摘要:通过8根集中荷载下高强箍筋混凝土梁的受剪破坏试验,分析了500MPa箍筋混凝土构件斜截面的剪切承载力及使用阶段的斜裂缝宽度,同时对两组配有蒙皮钢筋的混凝土梁的受剪承载力及斜裂缝宽度进行了对比分析。试验结果表明,此类构件的受力性能与普通钢筋混凝土受剪构件相同,其斜截面受剪承载力仍可按现行《混凝土结构设计规范》有关公式进行计算,并且具有足够的安全储备。同时蒙皮钢筋的配置能够有效地限制裂缝的开展,改善受剪破坏的脆性性能。
关键词:高强箍筋;剪切承载力;使用阶段;斜裂缝宽度
中图分类号: TU317 + . 2; TU375. 1 文献标识码:A
500MPa钢筋作为一种新型钢筋已纳入《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499 - 1998)标准中,它具有强度高,延性好等优点,目前已广泛应用于国外主要工业化国家,然而国内由于500MPa钢筋的研究起步较晚并且缺乏相应钢筋混凝土构件试验资料而尚未列入我国现行《混凝土结构设计规范》( GB50010 -2002) [ 1 ]中,因此为扭转我国建筑用钢材落后的局面,在我国推广和使用这种新型钢筋[ 2 ] ,有必要补充相关试验对其性能进行研究。
应用500MPa钢筋作为抗剪箍筋,随着箍筋强度的提高降低了用钢量,同时也意味着正常使用阶段可能出现较大的斜裂缝[ 3 ] 。因此,研究高强箍筋混凝土梁的斜截面受剪承载力以及使用阶段斜裂缝宽度问题具有重要的意义。
1 试验概况
本文设计了8根T形截面试验梁,采用两点对称集中加载,剪跨比为2. 75。混凝土强度等级分别为C30, C40, C50,配箍率分别为0. 39%, 0. 31%。考虑到应用500MPa钢筋作为受力主筋,可能会导致构件在高应力状态下出现过宽斜裂缝而不能满足结构适用性和耐久性的要求,为此试验设计了两组配有蒙皮钢筋的梁进行对比研究。蒙皮钢筋布置于受力主筋至构件表皮之间的混凝土保护层内,是由变形钢筋焊网而制成的[ 4 ] 。试验测定剪跨区段与斜裂缝相交处箍筋的应变、斜向开裂荷载、跨中挠度及各个荷载等级下的斜裂缝宽度。构件的截面形式如图1所示,构件配筋见表1。
2 试验现象
2. 1 斜裂缝的出现与斜向开裂
钢筋应变片位置如图2所示。根据试验数据做出试验梁的荷载- 箍筋应变曲线,如图3所示。
加荷初期,试验梁处于弹性工作阶段,梁表面未出现裂缝,此时箍筋应力较小。随着荷载的增加,在试验梁中部出现一系列的垂直裂缝,当荷载增加到大约为30% ～40%极限荷载时,斜裂缝以一种非常突然的方式出现在梁的剪跨区段,并且一出现就具有较大的延伸长度,约为100～150 mm,此时裂缝宽度不大,斜裂缝出现前箍筋应力较小,斜裂缝出现时,箍筋的应力出现突变,即图3荷载- 箍筋应变曲线均出现转折点,此时剪力由刚开始的混凝土承担逐步转向由箍筋和混凝土共同承担。
斜裂缝出现的形态具有不确定性,既有在梁下部由垂直裂缝斜向发展成的弯剪裂缝,又有在梁腹部直接形成的腹剪裂缝[ 5 ] 。对于本次试验,试验梁的斜向开裂以腹剪裂缝居多。
2. 2 斜裂缝出现后梁的工作状况
梁斜向开裂以后进入了一个稳定的斜裂缝发展阶段,随着外荷载的增加,斜裂缝的宽度和长度均以稳定的速度增长,箍筋所受的拉力逐渐增大,同时箍筋的存在也限制了斜裂缝的开展和延伸。由图3可见试验所测的箍筋微应变绝大多数能达到2 500 ×10- 6 ,即箍筋能够达到屈服,只有少数箍筋应变不能达到屈服,有些靠近支座处箍筋应变呈现受压状态。
当荷载加至90%的极限荷载,斜裂缝进入了一种不稳定的裂缝扩展阶段,此时斜裂缝宽度加大,斜裂缝向上发展至加载点附近,向下则发展至支座附近。继续加载,斜裂缝宽度突然增加,梁形成较明显的剪压区,最终导致梁的受剪破坏,呈现出一定的脆性。
图4为试验梁裂缝分布。
由上述试验现象可见,集中荷载下配置500MPa箍筋的混凝土受剪构件其受力性能和一般的钢筋混凝土受剪构件的受力性能基本相同。
3 试验结果分析
3. 1 受剪承载力
为了验证现行《混凝土结构设计规范》(GB50010 - 2002) [ 1 ]对配置500MPa箍筋的混凝土构件斜截面受剪承载力计算的适用性,本文采用规范规定的集中荷载作用下受剪承载力公式计算并与实测值进行比较分析。比较结果见表2。
由上表可以看出,试验实测破坏剪力均大于取钢筋和混凝土实测强度按照规范规定公式计算的破坏剪力。其比值V 0u /Vcalu 均值为1. 67,变异系数为0. 060,可见按照现行《混凝土结构设计规范》规定的受剪承载力计算公式的计算结果与试验结果符合良好,并且具有足够的安全储备。由此可见,集中荷载作用下配置500MPa箍筋的混凝土受剪构件仍可按现行《混凝土结构设计规范》公式进行计算,并且具有足够的安全储备。
3. 2 使用阶段斜裂缝宽度限值讨论
对于受剪构件来说也需进行正常使用极限状态下的斜裂缝宽度限值的讨论。对于斜裂缝宽度限值的讨论本文采用如下方法:采用《混凝土结构设计规范》的受剪承载力计算公式,分别代入混凝土和钢筋强度的标准值( ftk和fyvk ) ,从而求得构件受剪承载力的标准值Vk ,用构件受剪承载力标准值除以构件的安全系数1. 55[ 6 ] ,即可求出构件正常使用阶段的剪力Vz。此时用正常使用阶段的剪力Vz 和试验测得的最大斜裂缝宽度为0. 2 mm时所对应的剪力V0. 2进行比较分析。表3为试验梁在正常使用阶段的剪力。
由上表可以看出,本次集中荷载作用下的受剪构件,当箍筋强度取为500MPa时,只有LQA4的比值Vz /V0. 2大于1,说明LQA4在正常使用阶段不能满足斜裂缝宽度限值要求,其余7根梁的Vz /V0. 2小于1,均能够满足斜裂缝宽度限值要求。
可见,采用现行《混凝土结构设计规范》受剪承载力计算公式设计的集中荷载作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用阶段一般可以满足斜裂缝宽度限值要求。
3. 3 配置蒙皮钢筋试验梁的分析
3. 3. 1 受剪承载力
考虑到应用500MPa钢筋作为抗剪箍筋可能出现过宽的斜裂缝而不能满足结适用性和耐久性的要求,为此设计了两组配有蒙皮钢筋的构件进行对比研究。两组梁分别为LQA2和LQA7, LQA5和LQA8,所配的蒙皮钢筋为Φ5@80。两组试验梁受剪承载力对比见表4。
上述试验数据表明,对于极限荷载,配置蒙皮钢筋的试验梁LQA7, LQA8与同条件未配置蒙皮钢筋的试验梁LQA2,LQA5相比,其承载力有一定程度地提高,分别提高了22. 1%和25. 4%。这是因为蒙皮钢筋的加入相当于增加了配箍率,同时也增加了构件的刚度,增强了对混凝土的约束特性[ 7 ] ,因而受剪承载力增大。
3. 3. 2 斜裂缝宽度
裂缝发展形态对比见图5,根据试验数据,做试验梁斜裂缝宽度对比图6。
由上图可见:集中荷载作用下配置蒙皮钢筋的试验梁其裂缝发展规律和普通钢筋混凝土受剪试验梁相似,所不同的是裂缝条数明显增多且相同荷载作用下,配置蒙皮钢筋的试验梁的最大斜裂缝宽度要明显小于未配置蒙皮钢筋试验梁的斜裂缝宽度。同时蒙皮钢筋的配置使得垂直裂缝和斜裂缝开展数量均增多,裂缝发展细密,能够有效地限制裂缝开展宽度[ 8, 9 ] 。并且配有蒙皮钢筋的受剪试验梁最终破坏时斜裂缝宽度约在0. 9～1 mm左右,破坏时可以实现钢筋之间的应力重分布,避免了脆性破坏的发生[ 7 ] 。而相同条件下未配置蒙皮钢筋的试验梁最终破坏形式为无法预知的脆性破坏,且斜裂缝宽度较大,均能超过1. 5mm,有些甚至更大。
因此,蒙皮钢筋的配置既能有效地限制裂缝开展宽度又能改善受剪破坏的脆性性能。
4 结论
通过8根集中荷载作用下高强箍筋混凝土梁受剪性能的试验研究,归纳出以下几点规律:
(1)集中荷载下配置500MPa箍筋的混凝土受剪构件其受力性能和裂缝发展规律均与普通钢筋混凝土受剪构件相同,此类构件的受剪承载力仍可按现行《混凝土结构设计规范》( GB50010 - 2002)公式进行计算,并且承载力余量大,具有较高的安全储备。
(2)在正常使用极限状态下,采用《混凝土结构设计规范》受剪承载力计算公式设计的集中荷载作用下配置500MPa箍筋的混凝土梁在正常使用阶段一般可以满足斜裂缝宽度限值要求。
(3)配置蒙皮钢筋的混凝土构件的受剪承载力有一定程度地提高,并且蒙皮钢筋的配置使得垂直裂缝和斜裂缝开展数量均增多,裂缝发展细密,既能有效地限制裂缝开展宽度又能改善受剪破坏的脆性性能。
参考文献:
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