钢纤维替代自密实混凝土梁箍筋的试验研究.pdf
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1、第 1 3卷第 5期 2 0 1 0年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 3,NO 5 Oc t , 2 0 1 0 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 5 9 5 0 6 钢纤维替代 自密实混凝土梁箍筋 的试验研究 尤志 国 , 丁 一 宁 , 王 宝 民 ( 1 大连理工 大学 结 构工程 研究所 , 辽 宁 大 连 1 1 6 0 2 4 ; 2 大连理 工大学 建筑 材料研究 所 ,辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 : 研 究 了用钢 纤维替代 箍
2、筋时 , 集 中荷 栽作用对 自密 实混凝土 梁破 坏形 态的 不 同影 响 , 同时分 析 了钢纤维部 分或全部 替代箍 筋的 可行 性 主要 试 验参 数 包括 纤维掺 量 ( 0 , 2 5 , 5 O k g m。 ) 和 配箍 率 ( 0 , 0 1 3 , 0 2 2 ) 利用普 通钢 纤 维混 凝 土 梁的截 面平均 极 限 剪应 力 经验公 式 对 试验 结 果进 行分析 , 并与 AC I 3 1 8 一O 2 , E u r o e o d e 2 , G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 , C E C S 3 8 : 2 0 0 4等 国 内外标 准进 行 了对
3、 比 结果表 明: 掺入 钢 纤维能显 著提 高梁的截 面平均极 限 剪应 力 , 当钢 纤 维掺 量和 箍 筋含 量达 到一 定值 时 , 它们 的共 同作 用可使 梁的破 坏 形 态从脆 性转 变为延性 , 因而钢 纤维能 够部分替代 箍筋 关键 词 :钢 纤维 自密 实混凝 土 ;梁 ;截 面平均极 限剪应 力 ;箍 筋 ;破 坏形 态 中图分类号 : TU3 7 5 1 文 献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 5 0 0 7 Ex p e r i m e n t a l S t u d y o
4、 n S CC Be a ms wi t h S t e e l Fi b e r s a s Al t e r n a t i v e o f S t i r r u p YOU Zhi gu o 。DI NG Yi n i ng 。W ANG Ba o rai n。 ( 1 St r u c t u r a l En gi n e e r i n g Re s e a r c h I ns t i t ut e,Dal i a n Uni v e r s i t y of Te c hn o l o gy,Da l i a n 1 1 6 0 24,Chi n a; 2 Bu i l d
5、i ng M a t e r i a l s Re s e ar c h I ns t i t u t e,Da l i a n Uni v e r s i t y of Te c hn o l o g y,Da l i a n 1 1 6 0 24,Ch i n a ) Ab s t r a c t :A s e r i e s of s e l f c o mpa c t i ng c o nc r e t e b e a m s we r e pr e pa r e d wi t h ho o ke d s t e e l f i b e r s r e i nf or c e d c
6、o n c r e t e wi t h a n d wi t hou t s t i r r u ps Two p o i nt s y mme t r i c a l l y p l a c e d ve r t i c a l l o a d t e s t s we r e c a r r i e d ou t Th e ma j o r t e s t v a r i a b l e s we r e t h e c o n t e n t o f s t e e l f i b e r s ( 0,2 5 ,5 0 k g m。 )a n d s t i r r u p r a t
7、 i o s ( 0,0 1 3 , 0 2 2 ) The t e s t r e s ul t s s ho w t h a t t h e a v e r a g e ul t i ma t e s he a r s t r e s s i s s i gn i f i c a nt l y i n c r e a s e d wi t h i n c r e a s i n g f i b e r c on t e nt ,a n d t he c on t e nt of f i b e r s i n a d e qu a t e pe r c e nt a ge c a n c
8、ha n g e t h e br i t t l e mo d e o f f a i l ur e c ha r a c t e r i z i ng s he a r c o l l a p s e i nt o d u c t i l e f a i l u r e me c ha ni s m ,S O t he s t i r r u ps c a n be p a r t l y r e p l a c e d by s t e e l f i be r s The u l t i ma t e s h e a r s t r e n g t h d e t e r m i ne
9、 d e x pe r i me n t a l l y i s c o m p a r e d wi t h t h e c o r r e s p o nd i ng va l ue d e du c e d by s e m i e m p i r i c a l e xp r e s s i on s f o r no r ma l c on c r e t e be a m s a n d GB 5 0 01 0 - 2 0 02,CECS 3 8: 2 0 04,ACI 3 1 8 一 O 2,Eur o c o de 2 Ke y wo r d s :s t e e l f i
10、b e r s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e( S FS CC) ;b e a m ;a v e r a g e u l t i ma t e s h e a r s t r e s s ;s t i r r u p; f a i I Ur e mo d e 当剪跨 区混凝 土的主拉应 力超过 混凝土 的抗拉 强 度时 , 钢筋 混凝土梁 就会 出现斜裂缝 在混凝 土 中 掺加适量结构用钢纤维可 以提高其裂后抗拉承载 力 , 明显增 加钢筋 混凝 土梁 的截面平 均极限 剪应 力 , 并使其破坏形态从脆性转变为延性 , 减小裂缝宽度 和间距
11、一 些 国 内外学 者进行 了钢纤维 混凝土梁 的抗剪 性 能研究 , 提 出了一 些适 用 于普 通 纤维 混凝 土梁 的 截 面平均 极 限 剪应 力 经 验 公 式 纤 维 可 以提 高 混 凝土 的抗剪 能力 或 者部 分替 代 箍筋 , 从 而减 少 配 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 2 2 4 ;修订 日期 : 2 0 0 9 1 0 2 6 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 5 7 8 0 2 6 ) 第一作者 : 尤志国( 1 9 8 1 一) , 男 , 河北秦皇岛人 。 大连理工大学博士生 E ma i l : y o u z h i g u o
12、l 1 9 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 3卷 筋 密集处 的 箍筋 数_ l2 国外 已经 成 功 采 用 以纤 维 全 部或部 分替代 隧 道 承重 构件 中的 钢筋 , 应 用 纤维 混 凝土管 片作为 隧道 的承重 构件 _ 】 高 强混 凝 土脆 性 高 、 延性 低的缺 点限制 了其应用 , 而加入 纤维 后可 以改善上述 缺点 自密实 混凝 土 中骨料 和浆 体界 面 的黏 结性 能优 于普 通混凝 土 , 其 内部 缺 陷 也少 于普 通 混 凝 土 1 纤维 自密实 混凝 土是 近 年来 发 展
13、 的新 方 向之 一 , 它 结合 了纤维 混凝 土 和 自密实 混 凝 土 的优 点 , 但 其 中 的纤 维掺量要 根 据其 工 作性 来 确定 , 从 而 限 制 了纤 维 的最高掺 量 目前 对纤 维 自密实 混凝 土 梁 的研 究 尚处 于起始 阶段 本 文部分 参照普通 纤维 混凝土梁 的截 面平均 极 限剪应 力经验公 式 , 并 以 自密 实混凝 土为基 体 , 在 钢 纤维几 何参数 保持 不 变 的前 提 下 , 重点 研 究 以钢 纤 维部分 或全部 替代 箍 筋 的可 行 性 , 以及 在 集 中荷 载 作用下 梁 的受 剪破 坏 形 态 , 并 对 比分析 了截 面平
14、 均 极限剪应 力 的试 验值 与普通纤 维混凝 土梁 的截面 平 均极 限剪 应力经 验公式 的计算 值 1 试 验 概 况 1 1 原 材料 普通 硅酸盐 水泥 P0 4 2 5 R; I级 粉煤 灰 ; 天 然河砂 ; 碎石 ( 粒径 1 0 ra m) ; 聚羧酸类 高效减 水剂 ; R C - 6 5 3 5 一 B N端部弯钩 型钢 纤 维 , 纤 维长 度 3 5 mm, 长径 比 6 5 , 抗 拉强度 1 1 5 0 N ram , 纤维根 数 1 4 5 0 0 根 k g , 掺量分 别 定 为 0 , 2 5 , 5 0 k g m。 钢 纤 维 自密 实混凝土 ( S
15、 F S C C ) 的基 体配合 比见表 1 表 2给 出了梁试验 时钢 纤维 自密 实混凝 土标 准 立方体 的抗压 强度 _ 厂 c u 由表 2可见 , 随着纤 维掺量 的 增加 , 值增大 表 中圆柱体 的抗压强度 一0 8 6 厂 c _ 8 , 用于截面平均极限剪应力的计算 表 1 钢 纤维 自密 实 混 凝 土 的基 体 配 合 比 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n o f S F S CC Mi x p r o p o r t i o n ( k gm ) S u p e r p l a s t i c i z e r mb Ce me
16、 n t Fl y a s h W a t e r S a n d Ag g r e g a t e ( b y ma s s ) F i b e r c o n t e n t ( k g IT I ) MP a f c MP a 1 2试件 设计 9根钢筋 钢 纤 维 自密 实 混 凝 土梁 ( 3根 无 腹筋 梁 , 6 根 有腹 筋 梁 ) 的 剪 跨 比等 于 3 , 配箍 率 分 别 为 0 , 0 1 3 , 0 2 2 ( 构 造 配 箍率 , 下 同) , 对 应 的箍 筋 问距分别为C X D , 2 5 0 , 1 5 0 mm 所有 梁 的几 何尺 寸 和纵 筋配筋率都
17、相 同, 截面尺寸 2 0 0 mm3 0 0 mm, 有效 高度 2 6 2 5 mm, 跨 度 2 1 0 0 ml T l , 纵 筋配 筋率 2 8 抗弯 钢筋在 支座 后 向上 弯起 , 以保 证 足够 的锚 固长 度 纵 筋 和 箍 筋 分 别 采 用 HR B 4 O O和 HP B 2 3 5钢 筋 , 其屈 服强 度分别 为 4 6 1 2 , 3 4 1 3 MP a ; 极 限强度 分别 为 6 5 2 6 , 5 0 6 5 MP a 所 有梁 的类型见 表 3 其 中 S F S C C B 0 一 c x 。 表 示钢 纤维掺 量为 0 , 箍 筋 间距 为。 。
18、的钢 筋 自密 实混 凝 土 梁 , 其余 梁 的命 名依 此类推 1 3加载方 式和采 集 系统 为了避 免简支 梁 集 中荷 载 作用 处 应力 集 中 , 引 起 局部 压 碎 现 象 , 支 座 与混 凝 土 粱 的 接 触 面 采 用 1 5 0 mmx 2 5 0 mm 的钢板 , 加载 点下采 用 1 2 0 mm 2 5 0 mm 的钢 板 试 验 开 始 时 预 加 载 不 超 过 计 算 初 裂弯 曲荷 载 的 7 O , 卸 载 , 然 后 以 0 2 mm mi n的加 载速率继 续加载 , 在初裂弯 曲荷载前加 载步 为 1 O k N, 荷 载大 于初裂 弯 曲荷
19、载后 加 载 步 调整 为 2 0 k N, 直 至 破坏 在 荷载 到达每一 加载 步后 , 持载至挠 度稳 定 后 才继续 加 载 试 验 中采 用 L VDT测 量 了跨 中、 支 座 、 加 载点 下 梁 的挠 度 , 采用 精 度 为 0 0 2 mm 的裂 缝 观测仪 测量 了主裂缝 宽度 2试 验 结 果及 分 析 2 1 破坏 形态 在荷 载为 4 0 8 0 k N 时 , 梁 的纯弯 段 底 面首 先 出现弯 曲裂 缝 随着 荷 载 的增 加 , 裂 缝 高 度 逐 步 增 长 , 同时剪 跨 区也 出现数 条竖 向裂缝 当达 到梁 的斜 截 面开裂 荷载 时 , 梁 的弯
20、剪 区出现斜 裂缝 除 S F S C C B 5 0 1 5 0之外 的其余 梁均发 生 了斜 截面 破坏 钢纤维掺量达到一定值 时能影响 梁的破坏形 态 配箍率 相 同时 , 钢纤维 混凝 土梁裂缝 形态 的变 化 规律 是一致 的 以配箍率 为 0 2 2 的梁为 例进 行分 析 ( 见图 1 ) , 可 以发 现 , 随着 钢 纤 维 掺 量 增 加 , 裂缝 条数 明显增 多 , 间 距变小 , 说 明钢纤 维使 梁发 生 了显 著 的应力重 分布 ; 斜 裂缝条 数 由 1根变 为 多根 , 破 坏 时极 限挠度 ( 极 限承载力所 对应 的挠度 , 见 表 3 ) 也 明 显增
21、大 ; 钢 纤 维 掺 量 为 5 0 k g m。的 梁 ( S F S C C B 5 0 1 5 0 ) 其 剪跨 段没 有 发生 斜 截 面破 坏 , 而是 跨 中纯弯 段纵 筋屈服后 受 压 区混 凝 土被 压 碎 , 发 生 了延 性 的 弯 曲破坏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 尤志 国, 等 : 钢纤维替代 自密实混凝土梁箍筋的试验研究 5 9 7 ( a ) S F S CC B 0 - l 5 0 ( b ) S F S C CB 2 5 - l 5 0 ( c ) S F S CC B 5 0 - l 5 0 图 1 配箍率
22、0 2 2 半跨梁的裂缝分布图 F i g 1 Cr a c k d i s t r i b u t i o n o f h a l f b e a ms wi t h s t i r r u p r a t i o 0 2 2 表 3粱的极限承载力和截面平均极限剪应 力 T a b l e 3 Ul t i ma t e l o a d a n d a v e r a g e u l t i ma t e s h e a r s t r e s s o f b e a ms Ul t i ma t e Ul t im a t e B e a m t y p e U l t 叭 i ma N
23、t e P d e f l e c t i F a i l u r e m o d e No t e : Ul t ima t e I o a d i s t wi c e t h e u l t i ma t e s h e a r in t h e p a p e r 2 2钢纤维 替代 箍筋 的可行性 纤维对 抗剪 的贡献 主要包 括 : ( a ) 显 著增 加 混凝 土开裂后的承载力, 跨越裂缝 , 桥架裂缝两边 的混凝 土 , 直接传递拉力 ; ( b ) 减小斜裂缝宽度, 从而使骨料 咬合作用得以维持或增强, 增大骨料咬合力 ; ( c ) 减 小或避 免 由销 栓力或 锚 固力
24、所产 生的撕 裂或 劈裂 裂 缝, 增大销栓力 本文将从荷载一 跨中挠度 曲线 、 极限 承载力 、 极限挠度 、 斜截面开裂荷载、 裂缝宽度及破 坏形态等几方面综合分析以纤维部分或全部替代箍 筋 的可行 性 2 2 1 钢纤 维全部 替代箍 筋的可 行性 图 2对 比了钢纤 维掺 量与 配箍率不 同 的 S F S C C B荷 载一 挠 度 曲线 由图 2 ( a ) 可 见 , S F S C C B 5 0 一 C x 在荷 载达 2 4 0 k N 之前 其 曲 线上 升 段斜 率 比 S F S C C B 0 1 5 0 ( 6 5 1 5 0 ) 大 , 当荷载 继 续增 加
25、时 , S F S C C B 5 0 。 。 的曲线 上 升 段 斜 率 则 小 于 S F S C C B 0 1 5 0 , 表明随着荷载增加 , 钢纤维逐渐被拔出; S F S C C B 5 0 一 。 。 在 曲 线 上 升 段 的 斜 率 始 终 大 于 S F S C C B O 一 2 5 0 ( 6 5 2 5 0 ) , 这 是 由于钢纤维 不仅增 强 了梁 的斜 截 面 承载 力 , 也 增 大 了 其 正 截 面 抗 弯 刚 度 和 承 载 力 所致 S F S C C B 0 1 5 0和 S F S C C B 0 2 5 0的斜 截 面开 裂荷 载分别 为 1
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