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UHPFRC受剪性能研討

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UHPFRC受剪性能研討

本文作者:刁波、封云、葉英華、楊松霖單位:北京航空航天大學土木系、中建一局集團房地產開發有限公司、中國建筑設計研究院

超高性能基體混凝土采用PI42.5水泥,粉煤灰和硅灰的替代率分別為30%和10%,液態聚羧酸減水劑使水膠比降為0.15,減水劑液體含量包含在混凝土配合比總用水量中。超高性能混凝土用料及配比見表1。試件分A、B兩類,兩類試件都采用工程廣泛應用的拉拔鋼絲切斷型超細纖維(簡稱“超細纖維”,記X)和拉拔鋼絲切斷型端彎纖維(簡稱“端彎纖維”,記W),兩種纖維詳細參數見表2,纖維體積率根據前期材性試驗結果[10],取體積摻率為2%,按X∶W=3∶1混合比例。A類試件是超高性能混合鋼纖維混凝土梁(尺寸為400mm×100mm×100mm,簡稱“纖維小梁”)力學性能試驗;B類是配置550MPa縱向受拉鋼筋的超高性能混合纖維混凝土無腹筋梁(尺寸為1200mm×220mm×120mm,簡稱“鋼筋纖維梁”)受剪性能試驗。為便于試驗結果比較,均設計了相同基體混凝土對比梁。A類試件包括對比梁(編號分別為DA-1a和DA-1b)和纖維小梁(編號分別為A-2a、A-2b)兩組,纖維小梁的纖維體積摻率為2%,超細纖維與端彎纖維的混合比例為3∶1。每組小梁有兩個梁試件和3個100mm的立方體試件。B類鋼筋纖維梁的縱向受拉鋼筋為416(總面積804mm2),配筋率為4%,鋼筋實測屈服強度550MPa,極限強度700MPa。梁試件詳細尺寸和鋼筋布置見圖1。梁試件按剪跨比分λ為2.5和3兩組,每組包括兩根無腹筋纖維梁(編號分別為BJ-2.5a、BJ-2.5b和BJ-3a和BJ-3b)和一根對比梁(DB-2.5和DB-3),對比梁的尺寸、配筋、混凝土配比都與鋼筋纖維梁相同,不同點是無鋼纖維,B類總計6個梁試件;具體編號和相關參數見表3。圖2為纖維小梁抗彎試驗加載裝置圖,采用3分點加載,純彎段長度為100mm。加載速度通過固定于梁跨中的位移傳感器控制,跨中加載速率為0.3mm/min。試驗在1000kN萬能試驗機上完成。鋼筋纖維梁采取集中荷載加載方式,剪跨比為2.5的梁為兩點加載,兩加載點間距150mm;剪跨比為3的梁在跨中單點加載。加載裝置如圖3所示,千斤頂加載由荷載傳感器讀數。分級加載,當試驗梁接近開裂及破壞時適當減少加載增量值,以便準確捕捉開裂荷載和極限荷載。測點布置見圖1,受拉縱筋上預埋應變片,混凝土應變片布置在彎剪段可能出現斜裂縫的區域及混凝土剪壓區并與斜裂縫方向垂直。試驗梁的荷載、撓度、鋼筋和混凝土應變等數據通過IMP(isolatedmeasurementpods)數據自動采集系統錄入計算機,數據采集頻率為1Hz。試驗加載過程中,繪制了鋼筋纖維梁的裂縫發展情況,同時用數碼相機記錄整個破壞過程。

纖維小梁試驗結果及分析

纖維小梁的最終試驗結果見表4,破壞形態見圖4。由圖4可見,對比小梁DA-1垂直裂縫一出現梁就斷裂成兩截,纖維小梁A-2垂直裂縫出現后由于纖維的“橋聯”作用仍可繼續加載。表4中纖維小梁和對比梁的開裂荷載相差不大,說明纖維對開裂荷載影響不大;對比梁的開裂荷載和極限荷載相等、而纖維小梁的極限荷載較開裂荷載平均提高63%;纖維小梁的極限荷載較對比梁平均提高57%,纖維小梁的抗彎強度較對比梁平均提高55%。表4中斷裂能計算方法是根據文獻[12]所使用的計算方法,即抗彎應力-撓度曲線積分至受彎試件跨中撓度為1.5mm。正是纖維在混凝土中的“橋聯”作用,使纖維梁截面受彎承力得到提高,對比梁極限撓度未達到1.5mm。纖維小梁荷載-撓度曲線圖5為纖維小梁與對比梁的荷載-撓度曲線。對比梁一旦開裂就喪失承載力,沒有荷載-撓度曲線的下降段;纖維小梁開裂后仍能繼續加載,且極限荷載后的荷載-撓度曲線下降緩慢,可見纖維小梁的延性和耗能能力明顯好于對比梁。

鋼筋纖維梁抗剪試驗結果及分析

鋼筋纖維無腹筋梁的抗剪試驗結果見表5,破壞形態見圖6。剪跨比λ=3時,對比梁DB-3發生了典型的斜拉破壞,而鋼筋纖維梁則發生了彎剪破壞。加載初期,BJ-3梁跨中開裂,繼續增加荷載,彎剪段陸續出現幾條豎向裂縫并隨荷載增加發展成斜裂縫;隨后的加載過程中,跨中豎向裂縫發展緩慢,彎剪段斜裂縫高度和寬度發展迅速并隨后發展成一條臨界斜裂縫;在隨后的加載過程中,跨中鋼筋屈服導致豎向裂縫迅速發展,受壓區纖維混凝土出現許多水平裂縫,此時受壓區纖維混凝土壓而不碎。由于梁的撓度快速增加,中性軸上移,荷載仍可緩慢增加,臨界斜裂縫寬度也迅速增加,最后剪壓區混凝土被壓碎,梁的最終破壞形態為彎剪破壞。從縱向鋼筋屈服(豎向裂縫迅速變寬)到斜截面破壞的加載過程中,BJ-3梁的裂縫發展和破壞形態與普通鋼筋混凝土梁正截面破壞的適筋梁類似。剪跨比λ=2.5時,對比梁DB-2.5發生了典型的剪壓破壞,鋼筋纖維梁BJ-2.5a是彎剪破壞,BJ-2.5b是彎曲破壞。BJ-2.5a的彎剪破壞過程與BJ-3梁類似;BJ-2.5b梁前期裂縫發展與BJ-2.5a梁類似,也形成了臨界斜裂縫,但此后縱筋屈服導致豎向裂縫急劇發展,而斜裂縫發展緩慢,最終發生正截面彎曲破壞。從表5和圖6可以看出,BJ-2.5a和BJ-2.5b梁臨界斜裂縫形成時的荷載和極限荷載相差不大。由表5還可以看出,裂縫寬度達到0.2mm時各梁的荷載都大于該梁極限荷載的50%??梢姴捎?50MPa鋼筋的超高性能纖維混凝土梁,正常使用條件下的荷載(小于50%極限荷載)裂縫寬度小于0.2mm。

圖7a為剪跨比λ=2.5時鋼筋纖維梁和對比梁的荷載-撓度曲線。圖7b為λ=3時鋼筋纖維梁和對比梁的荷載-撓度曲線,由于鋼纖維承擔了部分拉力,導致鋼筋纖維梁的抗彎、抗剪承載力大幅度提高,出現了彎剪破壞。鋼筋纖維梁較對比梁在各關鍵點時力學性能的提高幅度見表6,極限荷載提高幅度為68%~317%。各梁的變形能力和延性系數見表7,鋼筋纖維梁的極限撓度是對比梁的4倍以上,鋼筋纖維梁的延性系數是對比梁的2倍以上。

從表5、表6可以看出,鋼筋纖維梁的初始豎向裂縫、初始斜裂縫、0.2mm寬度裂縫、臨界斜裂縫和極限荷載都較對比梁有明顯提高。鋼筋纖維梁當裂縫寬度為0.2mm和達到臨界斜裂縫時的荷載提高幅度都較大。試驗過程中利用裂縫自動測寬儀記錄了各鋼筋纖維梁裂縫寬度的照片。隨著裂縫加寬,裂縫處鋼纖維陸續被拔出,端彎纖維被拉直。圖8給出了荷載為300kN時各鋼筋纖維梁的最大裂縫寬度照片,表8列出了加載到120,180,240,300kN時各纖維梁的最大裂縫寬度。

鋼筋纖維梁中,鋼纖維隨機亂向分布,通過“橋聯”作用(圖9),纖維限制裂縫的發展并承擔部分拉力,同時改善了混凝土與鋼筋之間的粘結性能,顯著提高了梁試件的臨界斜裂縫荷載和極限荷載。在鋼筋纖維梁的加載過程中,纖維發揮著三方面的作用。首先,纖維對裂縫發展的阻礙作用,使得相同試驗荷載時鋼筋纖維梁的裂縫寬度較對比梁小很多(見表8),因此,提高了鋼筋纖維梁的極限荷載。其次,纖維的“橋聯”作用使正截面受壓區與斜截面剪壓區的纖維混凝土壓而不碎、裂而不散,在縱向受拉鋼筋屈服后仍能保持梁的中性軸緩慢上移、荷載繼續緩慢增長,最終剪壓區纖維混凝土被壓碎導致梁發生彎剪破壞。另外,纖維的“橋聯”作用類似于箍筋和縱筋,能有效承擔部分拉力,從而提高梁的極限承載力。

結語

本文對103MPa基體混凝土,纖維體積率2%,超細纖維與端彎纖維按3∶1比例混合時,超高性能纖維混凝土小梁的抗彎性能,以及配置550MPa縱向受拉筋的超高性能纖維混凝土無腹筋梁的受剪性能進行了試驗研究,取得以下結論:1)超高性能混合鋼纖維混凝土的抗彎強度和斷裂能明顯好于素混凝土。2)配置550MPa縱向受拉筋后,超高性能纖維混凝土無腹筋梁的受剪承載力顯著提高。剪跨比為2.5和3時,鋼筋纖維梁受剪極限承載力分別提高68%~72%和294%~317%。3)混合鋼纖維對鋼筋超高性能混凝土梁裂縫發展有明顯的阻礙作用,荷載為50%極限荷載時裂縫寬度小于0.2mm。4)超高性能纖維混凝土具有壓而不碎的特性,發生彎剪破壞的鋼筋纖維梁的極限撓度是對比梁的4倍,延性系數是對比梁的2倍以上。

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