（水工结构工程专业论文）钢筋钢纤维高强混凝土梁受弯性能研究.pdf

中文摘要 钢纤维高强混凝土是种性能优良的新型建筑材料，它在充分利用混凝土强度 的同时，也改善了高强混凝土的一些力学性能。本文对1 2 根钢筋钢纤维高强混凝土 梁的受弯性能进行了试验研究和理论分析，提出了适合钢筋钢纤维高强混凝土梁的 计算公式，主要内容如下： l 、阐述了钢纤维混凝土、高强混凝土、钢纤维高强混凝土的研究现状以及钢纤 维增强混凝土的理论：纤维间距理论和复合力学理论，提出本文的主要研究内容及 研究方法。 2 、通过对本文试验梁的研究，分析了钢纤维体积率、纵筋配筋率、梁高和钢种 的变化对钢筋钢纤维高强混凝土梁正截面受力性能、破坏形态、受弯承载力等的影 响提出了与钢筋钢纤维普通混凝土梁及钢筋高强混凝土梁枢衔接的钢筋钢纤维高 强混凝土粱正截面受弯承载力的计算公式。 3 、研究了钢纤维体积率、纵筋配筋率、梁高和钢种对钢筋钢纤维高强混凝土梁 开裂弯矩的影响，并与现行有关规范相结合推导了适合钢筋钢纤维高强混凝土梁的 开裂弯矩计算公式。 4 、对试验梁加载整个过程裂缝的发展情况进行描述和对比，探讨钢纤维体积 率、纵筋配筋率、梁高及钢种对钢筋钢纤维高强混凝土梁裂缝的发生和发展以及最 大裂缝宽度的影响，结合裂缝形态图对影响因素进行了分析，依据现行有关规范， 给出了钢筋钢纤维高强混凝土梁的最大裂缝宽度计算公式。 5 、分析了钢纤维体积率、纵筋配筋率、梁高和钢种对钢筋钢纤维高强混凝土梁 荷载一挠度曲线的影响，结合我国现行有关规范，提出钢筋钢纤维高强混凝土梁刚度 计算公式。 关键词：钢纤维；高强混凝土；受弯承载力：开裂弯矩；裂缝宽度：刚度 a b s t r a c t s t e e l f i b e rr 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 ei san e wb u i l d i n gm a t e r i a lw i t h e x c e l l e n tp r o p e r t i e s i tn o to n l ym a k e st h eb e s tu s eo ft h es t r e n g t ho fc o n c r e t e ，i ta l s o i m p r o v e sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e t h i sp a p e rr e s e a r c h so nt h e b e n db e h a v i o ro ft w e l v es t e e lf i b e rr e i n f o r c e d h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m s t h e c a l c u l a t i n gf o r m u l a sw h i c hs u i t s t e e lf i b e rr 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 e p r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ed e v e l o p m e n ta n dt h eu s ei nf a c to f f i b e rc o n c r e t e 、h i g h - s 心e n g t hc o n c r e t e 、 s t e e lf i b e rr 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 ea n dt h ee n g a n c e dt h e o r yo fs t e e lf i b e r ( t h e t h e o r yo f f i b e rs p a c eb e t w e e na n dt h et h e o r yo f m u l t i p l em e c h a n i c s ) a r ee x p o u n d e d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d 2 、b ym e a n so f t h er e s e a r c ho f t h et e s tb e a m s ，v a r i a b l e so f t h ev o l u m ef r a c t i o no f s t e e lf i b e r 、t h er a t i oo fl o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n t 、t h eh e i g h to f t h eb e a ma n dt h ec a t e g o r y o f r e i n f o r c i n gs t e e lb a rt h a ta f f e c tt h en o r m a lc r o s ss e c t i o n a ls t r e n g t hp r o p e r t i e s 、t h ef a i l u r e m o d ea n dt h ef l e x u r a lc a p a c i t yo fs t e e lf 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 e a n a l y s e d t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gn o r m a ls e c t i o ns t r e n g t ho ff l e x u r a ls 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 si sp u tf o r w a r d w h i c hi sc o n n e c t e dw i t l l t h o s eo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dp l a i nc o n c r e t eb e a m sa n dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m s 3 、t h ev a r i o u sf a c t o r so f t b ev o l u m ef r a c t i o no f s t e e lf i b e r 、t h er a t i oo f l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t 、t h eh e i g h to ft h eb e a ma n dt h ec a t e g o r yo fr e i n f o r c i n gs t e e lb a ra f f e c t i n g c r a c k - r e s i s t a n tm o m e n to fs t e e lf 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 es t u d i e d t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gc r a c k - r e s i s t a n tm o m e n to fs t e e lf i b e r - r e i n f o r c e dh i g h - s t r e n g t h c o n c r e t eb e a m si sp r e s e n t e d w h i c hi sc o n n e c t e d 讪t hc r i t e r i o no f p u t t i n gi np r a c t i c e 4 、t h ed e v e l o p m e n to f t h ec r a c k si nt h ew h o l el o a d i n gc o u r s ea r ed e s c r i b e da n d c o n t r a s t e d t h ef a c t o r so ft h ev o l u m ef r a c t i o no fs t e e lf i b e r 、t h er a t i oo fl o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t 、t h eh e i g h to ft h eb e a ma n dt h ec a t e g o r yo fr e i n f o r c i n gs t e e lb a ra f f e c t i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h ec r a c k sa n dt h ew i d t ho ft h eb i g g e s tc r a c ki ns t e e lf i b e r - r e i n f o r c e d h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m sa r er e s e a r c h e d ，a n da n a l y s et h ea f f e c t i n gf a c t o r sc o n s u l t i n g w i t hc r a c kp i c t u r e s a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no fc h i n a , t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h e w i d t ho ft h eb i g g e s tc r a c ko fs t e e lf 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 si s e s t a b l i s h e d 5 、t h ev a r i o u sf a c t o r so f t h ev o l u m ef r a c t i o no f s t e e lf i b e r 、t h er a t i oo f l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t 、t h eh e i g h to ft h eb e a ma n dt h ec a t e g o r yo fr e i n f o r c i n gs t e e lb a ra f f e c t i n g i i 1 0 a d _ d e n e c t i o nc 1 n v e so fs t e e lf 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 ma r ea n a l y s e d ， o nt h eb a s i so f t h ec r i t e r i o no f c h i n a , t h ef o r m u l af o rc a l c d a t m gf l e x u r a lr i g i d i t yo f s 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 si sp u tf o r w a r d 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 ；f l e x u r e c a p a c i t y ；c r a c k r e s i s 切n t m o m e m ；t h ew i d t ho f c r a c k ；r i g i d i t y i l l 飞 ，8 2 9 0 9 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) ： 勃艳一 2 0 0 5 年0 5 月2 4 日 型壁型丝墼 星! 堑塑 第一章绪论 摘要：本章简述了国内外钢纤维混凝土、高强混凝土、钢纤维高强混凝土的研究 及应用概况，介绍了钢纤维增强混凝土的纤维间距理论和复合材料理论， 阐述了本文试验的主要研究内容。 关键词：钢纤维；梁；混凝土；高强混凝土；钢筋；增强理论 1 1 钢纤维混凝土国内外研究及应用概况 混凝土作为目前土木工程中最基本的建筑材料，己被人们广泛使用。但由于传 统的混凝土强度普遍较低，耐久性较差，使得很多结构物由于混凝土性能不良而过 早破坏，造成严重的经济损失。为了改善混凝土性能，提高混凝土的使用经济效益， 人们开始在混凝土中加入其他材料以提高混凝土的各项性能。钢纤维混凝土( s t e e l f i b e rr e i n f o r e e d c o n c r e t e ，简写为s f r c ) 就是其中比较有效的增强材料。钢纤维 混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新 型复合材料。它是近些年来迅速发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。 其中所掺的钢纤维是用钢质材料加工制成的短纤维，目前常用的有：切断型钢纤维、 剪切型钢纤维、铣削型钢纤维、熔抽型钢纤维等。钢纤维在纤维混凝土中的主要作 用是限制混凝土中裂缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显 著的提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善，使原属于脆性材 料的混凝土变成了具有一定塑性性能的复合材料。 1 1 i 国内外研究概况 钢纤维混凝土出现于本世纪初，早在1 9 0 7 1 9 0 8 年间，苏联专家便将钢纤维应 用到了混凝土中，从而开创了钢纤维混凝土的历史。1 9 1 0 年，美国的h f p o r t e r 发 表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告。1 9 1 1 年，美国的g r a h a m 曾把钢纤维掺入 普通钢筋混凝土中，得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果。到了2 0 世纪4 0 年代，美国、法国、英国、德国等先后公布了许多关于用钢纤维混凝土补强混凝土 结构方面的专利，但一直都没有将钢纤维混凝土实用化。直到1 9 6 3 年j p r o m u a l d i 和g b b a t s o n 等人先后发表了一系列关于钢纤维增强混凝土机理的文章，提出了纤 维间距理论后，有关钢纤维的研究和应用才开展起来。1 9 6 6 年，美国混凝土学会增 设了纤维混凝土委员会，1 9 6 9 年，美国批准了“混凝土和钢材组成的二相材料”专 利，为以后钢纤维混凝土技术韵发展奠定了基础。但是由于钢纤维的造价较高，这 郑张大学硕士学位论文 第一章绪论 也是阻碍钢纤维混凝土实际应用的一个很重要的方面。到了2 0 世纪7 0 年代，美国 b a t t e l l e 公司开发了熔抽技术，大大降低了钢纤维的造价，为钢纤维的使用创造了 条件。此后2 0 年间，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究得到了普遍 重视，尤以日本、美国、英国进展最快。 为了增加各国之间的交流，编制钢纤维混凝土统一的试验方法标准和设计施工 规程，推广了钢纤维混凝土的应用。1 9 7 3 年在加拿大渥太华举办了“纤维混凝土国 际研讨会”，1 9 7 5 年在伦敦由国际材料及结构试验联合会主办召开了“纤维水泥与混 凝土国际研讨会”，1 9 8 4 年a c l 5 4 4 委员会纤维混凝土委员会在d e t r o i t 举办了“纤 维增强混凝土研讨会”，1 9 8 5 年在瑞典s t o c k h o l m 举办了“纤维增强混凝土性能与应 用研讨会”，1 9 8 9 年在英国威尔士大学举办了“纤维增强水泥与混凝土最新发展国际 会议”，1 9 9 0 年在美国麻省b o s t o n 举办了“纤维增强水泥及材料研讨会”，1 9 9 1 年 在法国s t u t t g a r t 大学举办了“高性能纤维水泥复合材料研讨会”，1 9 9 5 年在美国 m i c h i g a n 大学举办了“第二届高性能纤维水泥复合材料国际研讨会”，1 9 9 7 年在中 国广州举办了“纤维水泥及纤维混凝土国际会议”。通过这些会议的交流和讨论，美 国和日本先后制定了纤维混凝土分类、拌和及浇筑成型指南，并于1 9 9 3 年进行 了修订。日本土木工程学会和混凝土协会先后制定了钢纤维混凝土设计指南和 纤维混凝土试验方法标准，为我国钢纤维混凝土设计与施工规程的制定提供 了有力的依据。 我国对钢纤维混凝土的研究较晚，2 0 世纪7 0 年代后期才开展了对钢纤维混凝土 的研究。最早由国防科委和中国建筑材料科学研究院开始，1 9 7 8 年以来西安空军工 程学院、大连理工大学、哈尔滨建筑大学、东南大学、郑州大学、华北水利水电学 院、浙江水利水电科学研究所等高等院校和科研单位进行了大量关于钢纤维混凝土 基本力学性能及其结构性能的研究，同时也对现场的施工工艺进行了研究。随着钢 纤维混凝土在实际工程中的不断应用，我国也有待制定适合实际工程的设计与施工 规程。1 9 8 6 年“第一届全国纤维水泥制品与纤维混凝土学术会议”在大连召开，自 此以后国内有关钢纤维混凝土的试验和应用研究逐渐活跃。到目前为止先后召开了 十届会议，分别是：第一届，1 9 8 6 年1 0 月在大连；第二届，1 9 8 8 年8 月在哈尔滨； 第三届，1 9 9 0 年1 1 月在武汉；第四届，1 9 9 2 年1 1 月在南京；第五届，1 9 9 4 年1 0 月在广东南海市；第六届，1 9 9 6 年1 1 月在重庆；第七届，1 9 9 8 年1 2 月在井冈山； 第八届，2 0 0 0 年l o 月在济南；第九届，2 0 0 2 年1 0 月在郑州；第十届。2 0 0 4 年1 1 月在上海：拟定第十一届于2 0 0 6 年在大连召开。并于1 9 9 1 年在大连成立了“中国 土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会”。中国工程建设标准化 协会分别于1 9 8 9 年和1 9 9 2 年先后批准实施了钢纤维混凝土试验方法( c e c s l 3 ：8 9 ) “”和钢纤维混凝土结构设计与施工规程( c e c s 3 8 ：9 2 ) 。3 ，并于2 0 0 4 年将钢纤维 混凝土结构设计与施工规程修订成为纤维混凝土结构技术规程 郑蛳大学硕学位论文 第一章绪论 ( c e c s 3 8 ：2 0 0 4 ) 3 。这两项规程的颁布标志着钢纤维混凝土在我国的研究与应用进入 了一个新的阶段。 1 i 2 钢纤维混凝土的应用 钢纤维混凝土作为一种新型复合材料， 的应用，它所应用的范围遍布于建筑工程、 1 、建筑工程 自1 9 6 3 年来，在实际工程中得到了不断 水利工程、交通工程、铁路工程等。 钢纤维混凝土在建筑工程中一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、 屋面防水工程、地下防水工程等工程中。如在抗震框架节点中使用钢纤维混凝土， 能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，还能提供类似于箍筋约束 混凝土的作用，提高节点的剪压比限值，并解决节点区钢筋拥挤使混凝土难于浇注 的旄工问题；钢纤维混凝土还具有良好的抗裂性，可使构件在标准荷载下处于线弹 性阶段而不开裂，不出现应力的重分布。用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面 板，不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能，同时也减少了纵向预应力筋的配 筋率，提高了结构的耐久性。实例有：福州东方大厦、沈阳商业城、沈阳师范学院 学术报告厅、江苏省丹阳市中心医院、吉林北园之春大酒店等工程。 2 、水利工程 钢纤维混凝土在水利工程中的应用也比较多，主要用于受高速水流作用以及受 力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、消力池、闸底板和渡槽、大坝防渗面板等。 这些位置对混凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以及抗裂性能的要求都比较高， 也正发挥了钢纤维混凝土的自身优势。目前在实际中应用的有：小浪底水利枢纽工 程、三峡工程、葛洲坝水利枢纽工程、杭州市德胜坝工程等。 3 、交通工程 在交通工程方面钢纤维混凝土主要在公路路面、桥面铺装、机场跑道等工程领 域使用。利用钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性，抗冲击、抗疲劳性。目前 已完成的工程项目有：北京东四环路立交桥、沪航高速公路、贵州乌江大桥、三峡 工程乐天溪大桥、广西静兰大桥等工程。 4 、铁路工程 钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及铁路 桥面防水保护层等工程中。铁路工程要承受较大的荷载、较高的速度和数万次的振 动，所以要求混凝土必须具有较高的强度、较高的抗冲击性及较大的塑性。这正利 用了钢纤维混凝土的抗冲击性及较好的塑性。铁路上使用钢纤维混凝土建成的工程 有：柳州铁路局黔桂铁路铺设工程、沈阳铁路局长大线维修工程等。 除了上述领域外，还有很多钢纤维混凝土的应用实例，如薄壁蓄水结构、预制 郑娲大学硕士学位论文 第一章绪论 板、预制成型的耐火材料、抗爆结构等。 1 2 钢纤维高强混凝土国内外研究及应用概况 1 2 1 高强混凝土的特性 随着现代结构向高层、大跨、重载方向的发展，人们对混凝土材料强度的要求 也越来越高，这样高强混凝土也逐渐被应用到实际工程中。高强混凝土出现于2 0 世 纪3 0 年代，它是随着水泥品种的不断增加和外加剂( 减水剂、引气剂等) 的不断出 现而逐渐产生的。直到7 0 年代以来，高强混凝土才作为一种新的材料被越来越广泛 地应用到世界土木工程中。目前由于各国各自的认识、实践、应用范围和目的要求 的不同，对高强混凝土的定义和解释也有所不同，我国一些研究者认为，高强混凝 土是高性能混凝土的一种，它是以普通的水泥、砂、石为原料，采用常规的制作工 艺，主要依靠外加高效减水剂，或同时外加一定数量的活性矿物材料，使拌和物具 有一定的工作度，并在硬化后具有一定强度的混凝土。而高性能混凝土除了具有高 强混凝土的特性以外，还必须具有较高的流动性和较高的耐久性。目前对高强混凝 土还没有统一的定义，所谓的高强只是相对的，我国把抗压强度大于c 5 0 的混凝土 定义为高强混凝土。 高强混凝土相对于普通混凝土来说有它自身的优势，它的重要特点是：强度高、 变形小、耐久性好，能适应现代结构向高耸、大跨、重载方向的发展，而且高强混 凝土在配制时，由于减水剂等外加剂的加入，使高强混凝土具有流动性好、坍落度 大、早强等性能，因而便于浇筑并能加快试模的利用率。对于结构物来说，采用高 强混凝土可以减小截面的尺寸，也就是减轻构件自重；还可以增加配筋率，也即提 高了构件的承载力。就高强混凝土本身组成来说，它较普通混凝土更加密实，抗渗、 抗冻性能都优于普通混凝土。 但是，高强混凝土也有它的不足：首先，高强混凝土在浇筑时，对原材料的要 求比较高，如浇筑前要对粗骨料进行冲洗，捡出其中的胶泥块和杂物等：其次，就 是高强混凝土的用水量对混凝土强度的影晌很大。所以，除了按配合比之外，还要 根据所用机械的面积，浇筑时温度情况来控制用水量，尤其对于远距离运输更应注 意。 相对于普通混凝土，高强混凝土在性能上的缺点在于：延性较差、极限变形小； 虽然抗压强度和抗拉强度较普通混凝土有一定的提高，但抗拉强度和抗压强度的比 值较普通混凝土有所减小；高强混凝土在减小截面尺寸的同时也造成了构件刚度的 减小等。为了弥补高强混凝土这种材料性能的不足，研究者采用在高强混凝土中加 入纤维的方法加以改进，取得了较好的效果。 4 郄熄大学硬士学谴论文 第一章缝论 1 2 2 钢纤维高强混凝土国内外研究现状 在普通混凝土中加入钢纤维可以使混凝土的抗剪、抗弯、抗拉强度等都有所提 高，同时也大大改善了普通混凝土的抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性。而对于 钢筋钢纤维普通混凝土构件，国内外的大量研究结果表明：钢纤维在钢筋混凝土构 件中起到了阻裂、增强、增韧作用，从而使钢筋混凝土构件的抗弯、抗剪、抗冲击 强度以及断裂韧度、抗疲劳性能、开裂荷载等都有明显的提高。 为了改善高强混凝土的不足，国内外研究者也采用在高强混凝土中加入纤维的 方法。钢纤维高强混凝土就是在高强混凝土配料的基础上加入钢纤维而形成的复合 材料。它除了具备高强混凝土的优点之外，还克服了高强混凝土的不足，目前国内 外对钢纤维高强混凝土进行了初步的试验研究和理论分析，尤其对钢纤维高强混凝 土基本力学性能的研究基本上己形成体系，对钢筋钢纤维高强混凝土构件也有了一 定的研究。具体情况如下： l 、t a t s e n gl o k “7 1 等和h v d w a r a k a n a t h ”6 1 等分别对钢纤维高强混凝土的弯曲 韧性和钢纤维高强混凝土的抗弯强度进行了试验研究，综合评价了钢纤维高强混凝 土抗弯性能，并给出了合理的抗弯强度计算公式。 2 、s a m i ra a s h o u r “”1 等对钢筋钢纤维高强混凝土梁的抗弯、抗剪性能进行了 试验研究。试验表明：钢纤维的加入，提高了混凝土梁的韧性，抑制了裂缝的发生 和发展，改善了梁的破坏形式，提高了抗剪强度；同时由于钢纤维的加入，提高了 梁的刚度，减少了给定荷载下的挠度。 3 、东南大学的刘伟庆哪等对钢纤维高强混凝土梁的刚度进行了试验研究。试验 采用的钢纤维混凝土的强度等级为c f 6 0 c f 8 0 ；钢纤维体积率变化为：0 、1 0 、 1 5 ；共浇筑了1 3 根试验梁。试验表明：钢纤维高强混凝土梁与同等级的钢筋混凝 土梁相比，抗裂荷载提高3 5 5 0 ，正截面承载能力提高1 0 左右；短期荷载下最大 裂缝宽度随纤维含量增大而减小，同级荷载下刚度显著增大，延性得到了改善。 4 、大连理工大学的张远鹏、华北水利水电学院的孙晓燕“”、郑州大学的汤寄 予“1 、谢丽“”等在新旧规范修订前后，分别进行了钢纤维高强混凝土抗压强度、劈拉 强度、抗剪强度、抗弯强度和弯曲韧性与粘结性能的试验研究，并给出了相应的计 算公式推导。试验研究表明，钢纤维对高强混凝土的抗压强度提高不大，但是改变 了试件的破坏方式、对劈拉强度、抗折强度有着明显的提高，弯曲韧性也有所增强。 5 、大连理工大学的林涛”1 做了钢筋钢纤维高强混凝土梁抗弯性能的试验研究。 采用的变化参数为：钢纤维类型、钢纤维体积率、配筋率、混凝土强度等四种，共 2 5 根梁。结果表明，钢筋钢纤维高强混凝土梁的开裂荷载和极限荷载及受压区边缘 的最大压应变都随着钢纤维含量的增大而提高；钢纤维高强混凝土粱的延性随着钢 纤维体积率的提高得到了较明显的改善，同时还改变了最终的破坏形态；钢纤维类 型对梁抗弯性能的影响不是特别明显；基体强度对适筋截面梁的抗弯能力的影响不 郑阳大学硕士学位论文 第一章绪论 大。 1 3钢纤维增强混凝土的基本理论 目前国内外对钢纤维混凝土增强机理的研究主要有两种基本理论：复合力学理 论和纤维间距理论。 l _ 3 1 复合力学理论 该理论将复合材料视为一多相系统，假定纤维与基体不产生横向变形，开裂前 纤维和基体粘结良好，有相同的弹性变形，应用混合原理来推求纤维混凝土的应力、 弹性模量和强度等，并考虑复合材料在拉伸方向上有效纤维体积率的比例和非连续 性短纤维的长度和取向的修正以及混凝土的非均匀特性。对于沿单一方向用长纤维 增强的复合材料，当沿纤维的分布方向施加拉力时，复合材料应力的混合法则为： 盯= 盯。( 1 一p ，) + 盯，尸， ( 1 1 ) 式中：盯一复合材料的拉应力； 盯。、盯，一基体和纤维的拉应力； p ，一纤维体积率； 由于纤维和基体的变形相同，由式( 卜1 ) 得： 等= 警c 1 - p ，+ 等p ，d sd 、。d s i 当纤维和基体均为弹性材料时，上式变为： e = 占。( 1 一乃) 3 - e ，p ， ( 1 2 ) 式中：e 、风、e ，分别代表复合材料、基体和纤维的弹性模量。 对于钢纤维混凝土，钢纤维在混凝土中是乱向分布的，而且其破坏一般是由钢 纤维从混凝土中被拔出所致，因此，如果把式( 卜1 ) 和式( 卜2 ) 应用于钢纤维混 凝土的计算时，需考虑钢纤维分布的方向性和纤维与基体间粘结强度的影响。对于 直径为d ，长度为，的钢纤维，当钢纤维不平行于荷载作用方向时，其有效长度为在 荷载方向的投影长度，( 为钢纤维的方向系数) 。由于钢纤维的拔出长度在o 6 郑确大学硬士学位论文 第一章绪论 j 1 仉，之间变化，其平均拔出长度为言叩。o ，若平均粘结力为r ，则根据平衡关系： 砝m f = 去积f 1 叮f 即得：d r ，= 订，d ， ( 卜3 ) 将式( 卜3 ) 代入( 卜1 ) 得： 盯= 盯。( 1 一p 1 ) + 叩目妒，d ， ( 1 4 ) 令以= p l ，d ，为钢纤维含量特征参数，代入( 卜4 ) 式得： d r = 盯，( 1 一乃) + 硝丫 ( 1 5 ) 上式为钢纤维混凝土复合材料应力计算的数学模型。 1 3 2 纤维间距理论 纤维间距理论首先是由r o m u a l d i 和b a t s o n 在1 9 6 3 年提出来的。该理论使用线 弹性断裂力学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用，认为欲增强混凝士这种本 身带有内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减小内部缺陷的尺寸，提高 韧性，降低裂缝尖端的应力强度因子。而钢纤维的加入，能约束裂缝的产生和发展， 起到了降低应力强度因子、减缓裂缝尖端应力集中的作用。 纤维间距理论认为，如果设拉应力引起的内部裂缝端部应力强度因子为置，与 裂缝端部相邻近的纤维与混凝土间的粘结应力f 产生的起约束作用的反向应力场的 应力强度因子为足，则总的应力强度因子k 就将减小，即： k = k 。一k 2 5 r a m ) 石子筛分出去，并将石子反复冲洗干净，拣出针片状颗粒、胶泥块等杂物。 在浇筑钢纤维高强混凝土时，由于较低的用水量、较高的水泥用量和使用相对小粒 径的粗集料，使得混凝土的搅拌与传统混凝土相比较为困难。因此，为提高混凝土拌 合物的均匀性并避免离析，在钢纤维高强混凝土中使用了外加剂并延长了搅拌时间； 为使钢纤维分布良好并避免结团现象，采用的加料顺序为：砂一水泥一石子一钢纤 维一水。即先将水泥、砂和石子搅拌均匀，然后人工将钢纤维撒入，利用石子将钢 卞怿七嬲 。i、 型壁壁丝墼 篓兰! 型塑 纤维分散开来，以防止钢纤维结团，最后加水搅拌2 分钟左右即可。 i1i 2 。竺，卜l f乒，r f 虽i 乓b 忐些坐型。 图2 - 2 试验梁的配筋及断面图 斗 本次试验的所有构件都是在室外的水泥地面上浇筑的，地面平整。所用试模侧 面为钢模，底面是在原有地面上铺油墨毡。在浇筑构件的同时，每根构件还要浇筑 用于测试抗压强度和劈拉强度的伴随试块各三块和温度补偿块一块。根据钢纤维 混凝土试验方法标准的规定，伴随试块采用1 5 0 m a x1 5 0 m - n x1 5 0 a m 的立方体试块。 当试模支好以后，将绑扎好的钢筋笼放入试模内，笼底与地面相距2 5 r a m ( 保护层的 厚度) ，然后就可以将搅拌好的钢纤维混凝土傻入试模内了，构件浇筑时用振捣棒振 捣，振捣方式采用倾斜插入式振捣，振捣要充分，以防底部不密实，但时间也不能 过长，太长会导致上部形成纯砂浆层，这样对整个构件的受力有定的影响。试件 浇筑完成2 4 小时后即可拆模，拆模后要注意对构件的撒水养护。由于夏天水份蒸发 较快，拆模初期每天浇水至少2 - 3 遍，并在试件上覆盖塑料布阻减少水份的蒸发，7 天后。每隔2 天浇水养护一次，直到龄期2 8 天为止。 郑髑大学硕士学位论文 第二章试验概况 2 2 1 量测内容及方法 2 2 试验方法及试验结果 试验采用2 0 0 0 k n 的压力试验机进行加载，量程取为5 0 0 k n ，加载方式为三分点 对称加载，中间部分形成纯弯段，见图1 所示。 ( 1 ) 钢筋应变测量 本次试验设计有钢筋应变的测量，使用的是长度x 宽度= 5 m m 3 m m 的钢筋应变 片，分别布置在粱的跨中及左右4 5 0 r a m 和9 0 0 啪处( 见图2 2 ) 。具体方法如下：贴 片前，应对贴片处钢筋进行打磨，首先用电动打磨机将钢筋表面有肋处打磨平整； 然后用锉刀和砂纸将贴片处磨平打光；再用脱脂棉沾炳酮擦试掉表面的灰尘，并在 贴片处摸上一薄层环氧；最后将钢筋应变片顺着纵筋方向放上( 注意：不要使引线 粘上环氧树脂) ，用一大小相仿的塑料薄膜盖在其上，用中指指肚轻轻按压，使钢筋 应变片与钢筋粘结完好。由于夏天温度较高，为了使环氧能完全固化，一般要停上 一天左右的时间才可撕去贴在表层的塑料薄膜，然后将钢筋应变片上的引线与要引 出的导线焊接在起，并用纱布蘸环氧将焊接处和贴片处包裹起来，以防水份的进 入使钢筋应变片破坏。这样就完成了钢筋应变片的粘贴工作，大约让纱布上的环氧 固化两天后，用欧姆表和万用表检测钢筋应变片粘贴的情况是否良好。钢筋应变数 据的采集使用全自动数据采集仪。 ( 2 ) 混凝土应变测量 对混凝土应变的测量，采用的是长宽= 8 0 r a m x 5 m m 的混凝土应变片，阻值大约 为1 2 0 8 欧姆左右。贴片位置为梁跨中的侧面，采用中线上方贴三片混凝土应变片， 中线下方两片的贴片形式，最上和最下两片应变片尽量处于梁边缘处。贴片前，先 把要贴片处用砂纸打磨平，再用炳酮将表面擦试干净，沿梁长方向刷上一薄层环氧， 然后将混凝土应变片以尽量平行于梁长上边缘贴上，并在混凝土应交片上覆盖与其 差不多大小的塑料薄膜，同样用中指指肚轻轻按压，将应变片与梁体及应变片与塑 料薄膜之间的气泡尽量都赶出来，否则对应变的测量不利。这样就完成了混凝土应 变片的粘贴工作。混凝土应变数据同样也用全自动数据采集仪采集。在梁体上除了 贴有混凝土应变片外，还使用了手持应变仪来测量梁的变形情况。手持应变仪标角 的具体粘贴位置见图2 t ，本次试验采用手持应变仪主要是考虑到当荷载达到一定程 度时，混凝土应变片就会达到其极限应变而被拉断，中断数据的采集，而此时梁往 往还没有达到最大变形，所以采用手持应变仪与混凝土应变片相结合，来测定梁截 面和中性轴的变形情况。 ( 3 ) 挠度的测量嘧。1 本次试验用百分表测量梁的挠度，百分表布置在梁跨中、左右1 5 0 m m 、4 5 0 m m 及 支座处，共7 块百分表，试验中采用百分表磁性表座将百分表固定在加载仪底盘上。 郑阳大学硕士学位论文 第二章试验橇况 百分表数据的采集仍然采用全自动数据采集仪。 2 2 2 具体试验过程 首先，准备好试验中所用到的一切试验仪器( 对数据采集仪、百分表和传感器要 事先调试、标定好) ，并将仅器就位。对试验梁侧面进行刷白处理，待白灰晾干后用 细墨线将侧面分成l o c m x5 c m 的长方形块，目的是为了方便发现裂缝和对裂缝起始、 发展位置的读取。同时用欧姆表和万用表量测钢筋应变片引出的导线桥路是否相通 及与钢筋的绝缘情况。停上大约一个上午，等白灰和墨线完全干燥后，开始在梁侧 面粘贴混凝土应变片和手持应变仪标角( 用来安放手持应变仪) ，为了试验的连续性， 可能会同时在几根梁上粘贴混凝土应变片和标角，这样就导致了混凝土应交片长时 间与外界接触，容易使混凝土应变片受潮，影响测试结果。我们采用在混凝土应变 片表面涂抹薄层环氧的方法来防止混凝土应变片受潮。待环氧完全固化后，就可 以进行下面的工作了。 其次，把试验梁按放到2 0 0 0 k n 压力试验机的小车上，并在试验梁上安放分配梁， 调整对中，使梁的中线、试验机小车的中线及分配梁的中线相重合。把从数据采集 仪上引出的导线与钢筋应变片和混凝土应变片上的对应引线焊接在一起，同时也把 百分表与数据采集仪上对应的接头连接起来，并将百分表固定到磁性表座上放置到 规定的位置。然后将小车推入就位；调试数据采集仪，直到屏幕上显示的数据都比 较稳定为止。 最后，打开压力试验机，送油至小车脱离地面；将传感器按放到分配梁上，对 中并与数据采集仪相连；然后将数据采集仪初始化，这样就可以开始对试验梁进行 预压加载了。 加载过程如下： ( 1 ) 预加载“ 每根梁加载前都要对其进行预加载，预加载量按计算极限荷载的十分之一加载， 一般预加载2 到3 次，预加载值一定要小于开裂荷载值的百分之七十。预加载的目 的是： a 、使试件各部接触良好，能够进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳 定。 b 、检查全部试验装置的可靠性。 c 、检查全部仪表工作正常与否。 d 、检查现场工作人员的情况。 如果预加载没有什么问题，就可以开始正式的加载了。 ( 2 ) 正式加载 在达到预计极限荷载以前，每级加载值不应大于预计极限荷载的2 0 ，一般分五 级加至预计极限荷载。由于有抗裂研究的要求，所以在荷载达到预计抗裂荷载的9 0 时，为了精确期间，每级加载值改为不大于预计荷载值的5 。开裂后，仍然按预计 极限荷载的1 0 进行加载，当荷载达到预计极限荷载的9 0 时，每级加载值也改为不 大于预计极限荷载值的5 进行加载，直到构件破坏。 ( 3 ) 卸载 卸载可以按加载级距进行，或者加大级距。本次试验采用分两次卸载完毕。 2 2 3 试验数据汇总 所有试验梁正截面受弯时的开裂荷载、开裂弯矩、极限荷载、极限弯矩及相应 伴随试块的抗压强度和劈拉强度见表2 3 。 表2 3 试块抗压、劈拉强度及试验梁开裂、极限荷载汇总表 实测值 平均抗平均劈 试件编号压强度拉强度 开裂荷载开裂弯矩极限荷载受弯承载力 口am p a k n( k nn n )k n ( k n m ) 2 一1 5 一i i 一3 0 0 8 46 0 91 4 9 6 7 0 54 01 8 1 一1 5 一- 3 0 0 8 1 56 2 41 2 7 5 7 1 53 51 5 7 5 2 1 5 一i 一3 0 0 7 2 14 5 9 4 52 0 2 5 1 9 0 8 5 5 2 廿i 一3 0 0 7 0 73 9 3 2 51 1 2 5 1 8 0 8 1 4 一l ，5 _ r 一3 0 0 8 4 451 6 4 5 2 0 2 5 1 2 6 2 8 0 3 一1 5 1 i i 一3 0 0 8 14 9 3 2 0 2 5 2 5 l 1 1 2 9 54 5 2 珈5 一一3 0 0 6 7 34 5 9 1 5 7 5 1 7 8 8 0 13 5 2 1 0 _ 一i 一3 0 0 6 8 35 2 7 2 0 2 5 1 8 4 8 2 84 5 2 2 o 一一3 0 0 8 6 66 4 3 2 2 5 2 1 0 9 4 5 5 0 2 一1 5 一一2 5 0 7 6 36 1 6 4 01 8 1 5 5 6 9 7 5 2 一l ，5 一i 一2 0 0 8 06 2 2 1 1 2 5 1 1 6 2 55 2 2 2 1 5 一m 一3 5 0 7 5 865 5 5 4 2 4 31 0 1 2 5 2 2 5 注：2 1 5 一i i i 一3 0 0 分别表示：配筋率钢纤维体积率钢种一梁高 试验梁的破坏形态见附图。 塑塑奎兰壁圭釜垒连壅；! 三章诵簸钢纾维高强混凝粱芷截面受弯承载办许篝方法 第三章钢筋钢纤维高强混凝土梁正截面受弯承载力计算方法 摘要：通过1 2 根钢筋钢纤维高强混凝士梁正截面受力性能的试验研究，探讨了粱从 加载到破坏整个过程受力变形的特点，分析了钢纤维体积率、纵筋配筋率、 梁高和钢种对正截面受弯承载力的影响。根据试验的结果，结合现行有关规 范，提出了适合钢筋钢纤维高强混凝土梁的正截面受弯承载力计算方法和公 式。 关键词：梁：钢纤维；极限承载力：高强混凝土；应变；应力 3 1试验结果分析 3 1 1钢筋钢纤维高强混凝土梁受力变形的特点 本文试验的1 2 根梁均为适筋梁破坏特征，其受力变形在各个阶段具有如下特点 ( 1 ) 开始加载到开裂阶段 通过观察1 2 根钢筋钢纤维高强混凝士梁的试验现象和试验得到的荷载一挠度曲 线，可以清晰的看到：在加荷初期，梁承受的弯矩很小，截面的应变也很小，荷载一 挠度曲线呈线性上升，加载前构件本身已有的粘结裂缝十分稳定，没有发展的迹象。 混凝土处于弹性工作阶段，应力与应变成正比，钥纤维的增强作用并没有得到发挥。 随着荷载的进一步增加，混凝土应力和应变也在不断增加。 当荷载达到极限荷载的2 5 左右时，钢筋钢纤维高强混凝土梁的受拉区混凝土应 变到达混凝土的极限拉应变，受拉区开始出现细小的裂缝，呈现出较大的塑性变形。 此后再增加荷载，拉区混凝土就会开裂。但由于钢纤维的掺入，加钢纤维的混凝土 梁的开裂荷载较无钢纤维的混凝土对比梁提高很多，且随钢纤维体积率的增加，提 高的程度也不断增加，最大可提高约一倍。对于含有钢纤维的混凝土梁，由于出现 裂缝的截面处存在着一定量的钢纤维，所以对裂缝的开展起到了一定的抑制作用， 致使钢筋钢纤维高强混凝土梁表面的裂缝出现较晚，发展较缓慢。钢纤维的这种作 用，同样使开裂后的梁的刚度比无钢纤维混凝土梁的刚度有了很大的提高。此时， 受压区混凝土的压应力还远远小于混凝土的抗压强度，所以压区混凝土仍处于弹性 阶段。 ( 2 ) 开裂到钢筋屈服阶段 弯矩