（水工结构工程专业论文）钢筋钢纤维混凝土牛腿力学性能试验研究.pdf

摘要 f f 剪跨比口h o 1 的短钢筋混凝土牛腿，其受力性能接近于悬臂深梁，在 、 建筑结构中是支承屋架、屋面梁、托架、托架粱、框架梁、墙梁和吊车梁等 的重要构件。短牛腿与深梁、桩帽基本上属于非受弯构件，其计算理论相对 复杂、计算方法也不尽一致。我国规范对于牛腿的设计规定，牛腿尺寸的确 定以斜截面抗裂作为控制条件，纵筋用量的确定以弯压破坏模型为基础，根 据静力平衡条件得到承载力的计算公式，按照极限状态设计方法计算得到， 箍筋用量则按照构造要求确定。 钢纤维混凝土是在混凝土中加入能起到增强、增韧和阻裂作用的钢纤维 所形成的新型复合材料。钢纤维削弱了混凝土微裂缝尖端的应力集中、限制 并约束裂缝的产生和开展、减小裂缝宽度、尤其是通过粘结作用提高了裂后 混凝土的整体性，从而使混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度显著提高，其抗冲 击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大程度的改善。因此，在配筋密集的 牛腿中使用钢纤维混凝土可以避免设计时繁杂的配筋计算、减小施工难度， 同时在牛腿截面尺寸不能增大的情况下，可以通过加入钢纤维来提高钢筋混 凝土牛腿的承载力和抗震性能，用钢纤维加入钢筋混凝土牛腿已成为一种实 用方法受到了国内外学术界和工程界的极大关注。 到目前为止，国内外学者已研究了剪跨比、混凝土强度、配筋率( 包括 纵向钢筋和箍筋) 、水平荷载与垂直荷载之比等因素对钢筋钢纤维混凝土牛 腿受力性能的影响，对牛腿的抗裂计算和承载力的计算，国内外学者曾提出 了基于数理统计分析、弯压模型和桁架模型等的一系列计算方法和计算公 式。相对而言，国外的研究比较系统，但建议的计算公式系数较多、计算复 杂，更难以与国内的计算体系相协调；国内的研究深度不够，也很不全面。 另外，承载力的计算公式也是针对牛腿受弯破坏建立的，对牛腿受剪性能的 研究还比较少。国内现行的钢纤维混凝土结构设计与旋工规程( c e c s 3 8 ： 9 2 ) 也没有相关的内容，使得钢筋钢纤维混凝土牛腿的设计无章可循。，为了 我国新修订的钢纤维混凝土技术规程中增加钢筋钢纤维混凝土牛腿设计 方法的有关内容，根据规程修订组的分工与安排，在河南省杰出青年基金项 目的资助下，本文进行了2 2 个钢筋钢纤维混凝土牛腿试件的试验研究，比 较系统地研究了钢筋钢纤维混凝土牛腿的受力性能，提出了适应于钢筋钢纤 维混凝土牛腿受力特点的计算方法和相应的公式。拄要成果如下： 1 通过对不同钢纤维体积率下的受弯和受剪试件测试的钢筋和混凝土 的应变、荷载一跨中挠度曲线、各级荷载下的最大裂缝宽度、裂缝的发展、正 截面和斜截面开裂荷载以及极限荷载等的分析，重点研究了钢纤维体积、剪 跨比、混凝土强度、箍筋配筋率等对钢筋钢纤维混凝土牛腿受力性能的影响。 结果表明，影响普通混凝土牛腿力学性能的因素也是影响钢纤维混凝土牛腿 力学性能的主要因素。与钢筋混凝土牛腿相比，钢筋钢纤维混凝土牛腿的裂 缝出现晚、宽度小，刚度大、变形小，承载力随钢纤维体积率的增加而增大。 2 提出了钢筋钢纤维混凝土牛腿正截面开裂弯距的计算公式，根据对 试验结果的统计分析，建议了钢纤维对钢筋混凝土牛腿正截面抗裂弯距的影 响系数值o 4 3 。 3 建立了钢筋钢纤维混凝土牛腿受弯承载力的计算模型，给出了与钢 筋混凝土牛腿计算公式相衔接的钢筋钢纤维混凝土牛腿受弯承载力的计算 公式，建议了钢纤维对钢筋混凝土牛腿受弯承载力影响系数0 7 4 ( 混凝土抗 压强度取为弯曲抗压强度) 或1 1 5 ( 混凝土抗压强度取为轴心抗压强度) 。 4 提出了钢筋钢纤维混凝土牛腿斜截面开裂弯距的计算公式，根据对 试验结果的统计分析，建议t n 纤维对钢筋混凝土牛腿斜截面抗裂弯距的影 响系数值0 0 9 。 5 推导了钢筋钢纤维混凝土牛腿面受剪承载力的计算模型，给出了与 钢筋混凝土牛腿计算公式相衔接的钢筋钢纤维混凝土牛腿受剪承载力的计 算公式，建议了钢纤维对钢筋混凝土牛腿受剪承载力影响系数o 4 4 。l ， ， 关键词：钢纤维，牛腿，剪跨比，配筋率，混凝土强度，极限荷载，体积率，弯矩，正 截面，斜截面 a b s t r a c t f o rr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ec o r b e lw i t ht h es h e a rs p a nt od e p t hr a t i o ( a h d ) 1 e s st h a n1 h a si t s p e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c st h a t i sc l o s et oc a n t i l e v e rd e e p b e a m s i ti sa ni m p o r t a n tk i n do fc o m p o n e n t si na r c h i t e c t u r a ls t r u c t u r ew h i c h s u s t a i n sr o o ft r u s s e s ，b r a c k e t s ，t r a y b e a m s ，f l a m e b e a m s ，w a l l b e a m sa n d c r a n e b e a m s c o r b e l s d e e pb e a m sa n dp i l ec a p s a r ei n c l u d e db a s i c a l l yi n n o n f l e x u r a le l e m e n t s ，t h ec a l c u l a t i v et h e o r yo fw h i c hi sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d ， a n di t sc a l c u l a t i v em e t h o do fw h i c hi sn o tc o n s i s t e n t f o rt h ed e s i g no fc o r b e l ，o u r n a t i o n a lc r i t e r i o nh a sb ea s c e r t a i n e dp r e s c r i b e s t h ec o r b e l sd i m e n s i o ns h o u l db e a s c e r t a i n e da st h em a n i p u l a t i v ec o n d i t i o no fd i a g o n a ls e c t i o n t h ea m o u n to f l o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n tb ea s c e r t a i n e do nt h eb a s i so ft h ef l e x u r em o d e l 、i s o b t a i n e da c c o r d i n gt os t a t i cf o rb a l a n c ec o n d i t i o n ，t h ec a l c u l a t i v ee x p r e s s i o no f t h el o a di so b t a i n e d a n di nt e r m so ft h ed e s i g nm e t h o di nu l t i m a t es t a t et h e m a x i m u m1 0 a d w h i l et h ea m o u n to fs t i r r u ps h o u l db ed e f i n e da c c o r d i n gt ot h e r e q u e s to f c o n s t r u c t i o nd e t a i l s s t e e lf i b e rr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ei san e wk i n do fm u l t i p l em a t e r i a l st h a t c o n c r e t ec a ne n h a n c ec o n c r e t e ss t r e n g t h ，d u c t i l i t ya n dp o s t p o n et h ea p p e a r a n c e o fc r a c k sw h e ni sm i x e dw i t hs t e e lf i b e r s t e e lf i b e rs c a t t e r ss t r e s sc o n v e r g i n gi n t h ea r e ao ft h et o pe n do f t i n yc r a c k s ，r e s t r i c tt h eo c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n t o f c r a c k s ，d i m i n i s h e st h ew i d t ho fc r a c k s ，a n de n h a n c e st h ei n t e g r i t yo fc o n c r e t e w i t ht h eo c c u r r e n c eo fc r a c k sv i at h ee f f b c to f f e l t i n gb e t w e e n c o n c r e t ea n ds t e e l f i b e r , a n dc o n s e q u e n t l yt h es t r e n g t ho fc o n c r e t et h a tr e s i s t sc o m p r e s s i o n ，t e n s i o n ， a n ds h e a rf o r c ei n c r e a s e so b v i o u s l y , a n dt h ec a p a b i l i t yo fc o n c r e t et h a tr e s i s t s c o m p a c t ，a n df a t i g u e ，a n d t h e d u c t i l i t y a n dd u r a b i l i t yo ff i s s u r e dc o n c r e t e i m p r o v e t h u st h eu s eo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ei nc o r b e lc a na v o i d c o m p l i c a t e dc a l c u l a t i n gi nd e s i g n a n dt h ed i m i n i s hd i f f i c u l t yo f c o n s t r u c t i o n a t t h es a m et i m ew h e nc o r b e l sd i m e n s i o nc a nn o tb ei n c r e a s e dt h er e i n f o r c e m e n t c o n c r e t ec o r b e l su l t i m a t el o a dc a p a c i t ya n da n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c ec a nb e i m p r o v e db yt h ea d d i t i o ns t e e l f i b e ri n t oc o n c r e t e t h i sm e t h o dh a sb e c o m ea k i n do f a p p l i e dm e t h o da n d i sh i g h l yc o n c e r n e db yt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l a c a d e m ea n de n g i n e e r g r o u p u n t i ln o w , t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a ss c h o l a rh a ss t u d i e dt h ef a c t o r st h a t h a v ee f f e c to n p e r f o r m a n c eo f s t e e lf i b e rr e i n f c r c e dc o n c r e t ec o r b e ls u c ha ss h e a r s p a nt od e p t h ，s t r e n g t ho fc o n c r e t e ，r e i n f o r c e m e n tr a t i o ( i n c l u d i n gl o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n ta n ds t i r r u p ) a n dr a t i oo fh o r i z o n t a lt ov e r t i c a l l o a d f o rc a l c u l a t i n g t h ec r a c k i n gl o a d a n du l t i m a t el o a dd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a rh a sb r o u g h t f o r w a r das e r i e so fc a l c u l a t i v ef o r m u l a sa n dm e t h o d sh a v eb e e np u tf o r w a r dt h a t i i i b a s e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i s ，f l e x u r a lm o d e la n dt r u s sm o d e l r e l a t i v e l ys p e a k i n g o v e r s e a ss t u d yi ss y s t e m i c 、b u tt h ep r o p o s e dc a l c u l a t i v ef o r m u l a sh a v et o om a n y p a r a m e t e r sa n da r ec o m p l i c a t e di nc a l c u l a t i o n a n dt h e yd on o tc o r r e s p o n dw i t h t h ed o m e s t i cc a l c u l a t i v es y s t e m t h ed o m e s t i cs t u d yi sn e i t h e rs u f f i c i e n ti nd e p t h n o rc o m p r e h e n s i v e i na d d i t i o nc a l c u l a t i v ef o r m u l a so ft h eu l t i m a t el o a da i ma t c o r b e l si nf l e x u r a l c o r b e l si ns h e a ri sr a r e l ys t u d i e s t h e r ei s1 1 0r e l a v a n tc o n t e n t i nc o r b e l si ns t d e ，f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t er e g u l a t i o n so f s o u c t u r a ld e s i g na n d c o n s l r u c t i o n ( c e c s 3 8 ：9 2 ) a c c o r d i n g l yt h ed e s i g no f s t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o r b e l s d o e sn o th a v ea n yr e g u l a t i o n st of o l l o w f o rt h es a k eo fa d d i n gd e s i g nm e t h o d so f s t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l si n t ot e c h n i c a ，r e g u l a t i o n so fs l e e ，_ ， b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，a c c o r d i n gt o t h ea r r a n g e m e n tb yt h e g r o u pt h a t e d i t t h e r e g u l a t i o n s ，s u b s i d i z e db yt h eo u t s t a n d i n g y c u t hf u n do fh a r i a np r o v i n c e ， c a r r i e so u tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f2 2s t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l s t h ep r e s s u r i z e db e h a v i o ro fs t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l si ss t u d i e s r a t h e r s y s t e m a t i c a l l y ，a n d c a l c u l a t i v em e t h o d sa n df o r m u l a st h a t a d a p t f o r p r e s s u r i z e d c h a r a c t e r i s t i co fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l sa r e p u t f o r w a r d t h em a i na c h i e v e m e n ta sf o l l o w s ： 1 t h ee f - f e c to fs t e e lf i b e rv o l u m er a t i o s h e a r s p a nt od e p t h c o n c r e t e s t r e n g t h ，s t i r r u pr a t i oa n d s oo nt h a th a v ee f f e c to nt h ew e i g h t e db e h a v i o ro fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l si ss t u d i e s t h o u g h ta n a l y s i s o fs t r a i no f r e i n f o r c e m e n ta n dc o n c r e t e c u r v e so fl o a d d i s p l a c e m e n tm a x i m a lc r a c kw i d t hi n d i f 免r e n t1 0 a di e v e l d e v e l o p m e n to fc r a c k c r a c k i n g1 0 a do fn o r m a ls e c t i o na n d d i a g o n a ls e c t i o n ，a n du l t i m a t el o a di nd i f f e r e n ts t e e lf i b e rv o l u m er a t i o r e s e a r c h f a c t o r s t e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo fp l a i nr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ec o r b e l sa l s oh a v ee f f e c to ns t e e l f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l s c o m p a r i n gr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t ec o r b e l si n t h es a n l el o a d ，t h ec r a c k si ns t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l sa p p e a rl a t e w i t hs m a l lc r a c kw i d t h a n dg r e a ts t i f i n e s sl i t t l e s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e c o r b e l s u l t i m a t el o a dc a p a c i t yi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t e e lf i b e r v o l u m er a t i o 2 t h ec a l c u l a t i v ef o r m u l a so fc r a c k i n gm o m e n tt h a ta i ma tt h en o r m a l s e c t i o no fs t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l sa r ep r o p o s e d ，a c c o r d i n gt ot h e s t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h et e s tr e s u l t s c o e m c i e n ts u g g e s t e do 4 3o fs t e e lf i b e rt h a t s t e e lf i b e rh a se f f e c to ns t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l s 3 ac a l c u l a t i v em o d e lo ft h eu l t i m a t el o a dc a p a c i t yo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o r b e l si nf l e x u r a l i se s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t i v ef o r m u l ao fs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l s u l t i m a t e l o a dw h i c hl i n k sw i t hr e i n f o r c e m e n t c o n c r e t ec o r b e l si sg i v e n ，t h ec o e 施c i e n to fs t e e lf i b e rt h a ts t e e lf i b e rh a se f f e c t i v o ns t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l si ss u g g e s t e d t h ec o e f f i c i e n ti s0 7 4 ( f o r c o n c r e t e sf l e x u r a lc o m p a s s i o ns t r e n g t h lo r0 7 4 ( f o rc o n c r e t e sa x e sc o m p a s s i o n s t r e n g t h ) 4t h ec a l c u l a t i v ef o r m u l a st h a ta i ma t d i a g o n a l s e c t i o no fs t e e lf i b e r r e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l sa r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a la n a l y s i so f t e s tr e s u l t s t h ec o e m c i e n to fs t e e lf i b e rt h a ts t e e lf i b e rh a se f f e c to ns t e e lf i b e t r e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l si sa d v i s e d t h ec o e f f i c i e n ti s0 0 9 5 ac a l c u l a t i v em o d e lo ft h eu l t i m a t el o a dc a p a c i t yo fs t e e lf i b e rr e i n f o r e e d c o n c r e t ec o r b e l si ns h e a ri se s t a b l i s h e d s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o r b e l s u l t i m a t el o a dc a l c u l a t i v ef o r m u l ai sp u tf o r w a r dw h i c hl i n k sw i t hr e i n f o r c e m e n t c o n c r e t ec o r b e l s t h ec o e f f i c i e n to fs t e e lf i b e rt h a ts t e e lf i b e rh a se f f e c to ns t e e l f i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o r b e l si sa d v i s e d t h ec o e f n c i e n ti s0 4 4 k e yw o r d s ：s t e e lf i b e r , c o r b e l ，r e i n f o r c e m e n tr a t i o ，c o n c r e t es t r e n g t h ， u l t i m a t el o a d ，v o l u m er a t i o ，m o m e n t ，n o r m a ls e c t i o n ，d i a g o n a ls e c t i o n v 钢筋钢纤维混凝，1 ：牛腿力学h 能试验研究 第一章概述 本章综述了国内外钢筋混凝土牛腿与钢筋钢纤维混凝土牛腿的研究现 状，对影响钢筋混凝土牛腿和钢筋钢纤维混凝土牛腿受力性能的因素作了总 结。从中可以看出：影响普通混凝土牛腿的主要因素也是影n l ；j m 筋钢纤维混 凝土牛腿的主要因素。与普通混凝土牛腿不同的是钢纤维特征参数也是影响 钢纤维混凝土牛腿主要因素。它对牛腿裂缝的出现和发展，牛腿的破坏形式 以及牛腿的承载力都起到一定的积极作用。在此基础上，指出了钢筋钢纤维 混凝土牛腿受力性能研究和计算方法中存在的不足，提出了开展本文试验研 究和理论分析课题的重要性和紧迫性。 1 1 普通混凝土牛腿研究现状 钢筋混凝土牛腿是支承屋架、屋面梁、托架、托架梁、框架梁、墙梁和 吊车梁等的重要结构构件。牛腿除承受较大的竖向力外，还承受由风荷载、 地震荷载、结构位移、混凝土收缩、徐变，温度作用等引起的水平拉力。当 牛腿支承吊车梁时，还间接承受动力荷载的作用。 通常按照剪跨比的大小，把钢筋混凝土牛腿分为两类：当剪跨比a h 。 l 时，称为长牛腿，其受力性能与悬臂梁相近，可按悬臂梁进行配筋计算；当 剪跨比口h 。1 时，称为短牛腿，其受力性能不同于悬臂梁，而接近于悬臂 深梁。这种短牛腿与深梁、桩帽同属于非受弯构件，在建筑结构中应用很广。 与梁和板等受弯构件相比，非受弯构件计算理论相对复杂，尽管国外不少学 者对普通混凝土和高强混凝土牛腿等非受弯构件的受力性能方面进行了深 入的研究，但仍有许多问题有待进一步探讨。 s t e p h e n j f o s t e r 和r 1 a n g i l b e r t 在普通和高强混凝土非受弯构件的设 计引一文中指出：非受弯构件较为可靠的设计方法是半经验设计方法，这 是一种基于应力分析和桁架模型的方法。其适用范围在一些规范中作了详细 的规定，但是它被限制在所基于的实验研究范围内。这种设计方法通常适用 慨述 于抗压强度小于4 0 m p a 的普通混凝土，不适用于高强混凝土。 在非受弯构件的设计中，随着混凝土强度的增加，在达到极限强度之前， 一部分表面的混凝土会软化。由于横向应变的出现，峰值应力会大为降低， 为了克服这个缺点，在非受弯构件的设计中引入了混凝土折减系数v 。 s t e p h e n jf o s t e r 比较了n i e l s e n e t a l 等人和w a r w i c k 等人提出的折减系数公 式，认为对折减系数影响较大的两个因素是混凝土强度和剪跨比。针对非受 弯构件的各种破坏形式，s t e p h e n j f o s t e r 提出以桁架模型结合w a r w i c k 的混 凝土折减系数可以很好的预测极限荷载，而且适用于抗压强度超过1 0 0 m p a 的混凝土。 s t e p h e n j f o s t e r 和r e x e p o w e l l 等人对高强混凝土牛腿的性质作了进一 步的研究1 。他们一共做了3 0 个高强混凝土牛腿试件，设计时以发生剪切 破坏为主，考虑的主要参数有剪跨比、混凝土强度以及箍筋的作用。根据试 验结果的分析s t e p h e nj f o s t e r 得出如下结论：剪跨比对牛腿的开裂和承载力 影响很大，剪跨比增大而承载力降低；混凝土强度和牛腿高度也是影响牛腿 开裂及承载力的重要因素；箍筋在一定程度上影响着牛腿的破坏形式，一般 也能提高牛腿的强度。s t e p h e n j f o s t e r 认为混凝土的横向应变对混凝土压杆 作用的发挥极为不利。配置了箍筋后，箍筋对混凝土起到约束作用，提高了 混凝土压杆的效用。根据以纵向钢筋为拉杆，以混凝土斜压柱为压杆的三角 桁架模型，提高混凝土强度等级以及增大截面尺寸可以提高压杆强度。因此 使用高强混凝土可以达到提高牛腿承载力的目的，而且高强混凝土牛腿的性 质与普通混凝土牛腿类似。 针对高强混凝土牛腿的性能，y o o k k o n gy o n g 等人作了1 6 个牛腿试件 ”，重点研究了水平荷载、配筋率和剪跨比的影晌。试验表明，与普通混凝 土牛腿类似，当高强混凝土牛腿上同时作用有垂直荷载和水平荷载时，牛腿 的承载力显著降低。在a c l 3 1 8 8 9 规范7 1 规定的配筋率范围内配置纵向钢 筋，钢筋总能在破坏前屈服，从而导致延性破坏，而且破坏模式也与普通混 凝土类似。在试验的配筋范围内，配筋率的提高并没有改善牛腿的延性。至 于混凝土强度的影响正如他们预期的那样抗压强度的提高使牛腿承载力也 提高了，而且也没有发生脆性破坏，强度的增长并没有影响混凝土的延性。 他们的试验结果表明，a c l 3 1 8 8 9 规范对牛腿强度的预测不保守，而桁架模 _ l j i 筋刑纤维混凝t 牛腿力学比能试验 f 究 型预测值相对较好。y o o k k o n gy o n g 等人认为只要设计合理的高强混凝土牛 腿，可以表现出与普通混凝土牛腿相同的性质。 在国内，原冶金工业部建筑研究院进行了大量的钢筋混凝土牛腿的试验 研究，清华大学也进行过牛腿的试验。 概括钢筋混凝土牛腿的研究结果，从影f 响牛腿受力性能的几个因素( 剪 跨比、配筋率、混凝土强度) 来看，剪跨比a h 。的大小影响牛腿的破坏形态， 混凝土强度是牛腿承载力的重要因素。在截面尺寸一定的情况下，提高混凝 土的物理力学性能，可以有效地提高牛腿的承载力。因为，混凝土强度等级 提高，混凝土的抗压强度和抗拉强度等也随之提高，这对于由混凝土抗拉强 度控制的抗裂承载力( 包括正裂和斜裂) 和与混凝土抗压强度有关的正截面 受弯承载力以及由混凝土抗压强度控制的斜截面受剪承载力都是有利的。 在剪跨比一定的范围内，钢筋混凝土牛腿在竖向集中力和水平拉力的共 同作用下，通常首先在牛腿嵌固端的混凝土受拉区出现垂直裂缝，然后在挚 板内侧出现斜裂缝，直至牛腿破坏。随着剪跨比a h 。的不同，钢筋混凝土牛 腿主要有以下三种破坏形态： ( 1 ) 弯曲( 弯压) 破坏。一般发生在剪跨比a h o o 7 5 ，其特点是在荷载 作用下钢筋首先屈服，然后压区混凝土达到抗压强度而破坏。 ( 2 ) 剪切破坏。一股发生在剪跨比a h 。= o 0 7 5 ，它又可以分为三种类型： 斜压破坏( a h 。= 0 i o 7 5 ) 。在钢筋未屈服之前斜向混凝土压杆被压碎 而破坏。 纯剪破坏( a h 。 0 1 ) 。牛腿沿之与柱交接面的方向剪切破坏。 斜拉破坏( a h 。较大) 。在加载过程中，加载垫板处突然出现一条通长的 斜裂缝，混凝土斜压杆被劈裂成两部分而破坏。 ( 3 ) 局压破坏。当加载垫板尺寸过小时，加载垫板下面的混凝土被局部 压碎而破坏。 牛腿的a h 。般都在o 1 o 7 5 的范围内，大部分牛腿发生斜压破坏。 在我国的混凝土结构设计规范( g b j l 0 8 9 ) 【1 1 中，牛腿的计算公式 只适用于剪跨比a h 。l 的短牛腿。其中，牛腿尺寸的确定以斜截面抗裂作 为控制条件：纵筋用量的确定是假定牛腿发生弯曲破坏建立起弯压破坏模 型，根据静力平衡条件得到承载力的计算公式，按照极限状态设计方法得到； 栅述 箍筋用量则按照构造要求确定。 1 - 2 钢纤维混凝土牛腿研究现状 1 2 1 钢纤维混凝土研究现状 对于钢纤维混凝土的物理力学性能，国内外学者已经进行了广泛而深入 的研究。普遍认为钢纤维和混凝土紧密结合，改善了混凝土的性能，而且， 钢纤维能削弱微裂缝尖端的应力集中，限制并约束裂缝的产生和开展，减小 裂缝宽度，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗 冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大程度的改善。近年来，国内外学 者对钢纤维混凝土的研究成果主要表现在以下几个方面： 1 力学性能 钢纤维对混凝土力学性能的增强效果是十分明显的。它通过阻滞混凝土 内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的发生和发展，大大提高了混凝土的抗拉强度 和主要由拉应力控制的抗弯强度和抗扭强度。与普通混凝土相比，钢纤维体 积率在1 2 范围内，抗拉强度提高约4 0 8 0 ，抗弯强度提高约6 0 1 2 0 ，用直接双面剪试验所测定的抗剪强度提高约5 0 1 0 0 ，抗压 强度提高幅度较小，约为o 2 5 。钢纤维对混凝土的增强效果主要取决于 混凝土基体的强度、钢纤维的几何形状及长径比、钢纤维体积率、钢纤维与 基体间的粘结强度以及钢纤维在基体中的分布和取向等因素。 2 变形性能 钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与条件相同的普通混凝土没有显著 的区别。受压弹性模量和泊松比与普通混凝土基本相同，受拉弹性模量约有 o 2 0 的提高，设计中可以忽略不计。抗压、抗弯和抗冲击韧性都有所提 高，在通常的钢纤维体积率下，抗压韧性可提高2 7 倍，抗弯韧性可提高 几十倍到上百倍，弯曲冲击韧性可提高2 4 倍，板式试件落球法击碎试验 所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。 3 长期性能 钢纤维混凝土的收缩值随钢纤维体积率的增加而有所降低，钢纤维体积 率为1 5 的钢纤维混凝土比普通混凝土的收缩值降低7 9 。持续荷载 刑筋钢纤维混凝十牛腿力学性能试验研究 作用下钢纤维混凝土的受压徐变与同条件下的普通混凝土相比略有降低。其 抗弯和抗压疲劳性能较普通混凝土都有较大改善，当抗弯疲劳寿命为1 0 6 次 时，钢纤维体积率为1 5 的钢纤维混凝土的应力比为o 6 8 ，而普通混凝土 仅为o5 l ；当应力比为07 时，钢纤维混凝土抗弯疲劳寿命可达1 0 次，而 普通混凝土仅达8 5 0 次。钢纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐久性都有 不同程度的提高，其中耐冻融性、耐热性和抗气蚀性有显著提高。大量暴露 试验表明，钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都具有良好的耐化学腐蚀性 能。 4 钢筋钢纤维混凝土试件的受力性能 试验研究表明，在配筋率、截面尺寸和基体配合比相同的条件下，钢纤 维混凝土试件具有比钢筋混凝土试件更高的抗弯承载力。当钢纤维体积率为 1 5 25 时，钢筋钢纤维混凝土试件的正截面受弯承载力提高1 0 2 9 ，抗裂弯矩提高约2 0 3 5 。与钢筋混凝土试件相比，钢筋钢纤维混凝 土试件的裂缝具有出现晚、间距小、宽度窄的特点。同级荷载下的最大裂缝 宽度随钢纤维含量特征参数的增大而减小。另外钢纤维具有限制裂缝开展和 直接承受拉力的作用，降低了受拉钢筋的工作应力，从而明显提高了钢筋钢 纤维混凝土试件的整体刚度，其提高程度随着钢纤维含量特征参数的增加而 增大。 钢筋钢纤维混凝土试件的斜截面开裂剪力随钢纤维含量特征参数的增 大而提高。由于钢纤维能直接承担剪力，阻止斜裂缝向受压区发展，保留了 更大的混凝土剪压区，提高了纵筋的销拴作用和斜截面上的骨料咬合力，有 效地控制了撕裂裂缝的发生和发展，从而使钢筋钢纤维混凝土试件斜截面抗 剪承载力明显提高，且随钢纤维含量特征参数的增大而增大。 在牛腿和框架节点区这些配筋密集的部位使用钢纤维混凝土可以避免 设计时繁杂的配筋计算，减小施工难度。国内外有些学者曾致力钢纤维对钢 筋混凝土牛腿力学性能影响的研究。 1 - 2 2 国内钢纤维混凝土牛腿研究现状 在混凝土中掺入一定量的钢纤维会改善钢筋混凝土牛腿的受力性能，国 内学者曾进行了这方面的试验研究和理论分析。王春印和杨光华通过1 0 个 概述 f ：腿试件的试验，研究了钢纤维普通混凝土( 抗压强度小于4 0 m p a ) 牛腿的 抗裂性能引和承载力1 。在牛腿抗裂性能研究中，主要研究了钢纤维含量 特征参数对牛腿抗裂性能的影响，同时也考虑了剪跨比、配筋率和水平荷载 与垂直荷载之比这些对普通混凝：卜牛腿有影响的因素对钢纤维混凝土牛腿 的影响情况。试验以正截面开裂为主要研究内容。结果表明，出现垂直裂缝 时的荷载大小主要取决于钢纤维体积率、配筋率和荷载比等。与同批的素混 凝土牛腿相比，钢筋钢纤维混凝土牛腿的丌裂荷载是素混凝土牛腿的1 2 5 21 2 5 倍，平均为16 8 倍。加入钢纤维后牛腿的正裂缝和斜裂缝均推迟出现， 这表明牛腿的抗裂性能和斜截面抗剪强度都随钢纤维体积率的增大而提高。 试验还表明，丌裂前牛腿正截面应变并不完全符合平截面假定，破坏时牛腿 顶面的极限拉伸应变与钢纤维体积率基本上是线形关系，随着钢纤维体积率 的增大而增大，这说明加入钢纤维后牛腿的韧性得到提高。另外剪跨比对牛 腿顶面的极限应变也有一定的影响，剪跨比大时极限应变也大。王春印采用 分层法，运用复合材料的宏观力学理论，建立了牛腿f 截面抗裂计算公式， 但是这一公式参数多，计算量大，有待进一步简化。 在牛腿承载力的试验研究中王春印等考虑的主要因素是钢纤维体积率， 试验中所有8 个试件发生的都是受弯破坏。试验结果表明：在试验的配筋率 范围内( o 4 5 1 0 1 ) ，钢筋钢纤维混凝土牛腿与钢筋混凝土牛腿的破坏 特征相同。这是因为牛腿开裂以前，牛腿内主拉应力和主压应力的方向不随 钢纤维体积率的变化而变化，钢纤维虽然增强了混凝土基体的抗拉拉强度和 韧性，推迟了裂缝的出现，但是不可能改变牛腿的应力状态；开裂后牛腿的 应力状态发生了变化，在裂缝处未拔出的钢纤维提高了水平方向的拉力并增 大了裂缝区的机械咬合力。试验结果显示，加入钢纤维后牛腿的受弯承载力 略有提高，平均提高5