钢纤维自应力混凝土受拉应力_应变全曲线试验研究

1、第 44卷第 5期 2004年9月大连理工大学学报Journal of Dalian University of TechnologyVol . 44, No . 5Sept . 2004文章编号 :1000-8608（2004 05-0710-04收稿日期:2003-06-25; 修回日期 :2004-07-28. 基金项目:国家自然科学基金资 助项目（59879001 .作者简介:何化南*（1972- , 女, 博士; 黄承逵（1941- , 男, 教授, 博士生导师 .钢纤维自应力混凝土受拉应力 -应变全曲线试验研究何化南 *, 黄承逵（大连理工大学土木工程系 , 辽宁大连 116024

2、摘要:通过直接拉伸试验研究了不同自应力等级下的钢纤维自应力混凝土的受 拉应力 -应变全曲线特征 . 从方便计算的角度上建议上升段采用比例方程表示, 下降段简化为以拐点分界的两部分直线 . 钢纤维自应力混凝土抗拉强度为混凝土基体的抗拉强 度与自应力值之和；曲线下降段拐点的应变定义为 500X10-6,并提出拐点应力计算 公式. 这种在试验基础上的简化 , 方便了钢纤维自应力混凝土结构的应力和应变分析关键词:应力； 应变； 钢纤维； 自应力； 全曲线中图分类号 :T U 528. 57文献标识普通混凝土是一种抗拉强度比较低的脆性材料. 自应力混凝土水化后产生化学能 , 即膨胀能 , 受外界限制条件

3、如钢筋、钢 纤维等约束膨胀的发展 , 则在混凝土内部形成预压应力 , 从而提高了混凝土的抗拉强 度和抗裂性能 . 已有的试验表明 , 钢筋和钢纤维联合限制自应力混凝土膨胀可提高混 凝土的抗拉强度至23倍1、2, 有效地改善了混凝土的开裂后性能和材料的韧性 , 是有一定应用前景的高性能 混凝土材料 , 可广泛地应用于市政工程的输水管道、水利工程的压力管道中 . 本文通 过试验测定配筋钢纤维自应力混凝土的受拉应力 -应变全曲线 , 确定自应力混凝土的 峰值应力、峰值应变、弹性模量以及曲线下降段下降趋势 , 为研究和分析钢纤维自 应力混凝土结构受力、变形和有限元分析提供依据 .1 试验简介1. 1

4、试验材料自应力水泥 :石家庄市特种水泥厂生产的 A 型硫铝酸盐自应力水泥 .钢筋:辽宁西林钢铁公司生产的热轧n级螺纹钢.钢纤维:鞍山生产的剪切型钢纤维 , 长径比为 43, 长度为 30mm.试验设计了 3种纤维体积率 0、 1%、 2%, 及 3种自应力等级 S 3、 S 4、 S 5, 即 目标自应力值分别为 3. 0、 4. 0、 5. 0M Pa. 随着等级提高 , 水泥用量增大, 也就是要获得的目标自应力增高 . 试件的配筋率为 5. 43%.本文参考水泥厂 提供的企业标准 3设计了试验的配合比 , 见表 1; 另外, 还对 S 4级自应力混凝土做 了一组弹性模量试验 , 以便和受拉

5、试验所测得的弹性模量进行对比 . 1. 2 试验方法图1为试件的几何尺寸和配筋 . 试件中间截面减小的部分为试验区段 , 是为了控 制试件破坏在测量区域 . 本次试验相对于传统的单轴受拉试验有两个优点 :一是由于 钢筋能比较准确地定位 , 避免了对中困难的问题 ; 二是钢筋的存在 , 保证了混凝土在 开裂后不会迅速断裂 , 不需要提高试验机的刚度 , 就能够测出应力 -变形曲线的下降 段.如图 1所示, 试验区段的变形与区段长度的比值就作为混凝土平均应变, 即 c =L /L . 假设混凝土和钢筋之间没有滑移 , 则这个应变值就可作为钢筋在外力 F 作用 下的伸长应变 s , 即 s =c ;

6、同时，自应力混凝土的膨胀，使钢筋受到预拉应变$这个值在试验前可以通 过对试件长度的测量获得.这样在受力过程中钢筋所受的总力 F s =( s + s Es A s . 将外力荷载 F 扣除钢筋受力F s , 就是混凝土截面所受合力 , 假设混凝土在截面受力均匀, 那么混凝土应力的计算为 c =sA c=s s s s A c表1 自应力混凝土的配合比T ab. 1 M ix pr opor tio n o f self -stressing co ncr ete 自应力等级水灰比灰集比 ! /(k gm -3水 水泥 沙 石S 30. 381 : 2. 50223588588882S 40.

7、381： 2. 00257677542812S 50. 381 : 1. 75280734514771图1试件尺寸和配筋图F ig. 1Size and r einfor ceme nt of specime ns试验在万能试验机上进行，两头夹具夹住钢筋伸出部分拉伸通过位移计测定标距长度内的混凝土的变形（为两个位移的平均值.经动态电阻应变仪放大后接入 X -Y记录 仪,绘制荷载-位移曲线并采集数据,进一步推出应力-应变曲线.1.3试验结果按照上述方法对试验曲线进行了处理,得到了如图2所示的S 3S 5级自应力 混凝土应力-应变全曲线和普通混凝土一样，曲线也存在着上升段和下降段试件开 始受拉后，

8、混凝土应力和应变按比例增长，当快接近峰值应变的时候出现弯曲，钢纤 维自应力混凝土相对于普通自应力混凝土这个特征更明显一些钢纤维的掺入提高了曲线的峰值应力和峰值应变，而且随着纤维含量的提高，二者也相应地提高；超过 极限强度后，因为钢纤维跨越裂缝使承载能力下降是一个缓慢的过程，下降的幅度和纤维含量、长径比、纤维品种和外形等参数有关整体上表现为应力-应变曲线下包围的面积增大.纤维变化对混凝土的弹性模量影响很小.无纤维的自应力混凝土的峰值应力时 的应变与普通混凝土相比变化不大，基本都在100X10-6.钢纤维自应力混凝土和普 通钢纤维混凝土峰值应变的数值和变化规律基本相同 .纤维的存在明显地提高了自

9、应力混凝土的峰值应变.试验数据见表2.表中弹性模量是抗拉强度与极限应变的比 值AcademicAcademic JoumalJoumal ElexironicElexironic0100 200 300 400 500 600 0100图2 S 3S 5级自应力混凝土试验应力-应变曲线F ig. 2 Stress-str ain curv es of S 3 S 5self-str essing concr ete表 2 应力 -应变曲线试验特征参数T ab. 2 Char act erist ic par ameter s of str ess-strain cur ves混凝土类型 f t

10、 /M Pa! f =0! f =1% ! f =2% c /10-6! f =0! f =1% ! f =2%E c /GPa! f =0! f =1%! f =2%S 32. 814. 485. 1095. 3136. 7155. 029. 532. 832. 8S42. 853. 704. 45109. 6132. 9164. 026. 427. 827. 1S 52. 673. 213. 66100. 4118. 3126. 926. 627. 128. 82 受拉应力 - 应变曲线讨论自应力混凝土受拉应力 -应变曲线和普通混凝土或普通钢纤维混凝土一样 , 在理论上是一条连续的曲线 ,

11、 上升段和下降段在峰值点处光滑连接 . 而且从试验曲线中可以看出 自应力混凝土第5期何化南等 :钢纤维自应力混凝土受拉应力 -应变全曲线试验研究的应力-应变全曲线和普通混凝土基本相似, 因此可以采用和普通混凝土或普通钢纤维混凝土相同的理论曲线模式 . 即上升段采用连续多项式形式 , 通常是用四次或 六次多项式 ; 下降段采用有理分式的形式46然而这样的理论曲线在进行有限元计算分析时 , 应用起来使结构计算变得复杂 , 通常采用有限元方法计算时 , 对于材料的本构关系的处理是把曲线离散成若干个直 线段. 本文基于此 , 从实用的角度出发 , 给出了方便计算的简化的直线方程 . 曲线方程 同样是分

12、为上升和下降两个阶段讨论 .(1 上升段试件从开始受拉后至材料开裂这个区段 , 试验所记录的荷载 -位移曲线基本上是 一条直线 , 亦即应力和变形符合线弹性关系 , 混凝土可以看做是弹性材料 . 另外, 本次 试验峰值应力和峰值应变的比值平均为 27. 5GPa，和弹性模量试验数值26. 6GPa比 较接近, 也说明曲线大部分是线性增长 . 因此为简化计算 , 建议对于上升段就按照比 例方程来表示 , 即 =E c . 式中 E c 是受拉弹性模量 , 按照表 2取值. 自应力等级和纤 维含量对自应力混凝土的弹性模量影响很小 , 主要是对混凝土的抗拉强度起着重要 的作用. 事实上, 自应力混凝

13、土的抗拉强度主要是由两部分构成 :一部分是由钢筋和 钢纤维限制所引起的自应力 , 随着等级提高 , 自应力混凝土膨胀能增加 , 混凝土所获 得的自应力就增大 ; 另一部分是混凝土基体强度 , 也就是上述试验曲线的抗拉强度 , 纤维含量提高 , 曲线的峰值点也提高 . 因此, 若单纯考察自应力混凝土的总的抗拉强 度, 可以采用如下模式计算 7f pft =f mt 1+? d! f + cp(1 cp =a (1-e -b ! s(2式中:f pft为钢纤维自应力混凝土总抗拉强度；f mt为普通自应力混凝土的基体 强度, 即图 2中! f =0 时的峰值应力 ; cp 为自应力 ; ?是钢纤维对

14、抗拉强度影响系数 ; l 、d 分别为钢纤维长度、直径 ； ! f 为钢纤维体积率 ； a 为经验系数 , 等于极限自应力 值； ! s 为钢筋配筋率百分数的分子 ； b 为回归系数 . 根据试验结果 7, 采用回归方法 得出上述公式中的系数如表 3 所示.(2 下降段普通自应力混凝土在抗拉强度后 , 在混凝土最薄弱的环节裂缝开始扩展直到发 展到混凝土表54321面出现肉眼可见的裂缝，截面的有效受力面积逐渐减小使混凝土应力急剧下降，这个过程是非常迅速的，混凝土变形很小，所剩 的残余应力仅相当于抗拉强度的10%15%1.曲线的下降段非常陡峭,可见裂缝 宽度很大.而钢纤维自应力混凝土裂缝开展得比较

15、缓慢，曲线下降比较平缓，即使在 曲线拐点处，裂缝开始贯穿截面时，由于钢纤维跨越裂缝，在很大的变形内混凝土仍 然能够有承载力，这个时候所对应的应力就作为钢纤维自应力混凝土剩余应力，该剩余应力相对于普通混凝土明显增大，其增大幅度与！ f l /d密切相关,裂缝宽度也显著 降低表3公式(1和公式(2的经验系数T a b. 3 Empir ical co efficients for Eqs. (1 and (2自应力等级a b ? S 33. 30. 950. 55S 43. 50. 950. 75S 53. 91. 051. 10钢纤维改善了自应力混凝土软化段的特征 , 从而对该区段的曲线方程表示

16、也有 所不同. 根据试验曲线所表现出来的特点 , 对于普通自应力混凝土采用单线性方程 , 下降段为一条直线 . 而钢纤维自应力混凝土则采用双线性方程 , 下降段是两条折线 . 图 3 为简化后曲线图 .图 3 简化曲线F ig. 3 Simplified cur ves经对试验数据计算分析 , S 3、S 4和 S 5级普通自应力混凝土的软化段下降趋势即每下降1M Pa所增加的应变值,分别是87X10-6、78X10-6、88X10-6.对钢纤维自应力混凝土的处理是把应变500X0-6时曲线所对应的点作为曲线拐点 , 如图 3所示的 B 点, 然后假定应力下降直到在应变为 1000X10-6时

17、降为零, 因为这个时候钢筋接近屈服 , 钢纤维大部分被拔出失去承载力 . 拐点应力取值按照下式计算 :大连理工大学学报第 44 卷g =f ft +k ( p -500 10-6 x(3式中: g 为拐点应力; f ft 为钢纤维自应力混凝土抗拉强度 ; p 为钢纤维自应力混 凝土极限应变 ; k为应力下降斜率 , 由本文试验获得 , 见表 4.表 4 应力下降斜率 kT ab. 4 R ateofslo peofstr essdescendingforstr ess-strain cur ves自应力等级k S 3! f =1%! f =2%66116014S 4! f =1%! f =2%

18、50393869S 5! f =1%! f =2%552729753结论(1 混凝土受拉应力 -应变曲线的试验存在很大难度 , 比如对中困难、试验机刚度 不够等. 由于自应力混凝土必须在配筋状态下才能发挥其高性能 , 在试件制作时就能 够由钢筋比较准确地确定中心的位置 . 另外, 混凝土的抗拉强度后应力下降很快 , 要想测到曲线下降段 对试验机的刚度要求很高 , 试件中心配置了钢筋 , 在破坏时不会发生脆性断裂 , 可以 通过荷载 -位移曲线来推出混凝土的应力 -应变曲线 .(2 曲线上升段基本上是线弹性状态 , 因此上升段曲线的方程可以简单地用线性 方程来表示 .(3 曲线的下降段可以简化为

19、以拐点作为分界点的两部分直线 .参考文献 :1何化南, 黄承逵. 配筋钢纤维自应力混凝土的抗拉强度计算J.建筑材料学报,2002, 5(1 :32-36. 2戴建国.配筋钢纤维自应力混凝土 的变形及自应力计算理论 D. 大连:大连理工大学 , 2000.3Q /ST SJ061986, 石家庄市特种水泥厂企业标准 :A型自应力硫铝酸盐水泥 S.4过镇海 , 张秀琴. 砼受拉应力 -变形全曲线的试验研究J.建筑结构学报，1988(4 :45-53.5赵国藩, 彭少民, 黄承逵. 钢纤维混凝土结构 M . 北京:中国建筑工业出版社 , 1999.6卢亦焱, 何少溪. 钢纤维混凝土环向受拉全过程曲线

20、试验研究J.武汉水利电力大学学报,1995, 28(3 :285-292.7 HU A N G Cheng -kui, HE Hua -nan, ZHA NG M ing.Ex periment al study o f fiber reinfo rced self-str essing member s under tension lo ad A . 17th Australasian Conf erence on The Mechanics of Structures and Materials C. A ustr alia:s n, 2002.Experimental research

21、on stress -strain full curve of steel fiber reinforced self - stressing concrete in tensionH E H ua -nan *, HU ANG Cheng -kui(Dept . of Civi l Eng . , Dalian U ni v . of Technol . , Dal ian 116024, ChinaAbstract :Based on the direct tension test, the characteristics of tension stress-strain full curves ofsteel fiber reinforced self-stressing co ncrete w ere inv estig ated. For the convenie