钢骨轻骨料混凝土受弯构件裂缝宽度试验研究.pdf
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1、第 3 7卷 第 l 2 期 建 筑 结 构 2 0 0 7 年 1 2月 钢骨轻骨料混凝土受弯构件裂缝宽度试验研究 汪明栋 王铁成 于庆荣 ( 天津 大学建 筑工程 学 院3 0 0 0 7 2 ) 姜维山 ( 西安建筑科技大学7 1 0 0 5 5 ) 提要】 通过对 8 根钢骨轻骨料混凝土梁和 2根钢骨普通混凝土梁的试验, 研究了钢骨轻骨料混凝土受弯构 件在单调荷载作用下的裂缝开展与分布情况。试验表明, 在正常使用极限状态下, 钢骨轻骨料混凝土受弯构 件的最大裂缝宽度符合使用要求。与钢骨普通混凝土受弯构件相 比, 其裂缝宽度稍大, 但裂缝宽度变异系数 较小。受拉纵筋应力是影响裂缝宽度 的
2、最重要因素, 二者近似呈线性关系。由于型钢对混凝土具有约束作 用, 在保护层厚度与有效配筋率两个变量中应考虑型钢的影响。在试验资料和理论分析的基础上, 给 出了钢 骨轻骨料混凝土受弯构件最大裂缝宽度的计算公式 。公式的计算结果与实测数据符合较好。 关键词】 钢骨 轻骨料混凝土 受弯构件裂缝宽度 Ex p e r i me n t a l S t u d y o i l Cr a c k Wi d t h o f S t e e l r e i n f o r c e d L i g h t - we i g h t Co n c r e t e Be a ms Wa n g Mi n g d
3、o n g , Wa n g Ti e c h e n g ,Y u Q in g r o n g , J i a n g We i s h a n ( 1 C i v i l E n g i n e e ri n g C o l l e g e , T i a n j i n U n i v e r s i t y , T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ,C h i n a ; 2 X i a n U n i v e rs i t y o f A r c h i t e c t u r e&T e c h n o l o g y , X i a n 7 l 0 0 5 5
4、, C h i n a ) Ab s t r a c t : B a s e d o n t h e e x p e ri me n t o f e i g h t s t e e l - r e i n f o r c e d l i g h t - we i g h t c o n c r e t e b e a ms a n d t w o s t e e l r e i n f o r c e d c o n c ret e b e a ms ,t h e o p e n i n g a n d d i s t rib u t i o n o f c r a c k s a r e s
5、 t u d i e d an d a c o m p a r i s o n wi t h t w o d i f f e ren t a g g r e g a t e s h a s b e e n ma d e t o fi n d o u t w i d e r c r a c k s f o r l i g h t c o n c r e t e b e a ms w i t h s ma l l e r v a r i a t i o n s I t i s i n d i c a t ed t h a t t h e s t r e s s o f t e n s i l e
6、b a r s i s t h e m o s t v i t a l f a c t o r a f f e c t i n g t h e c r a c k w i d t h a n d a l i n e a r r e l a t i o n s h i p a l s o d e v e l o p s b e t ween t h e t wo Wh i l e t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o n o f t h e e ff e c t of s t e e l s h a p e,a f o r mu l a for
7、t h e ma x i mu m c r a c k w i d t h u n d e r s h o r t t e rm l o a d of S RL C b e a ms i s a l s o p r o p o s e d w i t h s a t i s f a c t o r y a g r ee me nt o b t a i n e d b e t ween f o r mu l a r e s u l t s a nd e x p e r i me n t a l d a t a Ke y w o r d s : s t e e l rei nfo r c e d
8、;l i g h t w e i ght c o n c re t e ; b e am ;c r a c k w i d t h 1 试验方案 试验设计 了 l 0 根试件梁 , 其中 8根为钢骨轻骨 料 混凝土梁 , 2根 为钢骨 普通 混凝 土梁 。试 件共 同 的截 面特性见图 l , 其他特征见表 l 。 00 P 仡 J 2 l 2 图 1 试件尺寸及配筋与加载示意 试验采用单调加载 。试验前 先预加 l O k N, 然后 以 5 k N一级加至计算开裂荷 载的 9 0 , 改为 2 5 k N一级 。 构件开裂后 以 l O k N为一 级 。荷 载超 过使 用状态 短期 荷
9、载试验值 以后 , 以 5 k N为一级直 至破坏 。试验 以加 载破坏时对应 的荷 载作为 承载力极 限状态对 应荷 载, 以破 坏荷载 除以 1 2 7的分项 系数作为 正常使用 极限 状态对应荷载。 2 试 验 结 果 分 析 2 1概况 首批裂缝 大都 出现于跨 中, 由于? 昆凝土 的不均 匀 62 试件特征 表 1 试件 截面特征 含钢 剪跨 编号 型钢 下部纵筋 箍筋 率( ) 比 C 。 混凝土 S R L C B 1 I 1 O 2 1 2 中6 1 5 0 4 2 6 3 4 1 1 0 陶粒 S R L C B 2 I 1 O 2 1 2 q b 6 1 5 0 4 2
10、6 3 4 1 1 0 陶粒 S R L C B 3 I 1 O 2 1 2 q b 6 1 5 0 4 2 6 3 4 B 0 陶粒 S R L C B 4 I 1 O 2 1 8 中6 1 5 0 4 9 0 3 4 8 0 陶粒 S R L C B 5 I 1 O 2 1 2 中6 1 5 0 4 2 6 3 4 1 1 0 陶粒 S R L C B 6 I 1 4 2 1 2 中6 l 5 0 5 8 9 3 4 7 0 陶粒 S R L C B - 7 I 1 4 2 1 2 q b 6 2 5 0 5 8 9 3 4 7 0 陶粒 S R L C B 8 I 1 6 2 1 2 q
11、 b 6 1 5 0 6 9 3 3 4 5 0 陶粒 S R C B 9 I 1 O 2 1 2 中6 1 5 0 4 2 6 3 4 1 1 0 普通 S R C B 1 0 I 1 6 2 1 2 q b 6 1 5 0 6 9 3 3 4 5 0 普通 性 , 少数裂缝 也会 出现在 离跨 中较 远位 置 , 宽 度约 为 0 o 2 0 0 3 m m。随着 外荷 载增加 , 由于钢筋 和混凝 土 之间的粘结和应力 传递 , 于 首批 裂缝 间出现第二批 垂 直裂缝。荷 载达到 开裂荷载 的四倍左右 时 , 垂直裂 缝 基本出齐 。裂缝随荷 载增大 而向上延伸 , 裂 缝宽度 也 不
12、断加大 。构 件接 近破坏 时 , 最 大裂 缝宽 度 达 1 0 1 5 mm。构件斜 裂缝 出现 不太 明显 。随着 荷 载增 加 , 支座 附近少数裂 缝斜 向发 展 , 向加 载点延伸 。也有 极 少数 由腹 剪裂 缝发 展成 为较 长 的斜裂 缝 。构 件破 坏 时 , 斜裂缝最大宽度达 0 1 m m。 1 十 T 一一 维普资讯 2 2影响裂缝宽度的主要因素 1 保护层 厚度 纵筋 和型 钢保护 层厚 度是影 响 裂缝宽度的主要 因素之一 。随保护 层厚度 增 大, 裂 缝 宽度增大。而且 由于底 部混凝 土 所受 的约束 作用 减 弱 , 裂缝向上延伸很快 。荷载较 大时 ,
13、构件底 部的垂直 裂缝分叉 比较明显 , 且有水平裂缝 出现 。 2 受拉纵 筋直径 纵 筋直 径对 裂缝宽 度影 响不 大 , 原因在于钢筋 对 于混 凝土 的有效约束 随直径 增加 并不显著 。许多对 比试 验表 明, 在 配筋率 保持不 变时 如果增加钢筋根数 , 并将纵筋分散均匀 布置 , 将有效增 加纵筋对混凝 土的约束 , 因而 裂缝 间距 或裂缝 宽度较 密 、 较细 , 可 以达到理想 的控制裂缝的 目的。 3 受拉纵 筋应 力 钢筋水 平处 的裂缝 宽度 普遍 大于型钢下翼缘处 的裂缝宽度 。因此 , 在裂缝控制 中, 应以钢筋水平处 的裂缝为准 。图 2给出了平均裂缝宽 度
14、 W 与受拉纵筋应变 e 的关 系曲线 。分析表 明, 钢 骨轻骨料混凝土受 弯构件 的裂缝宽度与受拉纵筋应力 近似 呈正 比关系。 图 2 实测 E m - 关系 4 型钢高度 型钢充满型 ( 如I 1 6工字钢 ) 的构件 与非 充满型( 如I l 0, I 1 4 ) 的相 比较 , 裂缝 间距更均匀 , 垂直 裂缝形状 也 比较 规则 , 少有枝 状裂缝 出现 。这是 由于充满型构件 的型钢翼缘 宽度较 大 , 对混 凝土 的约 束作用较强 的缘故 。另 外 , I 1 6工字 钢 的锚 固措 施是 采用腹板加劲 肋 , 比起I l 0和I l 4所 采 用 的角钢 剪力 键 , 它与
15、混凝土 的粘结锚固作用更强 。因此 , 在 实际工 程 中, 型钢充满 型的钢骨混 凝土受 弯构件 在裂缝控 制 方面具有定优越性 。 2 3两种不 同骨料钢骨混凝土构件 的对 比 钢骨轻骨料混凝土受弯构件 比钢骨普通混 凝土受 弯构件的裂缝 间距 、 最大裂缝宽度稍大 , 原 因在 于轻骨 料混凝土与钢筋 或型钢 的握裹 能力 比普 通混凝 土差 , 但在正常使用 极 限状态 下裂缝 宽 度仍 能满 足 使用 要 求 。另外 , 钢骨轻骨 料混凝 土受 弯构 件裂缝 宽度 离散 性稍小 , 因为轻骨料混凝土 比普 通混凝 土的匀质性好 , 因而裂缝在各处的开展较为均匀 。试验结果见表 2 。
16、 主 要试验 结果 表 2 试件 开裂荷载 破坏荷载 正常极限状态下裂缝( ra m ) 破坏时最大 编号 f k N ) ( k N ) 平均间距 平均宽度 最大宽度 裂缝宽度( m i l1 ) S R 【 B 1 2 1 2 5 l 4 o 0 I l 3 7 5 0 0 6 0 l 0 1 0 S R 【 B 2 I 8 7 5 l 4 5 0 I l 4 5 0 0 0 7 0 1 0 0 5 S R 【 B 3 2 1 2 5 l 2 0 0 l 2 4 8 l 0 0 9 0 1 3 1 2 S R L C B 4 I 8 7 5 1 4 0 0 1 2 0 0 7 0 0 6
17、0 1 0 1 1 S R L C B 5 l 6 2 5 1 4 5 0 I l 8 3 4 0 0 5 00 8 1 8 S R L C B 6 2 1 2 5 l 6 5 0 I l 0 9 7 0 1 2 0 1 8 0 8 S R 【 B 7 2 3 7 5 l 6 0 0 1 0 5 8 l 0 1 0 0 1 6 0 7 S R 【 B 8 2 3 7 5 l 9 2 5 l o 2 5 0 0 0 9 0 1 0 l 0 S R C B 9 l 6 2 5 1 5 2 5 4 0 9 0 0 6 0 1 0 1 1 S R C B 1 0 2 6 2 5 I 8 5 0 9 9
18、 7 6 0 0 5 00 9 1 2 3 最 大裂缝宽度的计算公式 根据试验研究结 果 , 参考 钢骨普通 混凝 土受弯构 件的裂缝宽度 计算公式并 与现行 混凝土 规范相衔 接 , 为便 于设计应用 , 建议钢 骨轻骨料混 凝 土受弯构件 最 大裂缝 宽度计算式为 : 一 ( 2 1 0 ) 式 中: 为构件受力特 征系数 , 按混凝 土规范 , 对 受弯 构件取 2 1 ; 为裂缝 问纵 向受 拉 钢筋 应 变不 均匀 系 数 , 其计算公式 为 卜 其 中 为受拉纵筋应力 , 参 照钢骨普通混凝 土有 关研 究成果_ 】 J , 其计算公式 为 : 肘( M M) s k 一0 8 5
19、A h 0 其 中: M: 0 1 7 +7 3 1 E l00 4 5 a E p 一2 2 5 5 ( d E l0 ) h 0= hn , l0 :A , b h 0, d E: E E 参数 A 。 , E 分别为受拉 区型钢截 面面积及 弹性 模量 ; c 为折算保护层厚度 , c 。 : 0 5 ( c +c ) , c , c 分别 为受拉钢筋和型钢保护层厚度 ; d 为纵向受拉钢 筋等 效直 径 , 按混 凝土 规范 3 计算 ; p 为按 有效 受拉混 凝 土 截面面积计算的纵 向受拉钢筋和型钢下翼缘的配筋 率 , p 。=( A +0 5 d b f ) a 。 将正常使用
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