in concrete members reinforced with welded wire fabric[ J ]. ACI Structural Journal. 1991, 2(88) : 147 - 154.
[ 4 ] 滕智明. 鋼筋混凝上基本構件[M ]. 北京:清華人學出版社, 1992.
[ 5 ] Zararis P D, George G C. Diagonal shear failure and size effect in RC beamswithoutweb reinforcement[ J ]. Journal of structural engineering, 2001,127 (7) : 733 - 742.
[ 6 ] 金琰,蘇幼坡,康谷貽. 斜裂縫寬度計算及新規(guī)范受剪承載力公式能否滿足斜裂縫寬度的討論[ J ]. 建筑結構, 2003, 33 (1) : 12 - 14.
[ 7 ] 張晉,許清風,潘小華,等. 焊接鋼筋網研究應用的新進展[ J ]. 工業(yè)建筑, 2001, 31 (7) : 42 - 44.
[ 8 ] Bernold L E, Chang P. Potential gains througth welded wire fabric reinforcement[ J ]. Journal of Construction Engineering and Management, 1992,118 (2) : 244 - 257.
[ 9 ] Lee S L, MansurM A, Tan K H, et al. Crack control in beams using deformed wire fabric[ J ]. Journal of Structural Engineering, 1989, 10 (115) :2645 - 2660.
