（水工结构工程专业论文）钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受力性能试验研究.pdf

摘要 自1 9 9 2 年，中国建设标准化协会c e c s 3 8 ：9 2 钢纤维混凝土结构设计与施工规程 颁布实施以来，钢纤维混凝土在土木工程各个领域中得到了广泛的应用。但该规程中的 计算参数取值仅适用于c f 2 0 c f 4 0 的混凝土强度等级，尚未延伸至高强混凝土的范围， 使钢筋钢纤维高强混凝土梁的受剪计算比较困难。为了完善钢纤维高强混凝土方面的研 究，本文对1 6 根掺入钢纤维的钢筋高强混凝土梁进行斜截面受力性能试验，研究了箍 筋、剪跨比、钢纤维对钢筋高强混凝土梁斜截面受力性能的影响，并对试验结果进行了 理论分析。研究内容及主要成果分为以下几个方面： 1 、钢纤维能够增加钢筋钢纤维高强混凝土梁的骨料咬合力和钢筋的销栓力，使梁 的剪压区高度增大，从而使受剪承载力得到提高； 2 、钢纤维的存在明显地延迟了剪跨段裂缝出现的时间，从而提高了混凝土梁斜截 面的开裂荷载，当剪跨段混凝土开裂后，钢纤维还能限制裂缝开展速度、改变裂缝形态。 随着钢纤维体积率的增加，裂缝的开展速度减缓，裂缝形态也变得细小并且密集； 3 、钢筋钢纤维高强混凝土梁的斜截面受剪承载力和开裂剪力随着剪跨比的增大呈 明鼎降低的趋势，当剪跨比达到3 以后，降低趋势减缓； 4 、 箍筋直径较小且为光面，其对周围混凝土的有效约束区较小，从而造成箍筋配 筋率对钢筋钢纤维高强混凝土梁的斜截面开裂荷载的影响较小； 5 、分析了梁的破坏过程和钢纤维对梁破坏形态的影响，以及剪压区混凝土压应变 和荷载一跨中挠度曲线与钢纤维体积率以及剪跨比的变化关系，定量地分析了钢纤维对 梁剪切韧性的影响； 6 、根据试验结果和其他研究者的试验资料，分析了箍筋、剪跨比、钢纤维对钢筋钢 纤维高强混凝土梁斜截面抗裂度的影响规律，提出了斜截面抗裂计算公式： 7 、根据1 6 根钢筋钢纤维高强混凝土梁的剪切破坏试验结果，结合斜截面破坏受力 机理，提出了钢筋钢纤维高强混凝土梁的斜截面受剪承载力的理论计算模式和实用计算 公式。 关键词：钢纤维；高强混凝土；斜截面；受剪承载力；抗裂剪力 剪切韧性；箍筋；剪跨比 a b s t r a c t s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eh a sb e e nw i d e l yu s e di ne v e r yf i e ld s o fc i v i le n g i n e e r i n gs i n c et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns p e c i f i c a t j o no f s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s ( c e c s 3 8 ：9 2 ) i s s u e di n1 9 9 2 b u t v a l u e so fc a l c u l a t i n gp a r a m e t e r ss p e c i f i e di nt h i ss p e c i f i c a t i o na r eo n l y s u i t e dt os t r e n g t hd e g r e eo ff i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ef r o mc f 2 0t o ( ；f 4 0 i ti sa l s oc o u l dn o td e t e r m i n et h ee n h a n c i n gc o e f f i c i e n t so fs t e e l f i b e rt ot h es h e a rr e s i s t a n c eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t em e m b e r sb yt h es i m p l e 1 _ e s tm e t h o do fm a t e r i a ib e c a u s et h e s ec o e f f i c i e n t sa r en o tc o m b i n e dw it h t h es t r e n g t ho fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e d t h e r e f o r e ， 1 6s t e e l f i b e r r e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m sa r et e s t e dt or e v i s et h ec u r r e n t s p e c i f i c a t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e f o t l o w i n g c o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n ： 1 i n c l u s i o no f s t e e lf i b e t si nt h ec o n c r e t em i xi m p r o v e st h es h e a r c a p a c i t yo fr cb e a m s ，b e c a u s et h ep r e s e n c eo ft h es t e e lf i b e r si n cr l e a s e s t h ed o w e la c t i o no fs t e e lb a ra n dt h ef r i c t i o no f a g g r e g a t e s 2 a d d i t i o no fs t e e lf i b e r si nt h ec o n c r e t em i xd e l a y st h ea p p e a r a n c e o fi n c l i n e ds e c t i o n a lc r a c ka n di n c r e a s e st h ec r a c k i n g s t r e n g t ho f i n c l i n e ds e c t i o n a n da f t e rt h ea p p e a r a n c eo fi n c j n e ds e c t i o n a lc r a c k s t e e f i b e r s1 i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec r a c ka n dm a d ec r a c ks h a p e m o r et h i na n di n t e n s i v e ， 3 t h ee f f e c t so ft h es h e a r s p a nt od e p t hr a t i oo nt h es h e a rc a p a c i t y a n dc r a c k i n gs t r e n g t ho fs t e e lf ib e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m sa r ea s o s t u d i e di n t h i sp a p e r t h et e s td a t aa n dr e s e a r c hd a t af o u n di nt h e 1i t e r a t u r ei n d i c a t e dt h es h e a rc a p a c i t ya n dc r a c k i n gs t r e n g t ho fi n c l i n e d s e c t i o ni n c r e a s eo b v i o u s l yw i t had e c r e a s ei ns h e a r s p a nt od e p t hr a t i o 4 t h ed a t ao f t h i se x p e r i m e n ts h o wu st h a tt h ea d v a n t a g eo ft h e s t i r r u p st ot h es h e a rc r a c k i n gs t r e n g t ho fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e b e a m si sn o to b v i o u s l y ，b e c a u s et h er a d i u so fs t i r r u p siss m a l la n di t s s u r f a c eiss m o o t h 5 t h ei n f l u e n e eo fs t e e lf i b e to nc r a c k e ds h a p eo fs h e a rc f i t i c a b e a m si sd i s c u s s e d t h e n ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o m p r e s s i v es t r a in o fc o n c r e t ei ns h e a r c o m p r e s sz o n ea n dl o a d m i ds p a nd e f l e c t i o nc u r v e s w j t ht h em a i nf a c t o r ss u c ha ss t e e lf i b e r ，s t i r r u p sa n ds h e a rs p a nr a t i 0 a r ei n v e s t i g a t e d a tl a s t ，s h e a rd u c t i l i t ya r ea n a l y z e d ， 6 c o m b i n e dw i t ht h et e s td a t aa n do t h e rr e s e a r c h e s ，t h ee f f e c t so f s t e e lf i b e r s ，s t i r r u p sa n ds h e a rs p a nt o d e p t hr a t i oo nt h ec r a c k i n g s t r e n g t ha r ea n a l y z e da n da ne q u a t i o ni sp r o p o s e dt op r e d i c tc r a c k i n g s t r e n g t ho fi n c l i n e ds e c t i o n 7 a c c o r d i n gt ot e s td a t aa n df a i l u r em e c h a n i s m ，t h ec a l c u l a t i n g m o d e lw a sp r o p o s e dt op r e d i c ts h e a rc a p a c i t yo fi n c l i n e ds e c t i o no ff i b e r r e i n f o r c eh i g h s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m s k e y w o r d s ：s t e e lf i b e r ：h i g h s t r e n g t hc o n c r e t e ：t h ev o l u m ef r a c t i 。no f s t e e l f i b e r ；s h e a r s p a nt od e p t hr a t i o ：s t i r r u p s ：s h e a r d u c t i t i t y ；s h e a rr e s i s t a n c e ：s h e a rc r a c k i n gs t r e n g t h y 7 8 2 5 9 8 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 善鸭 2 0 0 5 年0 5 月2 4 日 郑州大学硕士学位论文 第一章国内外研究现状及本文的研究工作 自混凝土问世一百多年来，一直维持着一种由集料、水泥和水所组成的混合体状态。 其中水的作用非常关键，它不仅要保证水泥的正常水化，同时还控制着新拌混凝土的流 变性能。但也正是由于这部分不参与水化的水分存在，混凝土的性能不能从根本上得到 改善，其实际应用也受到限制。直到十几年前，国际上对减水剂或超塑化剂的研究和应 用，才使混凝土的发展有了突破。目前在国际上普遍使用抗压强度较高( 有的在l o o 1 5 0 m p a ) 的高强混凝土。但实践证明，高强混凝土在应用过程中，仍然存在着抗裂性能 差、变形能力低等缺点，而这些缺点直接影响到高性能混凝土在工程中的应用范围。 钢纤维混凝土是二十世纪发展起来的一种性能优良且应用广泛的新型建筑复合材 料，它实际上是指在混凝土基体中掺入乱向均匀分布的钢纤维组成的复合体。由于纤维 的存在，降低了裂缝尖端的应力集中，限制了裂缝的开展，所以从多方面改善了混凝土 的结构性能，因而在工程中有很大的潜在优势。 近2 0 年来，制造i o o m p a 甚至更高强度的混凝土已经没有困难。但随着混凝土强度 增加，其脆性也加大。受普通钢纤维混凝土应用效果的启发，人们开始研制了铡纤维高 强混凝土，大量科学工作者的实践证明：和普通混凝土样，加入钢纤维也同样会改善 高强混凝土的抗裂、变形等方面性能。钢纤维混凝土中钢纤维含量越高，增强作用越明 显，但同时均匀分布钢纤维的难度越大，所以钢纤维混凝土的钢纤维含量一般在3 以 下。最新研究表明，钢纤维高强混凝土，特别是中高含量的钢纤维高强混凝土，具有良 好的抗冲击性能，在工程方面有着广阔的应用前景。 众所周知，钢筋混凝土构件的抗剪计算是工程中经常遇到的问题，而且由剪切引起 的破坏往往是脆性破坏，这对建筑结构的影响是极为不利的。然而，构件在受剪状态下 的应力分布又十分复杂，所以使用解析法建立钢筋钢纤维混凝土构件的剪切强度计算公 式是相当困难的。一般来说，目前解决剪切问题的主要途径是通过对大量试验结果的分 析，探讨其开裂机理、传力机构和破坏机理的规律。在此基础上引入一些假定，建立剪 切强度的半经验半理论计算公式。 钢纤维的加入将使钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面的抗剪性能分析更加困难，但 是，探讨钢筋钢纤维高强混凝土的开裂、破坏机理和受剪承载力计算方法对其应用和发 展具有实际意义。为此，本文通过对钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受力性能的试验以 及前人在这方面研究的基础上，分析了钢筋钢纤维高强混凝土梁的抗剪开裂、破坏机理， 并提出其受剪承载力以及开裂荷载的计算公式。 1 1 国外研究现状 1 9 9 2 年，n a r a y a n a n 和d a r w i s h 。”曾提出钢纤维增强普通混凝土梁斜截面开裂荷载 计算公式： 郑州大学硕士学位论文 v = 0 2 4 f 蛳+ 2 0 p 二+ 0 ，5 f ， “为粱的剪跨段长度；d 为截面有效高度；f 为钢纤维的特征掺量( p ，7 ) ：p 为 u 。 纵筋配筋率；厂。m 为s f r c 柱的劈裂强度： 另外，他们还提出了s f r c 混凝土梁受剪承载力计算公式： ”m = e o 2 4 f ，哦+ 8 0 p 兰 + v 6 当罢 2 8 时，p = 1 0 ；当芸 3 5 m m ) 和国外生 产的波形钢纤维，可取目沪0 。4 5 。根据弯剪斜裂缝形态提出了钢筋钢纤维混凝土梁斜截 面抗裂计算的理论模型，并推导出斜截面抗裂剪力的理论计算公式。经过简化分析，提 出了斜截面抗裂剪力的实用计算公式。使钢筋钢纤维混凝土梁和钢筋混凝土梁的斜截面 抗裂计算形成统一的理论计算体系。 4 郑卅l 大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，刘立新“”等在对国内外钢筋混凝土梁的受剪性能进行较系统分析的基础 卜，补充了l i 根钢筋混凝土简支短梁在顶部承受集中荷载和均布荷载作用下的试验， 试验梁的主要变化参数为剪跨比、跨高比、水平腹筋率和垂直腹筋率。根据试验结果， 对试验梁的工作性能、主要的剪切破坏形态、混凝土项的抗剪作用、抗剪腹筋( 包括水 平腹筋、垂直腹筋) 的作用等进行了较为深入的分析，提出了可适用于钢筋混凝土深梁、 短梁和浅梁相互协调的受剪承载力的统一计算方法。 而且试验中发现，纵向钢筋穿越斜裂缝有“销栓”作用，能直接承受一部分剪力， 并且它还约束斜裂缝的扩展，使斜裂缝上端的剪压区面积增大，因而纵向钢筋的配筋量 越大，梁的抗剪能力越强。集中荷载作用下，当其他条件相同时，纵筋配筋率p 与梁的 受剪承载力大致成线性关系。随着剪跨比 的不同，p 的影响程度也不同。 较小时， 纵筋的销栓作用明显，p 对抗剪能力的影响较大；而x 较大时，纵筋的销栓作用减弱， p 对受剪承载力的影响较小。均布荷载作用下，当其他条件相同时，纵筋配筋率p 与梁 的受剪承载力大致成线性关系。随着跨高比l 。h 的不同，p 的影响程度也不同。l 。， h 较小时，纵筋的销栓作用明显，p 对抗剪能力的影响较大；而l 。h 较大时，纵筋的 销栓作用减弱，p 对受剪承载力的影响较小。 在2 0 0 1 年9 月，天津大学建筑工程学院的王铁成和康谷贻”1 针对我国现行混凝土构 件设计公式的适用性问题，研究了强度等级c 2 0 c 8 0 混凝土梁的抗剪性能特征，讨论了 现行设计公式及截面限制条件存在的问题。 2 0 0 2 年，华北水院的孙晓燕“1 等对1 7 根钢筋钢纤维高强混凝土无腹筋梁进行了斜 截面受力性能的试验研究，并结合现有理论对其受剪承载力的计算方法进行了分析。主 要变化参数为：钢纤体积率和类型、水灰比。其中，钢纤维体积率分别为0 、0 j 、 1 0 、1 5 、2 0 ；采用的水灰比分别为：0 3 5 、0 3 0 、0 2 8 ：钢纤维是嘉兴钢纤 维厂生产的异混型钢纤维，长度分别为3 1 2 m m 和2 5 m m ，长径比分别为：3 9 7 2 和4 9 0 3 ： 混凝土的强度等级为c 6 0 c 9 0 。 试验结果表明，钢纤维的加入有效地抑制裂缝的发生和发展，改善了混凝土梁斜截 面的受力性能。提出的斜截面开裂荷载和受剪承载力的实用计算公式分别为： = 羔+ 焉k 眠职，= ( 1 + 展乃丸 其中： 肾堂学历 式中，厶为钢纤维混凝土的抗拉强度( m p a ) ；h 。为截面有效高度；b 为截面的宽度； 为剪跨比，当丑 3 时，取旯= 3 ；p 为纵筋配筋率。 2 0 0 3 年，大连理工大学的张宏战、黄承逵。1 根据1 3 根钢纤维高强混凝土梁的剪切 郑州大学硕十学位论文 破坏试验，观察了梁的破坏过程和钢纤维对梁破坏形态的影响，分析了剪压区混凝土的 压应变和荷载一跨中挠度曲线与钢纤维体积率、配筋率、混凝土强度等级以及剪跨比的 关系。最后参照受弯构件的延性分析，定义了梁剪切延性指标，定量地分析了铜纤维对 梁剪切延性的影响。试验的主要变化参数为钢纤维体积率、箍筋配筋率和混凝土基体强 度，同时还考虑了剪跨比的影响。试件的尺寸为1 5 0 3 0 0 x2 4 0 0 m m 4 ；混凝土基体强度为 c 5 0 、c 6 0 、c 7 0 ：纵向钢筋采取i i 热轧钢筋，直径2 0 m m ，f 严4 2 1 m p a ，f o = 6 0 1 m p a ；箍筋 和架立筋均采用i 级钢筋，直径为6 5 1 l u n ，f ，= 3 2 i m p a ，f 。= 4 9 2 m p a ：钢纤维为嘉兴的异型 剪切钢纤维，长径比为4 6 6 ，试件采用的钢纤维体积率分别为0 、0 5 、1 0 和1 5 。通过试验观察发现，钢纤维的加入并不能从根本上改变梁剪切破坏的脆性，但它可 以推迟斜裂缝的出现，显著降低正常使用荷载下的斜裂缝宽度，使破坏斜截面由一个平 整的剪切面变成一个狭窄的剪切破坏带，改变了梁的破坏形态。而且随着钢纤维体积率 的增大，梁剪压区混凝土最大压应变有显著提高，这也就说明钢纤维的加入有效地改善 了梁的剪切延性。 1 3 本文的研究工作 纵观国内、外的研究成果发现，钢纤维的掺入有效的提高了混凝土的开裂荷载以及 受剪承载力，并在一定程度上提高了梁的抗剪韧性及刚度，所以钢纤维混凝土已经大量 应用于公路路面、桥梁以及高层建筑的构件中。随着钢纤维混凝土应用的日宜广泛，对 钢纤维混凝土的基本力学性能的研究也急需进一步的深入，本课题就是在这样的工程背 景下，开展了钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受力性能的试验研究。本文一共对1 6 根 掺入钢纤维的钢筋高强混凝土梁进行斜截面受力性能试验，研究了钢纤维体积率、剪跨 比，箍筋配筋率对其斜截面受剪承载力、抗裂剪力以及剪切韧度的影响，并对其试验结 果进行理论分析，最后建立斜截面受剪承载力和抗裂剪力的计算公式，以供实际工程应 用或参考。 6 郑卅大学硕士学位论文 第二章试验设计与试件制作 2 t 试验目的 由于我国对于钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受力性能的研究还不够系统，而且得 出的计算公式不能与我国现有新规范很好的衔接，为了完善这方面的研究，本文一共对 1 6 根掺入钢纤维的钢筋高强混凝土梁进行斜截面受力性能的试验研究与理论分析。 根据试验目的，本次试验以箍筋配筋率、钢纤维体积率以及剪跨比作为主要变化参 数。由于基体混凝土强度对钢筋高强混凝土粱斜截面受力性能的影响，国内已经有大量 资料可供参考，所以本试验中混凝土强度等级固定为c 6 0 。主要研究内容分为以_ 卜几个 方面： ( 1 ) 钢纤维体积率对钢筋钢纤维高强混凝土无腹筋梁斜截面受剪性能的影响。 ( 2 ) 跨比对钢筋钢纤维高强混凝土无腹筋梁斜截面受剪性能的影响。 ( 3 ) 腹筋用量列钢筋钢纤维高强混凝土梁斜截面受剪性能的影响。 ( 4 ) 建立斜截面受剪承载力和抗裂剪力的计算公式。 ( 5 ) 探讨钢筋钢纤维高强混凝土无腹筋梁斜截面抗剪韧性的分析方法，并研究其 抗剪韧性。 2 2 试件的设计与制作 2 2 1 试件材料 本试验采用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的a m l 0 4 3 2 6 0 0 型钢纤维，钢纤 维长径比为3 5 7 。这是一种铣削型钢纤维，它一面光滑，一面粗糙，横断面和纵断面有 锯齿状的边，加上两端有带钩的锚尾，使得它能顺利分散于混凝土中不致成团，又能很 好地与混凝土粘结在一起，使粘结强度成倍的增加。采用4 2 5 # 火山灰质硅酸盐水泥， 壤大粒径为1 5 u r n 2 的砾石，中砂，砂子和石子级配良好。纵向钢筋采取i i 热轧钢筋，直径 2 8 r n n l ，f ，= 3 6 2 m p a ，f 。：6 0 1 m p a ；箍筋和架立筋均采用i 级钢筋，直径分别为6 5 和8 m m ， 扎分别为5 5 0m p a 和3 0 4 m p a ，f 。= 4 9 2 m p a 。其中i i 热轧钢筋产自鞍山钢铁厂，i 级钢筋 产自邯郸钢铁厂。 2 2 2 试件设计 根据本次试验的目的，试件设计时考虑的主要参数是截面尺寸、纵向钢筋配筋率、 箍筋配筋率、剪跨比和钢纤维体积率。试件的设计参照钢纤维混凝土试验方法标准 ( c e c s1 3 ：8 9 ) 和钢纤维混凝土结构设计与施工规程( c e c s3 8 ：9 2 ) 中的相关规定进行。 考虑到试验室压力机的加载能力，取截面宽1 5 0 m m 和高3 0 0 m m 。考虑到试验机的尺寸，取 梁长3 0 0 0 m m 。试验设计了f b 、l b 及w b 三个系列，其中f b 系列是采用钢纤维体积率作 为变化参数，l b 系列是采用剪跨比作为变化参数，w b 系列是采用箍筋配筋率作为变化 一一 塑型查堂堡主兰篁丝苎 参数。参考混凝土结构设计规范( g b5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) 构件的纵筋配筋率取为3 1 5 ； 钢纤维体积率分别取0 、0 5 、io 、1 5 、2 o ：剪跨比分别取为l 、1 5 、2 、2 5 、 3 3 、4 、4 8 ；箍筋配筋率分别取0 2 9 、0 4 0 、0 5 2 。另外，每个试件制作时，还留 有6 个1 5 0 x 1 5 0 x 1 5 0 r a m 的立方体试块，以便在试验过程中测试相应混凝土试件的实际 抗压强度和劈拉强度。每个试件的详细情况见表2 1 ，试件的配筋情况见图2 1 。 表2 1 ：试件详细情况 受拉钢筋 架立筋 钢纤维 箍筋 剪跨比体积率 粱的编号 配筋率配筋配筋配筋面积配筋率配筋情 ( ) ( )情况情况( m l n 2 )( )况 f b 一2 5 - 0 - 02 53 1 5 2 庐2 8 00 f b 一25 0 5 02 5 3 1 5 2 痧2 8 o0 5 f b 一25 1 0 02 531 5 2 函2 8 o1 o f b 一25 15 一o2 53 1 52 西2 801 5 f b 一2 0 20 02 031 5 2 2 8 02 o l b10 一1 5 01 ，0 3 1 5 2 妒2 8 01 5 l b15 15 01 53 1 5 2 击2 8 015 l b 一2 5 一l 5 o2 53 1 5 2 2 8 o1 5 l b 一3 、3 一l 。5 0 3 33 1 52 击2 801 5 l b 一4 0 15 04 031 52 西2 8o1 5 l b 一4 8 15 一o4 8 31 5 2 班2 8o1 5 w b 一2 5 1 5 2 92 53 1 5 2 2 82 1 2 2 2 61 5o2 9 击6 1 3 0 w b25 一1 5 4 0 2 531 52 西2 82 西1 2 2 2 61 5 04 0 庐8 1 7 0 w b _ 25 一1 5 5 22 53 1 5 2 西2 82 西1 2 2 2 61 50 5 2 痧8 1 3 0 w b - 一2o - 0 2 9 2 53 1 52 西2 8 2 1 22 2 6o0 2 9 西6 i 3 0 郑州大学硕上学位论文 w b 一2 5 0 4 02 531 5 2 击2 82 西1 2 2 2 6o04 0西8 1 7 0 w b25 0 5 22 53 1 52 西2 82 西1 2 2 2 60o5 2 函8 1 3 0 注：梁的编号开头分别以“f ”、“i “w ”，分别表示变纤维体积率、变剪跨比以及变箍筋率系列： 字母后的第一个数字表示剪跨比，第二个数字表示钢纤维体积率( ) ，第三个数字表示箍筋配筋率 ( l j 0 0 0 0 ) 。 试件没计简图如下所示 2 士 150 无箍筋梁 图2 1 试件的钢筋配筋图 l50 有腹筋梁 单位( m m 2 。2 。3 试件的成型与浇注 ( 1 ) 钢筋的加工 本次试验采用的钢筋有变形钢筋和光圆钢筋两种。变形钢筋根据尺寸要求在钢筋弯 折机上加工成型。光圆钢筋主要用于箍筋，采用人工加工成型，然后将钢筋贴片位置用 磨光机打平，再用砂纸磨光，最后用细铁丝将其绑扎成钢筋笼。 钢筋笼加工成型后，在钢筋磨光的贴片位置上粘贴钢筋应变片。桔贴、引线及密封 按混凝土结构试验方法标准g b 5 0 5 1 2 9 2 中相关要求及相关步骤进行。 ( 2 ) 混凝土的搅拌工艺 ( a ) 准备人工把砾石中的超径石子筛分出去，砂子也经过筛分处理并除去其中的小 石子。 ( b ) 计量计量过程中根据每天浇注试件和试块数量，计算出每天所需要的各种材料 用量，浇注当天用台称称出当天用量。 ( c ) 拌和投料顺序是砂、水泥、石子及外加剂，在搅拌一段时间后放入钢纤维，最 后再加入水，为了保证钢纤维的均匀乱向分布，试验采用强制搅拌机拌和钢纤 维混凝土，并用强力振捣棒密实成型，2 4 小时脱模，然后淋水养护2 8 天。其中 9 邦州人学硕士学位论文 钢纤维混凝土的立方体抗压强度和抗拉强度由与试验梁同批制作并同条件养护 的1 5 0 1 5 0 1 5 0 m m 3 立方体试块实测抗压强度和劈拉强度的平均值得出。 ( 3 ) 试件的成型工艺 ( a ) 模板本次试验一共采用三套钢模板。 ( b ) 浇注与振捣浇注时采用卧式浇注，模板放置在乎坦地面上，下面放置适当人小 的油毡，并在油毡上表面和模板内表面涂上层机油。将钢筋笼放入模板内，并 用大小适当的石子在底部和内侧垫出符台要求的保护层厚度，然后将拌好的混凝 土倒入模板内，边倒入混凝土边用振捣棒振捣，以表面渗出水泥浆为准。 2 。3 试验测试内容及测试方法 ( 1 ) 加载制度 试验在郑州大学环境与水利试验室2 0 0 吨压力试验机上进行。试验加载采用两点对 称集中加载，将养护好的梁吊装就位，放置分配梁，单调加载。正式加载前先进行两到 三次预加载，然后每级荷载为估算承载力的i 1 0 施加，稳定3 分钟，在预计斜裂缝丌 裂和极限荷载前一级荷载，适当降低加载等级，以便较为准确地判断正截面开裂、斜截 开裂荷载以及极限承载力。从开始加载到试件破坏，大约需要施加1 5 到2 0 级荷载，每 级衙载平稳后利用数据自动采集系统测读并记录混凝土梁上施加的荷载值、混凝土应变 值、钢筋应变值、各测点挠度值，著由读数显微镜测读裂缝宽度值、记录裂缝的开展情 况。 o kj 詈_ 、乞。h kj ：= ： 乙 图2 2 ( 2 ) 测试内容 荷载一跨中挠度曲线；纯弯段梁的压区、拉区混凝土应变以及剪跨段混凝土应变； 纵向钢筋和箍筋应变；各级荷载下的最大裂缝宽度及位置；正截面、斜截面开裂荷载及 郑州火学硕士学位论文 极限承载力；混凝土的立方体抗压强度及劈拉强度。 ( 3 ) 测点布置 如图2 2 所示，在梁的底部共布置七个百分表，位置分别在跨中、跨中两边各1 5 0 m m 、 加载点正f 方以及支座处；在跨中两边各1 2 5 r a m 和3 7 5 m m 一共贴四排、五行手持应变仪 测点；在跨中贴有五个平行、标距为8 0 r a m 的混凝土应变片，以测跨中混凝土应变；在 估i ：l - 1 4 裂缝出现的剪跨段各布置三个应变花，以测混凝土应变；在纵筋的跨中、加载点 以及估计裂缝出现位置一共贴有五个钢筋应变片，以测纵筋应变；有箍筋梁中，在剪跨 段预计裂缝开裂位置的箍筋上贴有钢筋应变片，以测箍筋应变。 郑州大学硕十学位论文 第三章试验结果的分析与讨论 钢筋混凝土构件的设计不仅要满足强度要求，而且还要满足延性要求，具有足够的 变形能力，防止结构在使用过程中发生脆性破坏，使结构具有充分的耗能能力和良好的 抗震性能。随着高层大跨建筑结构的迅速发展，高强混凝土的使用已经非常广泛，而混凝 士作为一种脆性材料，其脆性随强度的增大而提高。因此，对于地震多发区的高强混凝 士结构来说，结构的延性在设计中变得更加重要。 钢纤维高强混凝土不仅强度高，而且韧性和变形能力也能满足结构设计的延性要求 因此在建筑结构领域中已广泛地应用于高层结构转换层大梁、框架节点等音b 位。本章通 过对- 些主要的试验结果进行分析与讨论，研究剪切破坏下钢筋钢纤维高强混凝土梁的 变形能力和钢纤维对梁剪切韧性的影响。表3 1 是本次试验所得到的钢筋钢纤维高强混 凝土粱斜截面开裂荷载与极限荷载的试验结果。 表3 1 斜截面开裂荷载、极限荷载的试验结果 纵向配筋 钢纤维 混凝土强度 荷载( k n ) 剪跨比 ( m p a ) 粱的编号 配筋配筋率 体积率 数量 ( ) ( ) ， 开裂 极限 f b 一2 ，5 一o o2 ，5 2 矽2 8 3 1 5 07 0 4 ，5 44 0l5 5 f b 一2 5 0 5 一o 2 52 击2 83 1 50 57 3 45 0 85 51 2 9 f b 一2 5 一1 o o2 5 2 函2 8 3 1 51 07 l5 3 56 01 3 1 f b 一2 5 一1 5 02 52 巧2 83 1 51 57 64 g8 01 5 8 f b 一2 0 2 0 - 02 o2 2 83 1 52 o7 8 74 9 99 0 l b l ，o 一1 5 一ol _ 0 2 西2 8 3 1 51 56 8 65 8 92 0 05 1 0 f b 一1 ，5 1 5 一o 1 52 西2 8 3 1 51 57 7 95 8 9 1 2 5 3 0 4 1 屉一2 5 1 5 一o2 ，52 矗2 83 1 51 57 64 98 0 1 5 8 l b 一3 3 1 5 一o3 o2 西2 83 1 51 57 5 267 0j4 9 l b4 o 一1 5 - 0 4 02 西2 8 3 1 51 56 8 66 2 76 51 1 5 郏州大学硕士学位论文 w b 一2 5 一1 5 - - 2 92 52 西2 83 1 51 56 7 44 5 23 7 5 w b 一2 5 1 5 4 0 2 52 西2 83 1 51 5 6 1 04 7 4 4 0 w b2 5 1 5 5 22 52 西2 83 1 51 57 3 o4 4 53 5 船一2 o o 一2 92 52 彩2 83 1 507 4 56 3 77 0 w b - 2 5 - 0 4 02 5 2 2 8 3 1 5o 7 4 46 5 98 0 w b 一2 5 0 5 22 52 西2 83 1 50 6 9 55 9 07 0 注：梁的编号开头分别以“f ”、“l ) ，、“w ”，分别表示变纤维体积率、变剪跨比以及变箍筋率系列； 字母后的第一个数字表示剪跨比，第二个数字表示钢纤维体积率( ) ，第三个数字表示箍筋配筋率 ( 1 1 0 0 0 0 ) 。 3 1 斜截面破坏形态的影响因素 3 1 ，1 锅纤维体积率 试验过程中，梁的跨中和加载点处底面首先出现弯曲裂缝，随着荷载的增加，裂缝高 度稳步增长，在剪跨区内也出现高度低于纵筋中心的弯曲裂缝，当荷载接近粱的斜截面 开裂荷载时，纯弯段的垂直裂缝发展速度放缓。本次试验中素高强混凝土对照梁 f b 一2 5 - 0 0 的斜截面开裂荷载为8 0 k n ，钢纤维体积率为1 5 的梁l b 一2 5 1 5 - 0 的斜截 面开裂荷载为1 6 0 k n ，与前者相比提高了1 0 0 。可见随着钢纤维体积率的增大，梁斜截面 开裂荷载有明显的提高。初始斜裂缝产生以后，当荷载加至极限荷载的3 5 时，粱 f b 一2 5 - 0 0 的 临界斜裂缝已经形成，最大宽度达到0 0 7 r a m ，此时其他斜裂缝并未张开，且 不再有新的斜裂缝产生。相同荷载比例下梁f b 一2 5 一l _ 0 - 0 的最大斜裂缝宽度只有 0 0 4 r m n ，与主要斜裂缝平行的其他裂缝也稳步扩展，并仍有新的斜裂缝产生。当荷载加 至极限荷载的5 0 时，梁f b 一2 5 - 0 0 弯曲裂缝发展得仍然很慢，剪跨区内没有新的斜裂 缝出现，一条斜裂缝已经张开，裂缝最大宽度达到0 4 5 r a m ，并最终发展成为临界斜裂缝。 而对于钢纤维体积率较高的梁l b 一2 5 一1 5 - 0 和f b 一2 5 1 0 - 0 ，斜截面开裂以后，由于跨 越斜裂缝的钢纤维承担了混凝土开裂释放的拉应力，原有的斜裂缝稳定地向上向下延伸 并且有多条新的斜裂缝出现，当荷载加至极限荷载的5 0 时，最大斜裂缝宽度仅有 0 1 1 5 m m 和0 0 7 5 r a m 。纯弯段的垂直裂缝也不断r n 上延伸，裂缝高度超过0 5 h ，在主要的 垂直裂缝中间仍有新的细小裂缝出现。当加至极限荷载时，梁f b 一2 ，5 - 0 0 沿其临界斜裂 缝发生突然错动，伴随混凝土崩裂的巨响沿临界斜裂缝梁侧有混凝土碎块迸出，在粱的 加载点处没有产生明显的剪压破坏。而梁f b 一2 5 1 o o 和l b 一2 5 1 5 - 0 破坏时，由于 临界斜裂缝上的钢纤维被拔出而产生轻微的爆裂声，斜裂缝在纵筋中心位置处向支座延 伸发生撕裂破坏，斜裂缝迅速张开，加载点处出现明显的剪压破碎区。由于钢纤维具有微 郑州大学硕士学位论文 筋材作用并增强了斜截面上混凝土骨料的咬合力，破坏过程中没有混凝土碎块进出，且 与临界斜裂缝平行的其他裂缝也有不同程度的张开，沿破坏斜截面产生明显的破碎带。 圈3 1 ( a ) 图3 1 ( a ) 给出了基体强度为c 6 0 条件下，钢纤维体积率从0 增加到1 5 的两种不 同试验梁的破坏形态。尽管钢纤维掺入仍不能从根本上改变梁剪切破坏的脆性，但对粱 的破坏形态有明显的影响。从上图可以明显看出，在没有钢纤维的混凝土梁中，破坏面 齐整，石子沿破坏面断开，剪跨段混凝土已经明显裂成三大块，钢筋暴露出来；而钢纤 维体积率为1 5 的梁，由于斜裂缝出现的推迟，也使得梁纯弯段内的垂直裂缝得以更加 充分地发展，裂缝间距变小并且更为均匀，剪跨段混凝土从外观上看，还可以保持一个 整体，由于纤维的拔出破坏面不再齐整。 另外，钢纤维的增强作用不仅仅是体现在对开裂荷载的延迟作用上，同时开裂后对 裂缝的控制作用也是不可忽视的，如图3 1 ( b ) 所示，当斜裂缝出现后，裂缝宽度随着 荷载基本呈线性的增长，从图中的线性趋势线可以看出，随着钢纤维体积率的增长，趋 势线的斜率有所降低，也就是钢纤维的存在限制了裂缝的开展速度，而且从试验过程中 所观察的现象可以看到，钢纤维的掺入明显改善裂缝的形态，掺入钢纤维的梁裂缝出现 的更晚，而且裂缝形态更加细小、密集。 3 1 2 剪跨比 0 1 6 o 1 2 嚣0 0 8 裂 群 0 0 4 0 o o衢o ) )肼 0 ( 1垢载1 荷图 om鼬 0 郊州大学硕十学位论立 大量试验表明“，普通混凝土梁受剪时可能出现若干根斜裂缝，但当荷载增大到一 定程度时，在这若- p * t 女斜裂缝中总有一根开展得特别宽，并很快向集中荷载作用点伸展， 这根斜裂缝称为“临界斜裂缝”，普通钢筋混凝土粱的斜截面破坏形态一般随着剪跨比 的增加分为：斜压破坏、剪压破坏及斜拉破坏。 图32 斜拉破坏当剪跨比较大( 般五3 时发生此种破坏，在这种破坏形态中，斜 裂缝一出现就很快形成临界裂缝，并迅速向上延伸到梁顶的集中荷载作用点处，直至将 整个截面裂通，整个构件被斜裂缝分为两部分丽破坏。其特点是整个破坏过程急速而突 然，破坏荷载比斜裂缝形成时的荷载增加不多。斜拉破坏的原因是由于混凝土余留截面 h 剪应力上升，使截面上主拉应力超过了混凝土的抗拉强度。 剪压破坏在这种破坏形态中，先出现垂直的裂缝和几根斜裂缝。当荷载增大到一 定程度时，其中一条形成临界斜裂缝。这条裂缝虽然向斜上方向伸展，但仍保留一定的 压区混凝土截面而不裂通，直到斜裂缝顶端的混凝土在剪应力和压应力共同作用下被压 碎而破坏。它的特点是破坏过程比斜拉破坏过程缓慢一些，破坏时的荷载明显高于斜裂 缝出现时的荷载。剪压破坏的原因是由于混凝土余留截面上的主压应力超过了混凝土在 f e 力和剪力共同作用下的复合应力极限强度。这种破坏一般发生在剪比在l 3 之间。 郑卅f 大学硕士学位论文 斜压破坏在这种破坏形态中，在靠近支座的梁腹部首先出现若干根大体平行的斜 裂缝，梁腹被分割成几个倾斜的受压柱体。随着荷载的增大，过大的主压应力将梁腹混 凝土压碎而破坏。 上述三种主要破坏形态，就其受剪承载力而言，对同样的构件，斜拉破坏最低，剪 压破坏较高，斜压破坏最高。就其破坏性质而言，由于它们达到破坏时的跨中挠度都不 大，因而均属于无预兆的脆性破坏，而斜拉破坏的脆性尤为突出。 在本次试验中，采用了六个剪跨比1 0 、1 5 、2 5 、3 3 、4 0 以及4 8 作为变化参 数，图3 2 即为六种剪比下梁的破坏形态。由图可见，除了剪跨比为4 8 的梁发生受弯 破坏外，其它剪跨比在l 4 之间梁的破坏形态基本上都属于剪压破坏，并且随着剪跨 比的增大主斜裂缝的倾角有所减小，第一条裂缝出现在剪跨段的梁腹中，可称为腹剪缝， 其方向与梁的主压应力轨迹线相一致，形状呈“纺梭形”，中间宽两边细。随着荷载的 增加，该裂缝先是朝着梁的底部边缘延伸，而后向加载点扩展，断续的裂缝逐渐连成一 条整缝进而形成临界斜裂缝。由于梁的受荷底板下垂直压应力的作用，斜裂缝被阻止发 展到梁顶，当剪跨比大于2 5 时，裂缝会沿纵筋方向撕裂，透过裂缝可以清晰地看到梁 内部的钢筋。 3 2 混凝土与钢筋应变 i 舯 g t - _ 3 0 k n 心 一9 0 k n 卜2 1 0 k n 5 0 邶o 。l兮 一1 0 0 - f b 一2f i - 100 应变( i je g 删 目 应变( u 应变( i ap ) 图3 3 标距为2 5 0 r a m 的手持应变仪测得的正截面混凝土应变分布 在以前大连理工大学张宏战。1 的试验中，试验梁的跨中正截面混凝土应变的分布情 1 6 郑州大学硕士学位论文 况，以混凝土梁正截面开裂前，截面基本符合平截面假定；但是开裂后，随着荷载的增 大，平截面假定逐渐失效。 然而，如图3 ，3 所示，从本次试验中对手持应变仪所测得的数据整理结果来看，无论 是开裂前还是开裂后，截面上