改性竹筋混凝土受弯构件力学性能试验研究.pdf
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1、第 3 7 卷 第 5 期 2 0 1 5年 1 O月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V0 I 3 7 No 5 0c t 2 O1 5 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 5 0 5 0 0 5 改性竹筋混凝土受弯构件力学性能试验研究 邹立华 , 钟坤禄 , 谢吉鸿 , 张天宇 , 李梁峰 ( 1 福州大学 土木工程 学
2、院, 福 州 3 5 0 1 0 8 ; 2 福 建省建 筑科 学研 究院 ,黄凯 ,福 州 3 5 0 0 2 5 ) 摘 要 : 针对 竹 筋混凝 土 结构存 在 的 问题 , 提 出 了多种 对竹 筋 的改性 方 法 。在 此基 础 上 , 对 1 2根 采 用不 同配 筋和不 同改性方 法 的受 弯构件 ( 1 l根 竹 筋 混 凝 土 梁 和 1根 钢 筋混 凝 土 梁 ) 进 行 了试 验研 究 , 分析 了不 同改性 方法和 不 同配 筋率 竹 筋 混凝 土 受弯 构件 的力 学性 能 、 破 坏 形 态及 其 影 响 因素 。 研究结果表明: 竹筋能有效提高混凝土受弯构件的承载
3、能力; 经过适 当方法改性后的竹 筋能确保竹 筋和混凝土之 间的有效粘结, 其正截 面强度计算可以采用平截面假定; 竹筋混凝土受弯构件 的破坏 均 为脆 性破 坏 , 其 破 坏形 态与 其截 面 配筋率 有 关。 关键 词 : 改性 竹 筋混凝 土 ; 受 弯构件 ; 力学性 能 ; 平截 面假 定 ; 脆性 破 坏 中图分类号 : T U3 9 8 文献标志码: A 文章编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 3 3 0 8 Ex pe r i me n t a l a n a l y s i s o f me c h a ni c a l pr
4、o p e r t y o f pr o c e s s e d b a mb o o r e i nf o r c e d c o n c r e t e f l e x u r a l m e m b e r Zo u Li h u a , Zh o n g Ku n l u , Xi e J i h o n g , Zh a n g Ti an y u , Li Li an gf e n g , Hu a n g Kai ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g , F u z h o u Un i v e r s i t y ,
5、 Fu z h o u 3 5 0 1 0 8,PRC h i n a 2 Fu j i a n Ac a d e me y o f B u i l d i n g Re s e a r c h, Fu z h o u 3 5 0 0 2 5,PRC h i n a ) Ab s t r a c t : To o v e r c o me t h e e x i s t i n g p r o b l e ms o f b a mb o o r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ,s e v e r a l p r o c
6、e s s i n g m e t h od s a r e p r op os e d t o i m p r o ve t he p e r f o r ma nc e o f ba m b oo b a r Exp e r i me n t s o n t we l v e f l e x ur a l m e mbe r s ,i n c l ud i n g e l e ve n ba mb oo r e i nf or c e d c on c r e t e b e a m s a nd o ne s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e
7、t e b e a m , i s c a r r i e d o ut Th e me c ha ni c a l p r op e r t i e s, f a i l u r e mod e s a nd i nf l u e n t i a l f a c t or s of f l e x ur a l be a ms wi t h di f f e r e n t pr oc e s s i ng m e t ho ds a nd r e i nf or c e me nt r a t i os a r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s ho
8、 w t ha t :ba m b o o c o ul d i m p r ov e e f f e c t i ve l y t he f l e xu r a l c a pa c i t y o f c o nc r e t e be a m , a n d t he e f f e c t i ve b on di n g be t we e n ba mb o o r e i nf or c e me nt a n d c on c r e t e c ou l d be a c h i e v e d i f t he b a mbo o i s p r o c e s s e
9、d by pr o pe r me t ho ds M o r e o ve r,t he pl a n e s e c t i on a s s umpt i on c a n b e us e d f o r b e a r i ng c a p a c i t y c a l c u l a t i on of b a mbo o r e i nf or c e d c o nc r e t e b e a ms Th e f a i l u r e mo d e o f b a mb o o r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms i
10、S b r i t t l e f r a c t u r e a n d t h e d e t a i l e d f r a c t u r e p a t t e r n i S r e l at e d t o r e i nf or c e me nt r a t i os 收 稿 日期 : 2 o 1 5 - 0 4 2 1 基金项 目: 国家 自然科 学基 金( 5 1 1 0 8 0 9 1 ) ; 住房和城乡建设部研究 开发 项 目 ( 2 0 O 9 一 R 4 8 ) 作者 简介 : 邹立华 ( 1 9 6 6 一 ) , 男 , 教授 , 博 士生 导 师 , 主要
11、从事 结构 抗震 工 程及新 型 结构 形式 研究 , ( E - ma i l ) z o u l i h u a 6 6 16 3 c o m 。 黄凯 ( 通信作者) , 男 , 博 士, 副研究员 , ( E - ma i l ) h u a n g k a i e q q c o m。 Re c e i v e d: 2 0 1 5 - 04 2 1 F o u n d a t i o n i t e m : Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f Ch i n a( No 5 1 1 0 8
12、 0 9 1 ) ; Re s e a r c h & De v e l o p me n t Pr o j e c t o f M OHURD( No 2 0 0 9 一 R4 8 ) Au t ho r br i e f:Zou Li hua (1 966 一 ), pr of e s s or , doc t or i a I s upe r v i s or , ma i n r e s e a r c h i nt e r e s t :a nt i s e i s mi c s t r uc t ur a l e n g i n e e r i n g a n d n e w s
13、t r u c t u r a l f o r ms , ( E ma i l )z o u l i h u a 6 6 1 6 3 c o rn Hu a n g Ka i( c o r r e s p o n d i n g a u t h o r ) ,Ph D,a s s o c i a t e r e s e a r c h f e l l o w,( E- ma i l )h u a n g k a i e q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 期 邹立华, 等: 改
14、性竹筋混凝土受弯构件力学性能试验研究 3 5 见表 1 , 各试件编号及配筋情况详见表 2 。为与普通 钢筋混凝土构件受弯性能进行对 比, 确保除受弯性 能外的其他性能相近, 在试验中箍筋依 旧采用钢筋, 配筋 为 8 1 0 0 。 表 1材 料 性 能 Ta b l e 1 Pr o p e r t y o f m a t e r i a l s 2 2 试 验 设备及 加 载方 式 1 ) 试 验设 备 : DH3 8 1 6静态应 变采 集箱 1台、 DH3 8 1 8静态应变测试仪、 5 0 t 油压 千斤顶 、 压力传 感器、 YHD 一 1 O 0型位移 传感器、 Z X L 一
15、 2 0 1智能裂缝 测宽仪及卷尺。 2 ) 加 载方式 : 由千斤 顶及 反力 架施 加 荷 载 , 刚性 梁分配荷载 , 使得跨 中形成纯弯段。在千斤顶加载 点处放置预先标定过的压力传感器 , 连接 DH3 8 1 8 应 变测试 仪 来显示 荷 载增 量 。加载 采 用 分级 加 载制 度 , 每级加载值为 5 k N, 当梁临近开裂和破坏 时, 适 当降低 每 级加 载值 以便 观察 其受力 情 况 。 3 ) 量测 内容 : 在 纵 向筋 材 和 箍 筋 上 粘 贴 应 变 片 以测量筋材变形 , 在每条纵筋 的跨 中位置均匀布置 3个应变片, 在距离支座 3 0 0 _ lT i
16、的箍筋上布置箍筋 应变片 。此外, 在试验过程 中, 沿跨 中截面高度均匀 布 置 7片 混 凝 土应 变 片 。 以上 应 变 均通 过 DH3 8 1 6 静态应变采集箱采集 。 为观 察裂 缝发 展情 况 , 将试 验梁 刷 白 , 并 在梁 侧 面 画上 间 距 为 5 O IT ff n的 网格线 , 裂 缝 宽 度 由 Z X L 一 2 0 1 智能裂缝测宽仪测得 ; 在梁支座 和 L 2处安装 YHD - 1 0 0型 位移 传感 器 , 并 将 其 连接 于 D H3 8 1 6静 态应变采集箱, 利用采集系统测出挠度 。 1 0 l 1 ( b) 1 反力梁及龙 门架 ;
17、2 5 0 t 千斤顶 ; 3 压力传感器 ; 4 工字钢分配梁; 5 钢垫板 ; 6 分配梁固定铰支座 ; 7 分配粱滚动铰支座 ; 8 试验梁 ; 9 固定铰支座 ; 1 0 滚动铰支座 ; 1 1 底座 图 2加载装置 Fi g 2 Te s t s e t u p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 7 卷 3 试验 结果及分析 3 1 破 坏形 态 由试验可以看出, 初始加载时 , 随着荷载的增加 , 普通竹筋混凝土、 改性竹筋混凝土和钢筋混凝土所表 现 出的性能基本相 同 , 均表现 为线性 变化 。随
18、着 荷载 的增加 , 各试件 受 拉 区混 凝土 先后 开 裂 , 开 裂 荷 载 除 个别试件外均在 4 0 k N左右。这说明, 混凝土受弯构 件的开裂荷载主要取决于混凝土的抗拉强度, 而与所 用配筋的种类和配筋率大小关系不是太明显, 也说明 普通竹材与混凝土之间有一定的粘结强度。 然 而 , 与 钢筋 混凝土 适筋 梁 ( 图 3 ( f ) ) 不 同 的是 , 竹筋混凝土受弯构件在受拉 区 昆凝土开裂后, 裂缝 长度瞬 间增大 , 受 压 区高度 迅速 减小 ( 图 3( a ) ( e ) ) , 且裂缝一旦形成 , 便具有一定 的宽度 。这是 因 为 , 开裂 以前 , 应 力
19、主要 由受 拉 区混 凝 土 承 担 , 而 竹 材 应力 很 小 , 裂 缝 形 成 以 后 , 受 拉 区 混 凝 土 退 出 工 作 , 原来 由受拉区混凝土承担的应力转而 由受拉竹 筋承担 , 因而竹筋应力迅速增大 。由于竹材 的弹性 模量较小( 约为钢材的 1 1 0 ) , 故裂缝一旦 形成, 便 具有一定宽度 , 从而使截面中性轴迅速上移, 导致受 压区高度迅速减小。 与 普通 竹 筋 混 凝 土 相 比 , 除 B _ L 一 2 ( 方 法 2 ) 外 ( 图 3 ( b ) ) , 改性竹筋混凝土受弯构件的初始裂缝宽 度 相对 较小 。如 B J 一 4 ( 方 法 3 )
20、 和 3 - S - 6 ( 方 法 4 ) 的 初始裂缝宽度仅为 o 1 mm, 而相应配筋率的普通竹 筋混凝土初始裂缝宽度为 1 5 mm。这说明, 竹筋经 改 性处 理 以后 , 能 有效 增 大 混 凝 土 与竹 筋 之 间 的粘 结力 , 使竹筋和混凝 土能协 同工作 。对 于 B L 一 2 , 即 采用沥青包裹的改性方法, 虽然其表面也散放 了无 机颗粒 , 但当施加荷载时, 沥青层因产生过大的剪切 变形而 导致 与 混凝 土之 间 产 生 滑移 , 从 而 减 小 了竹 筋 和混 凝土 的粘 结 强 度 , 以致 其 初 始裂 缝 宽 度 甚 至 大于普通竹筋混凝土( 图 3
21、( e ) ) 。 随着荷 载 的进一 步增 大 , 裂缝 宽 度增 大 , 受 压 区 高度继 续减 小 , 当荷 载增 加 到一 定 值 时 , 构 件 破 坏 。 与钢筋 混凝 土适 筋梁 ( 图 3 ( f ) ) 不 同 的是 , 拥 有 相 应 配筋率 的竹筋混凝土梁( 图 3 ( g ) ) 裂缝发展较快 , 裂 缝数量相对较少 。更为重要是 , 在通常配筋率条件 下 , 构 件破 坏 时 , 受 拉 区竹 筋 先 断 裂 , 随 即 受 压 区 混 凝土压碎 , 属于脆性破坏 , 类似于钢筋混凝土梁 的少 筋破坏 ; 而对于除 B - 2 外的改性竹筋 昆 凝土试件 , 当配筋
22、率达到一定值时( 3 左右) , 破坏时混凝 土先 压碎, 而竹筋未断裂, 截面因失去继续承载能力而破 坏 , 也属于脆性破坏 , 类似于钢筋混凝土梁的超筋破 坏 。但与普通竹筋混凝土( 图 3 ( e ) ) 相 比, 除 B L 一 2 外 ( 图 3 ( b ) ) , 改性 竹筋 混 凝 土梁 在 破 坏 时混 凝 土梁 裂 缝宽 度较 小 , 数 量 较 多 , 且 分 布 较 均 匀 ( 图 3 ( a ) 、 ( c ) 和( d ) ) 。在试验过程中, 所有试件 的箍筋均未到 达 屈服 应变 。 ( b ) 方法2 ( c ) 方法 3 ( d ) 方法4 ( e ) 未改性
23、 ( f ) 钢筋混凝土 ( g ) 改性竹筋混凝土 ( 方法4 、等强度配筋 ) 图 3裂 缝 最 终 形 态 图 Fi g 3 Cr a c k c o nf i g ur a t i o n o f b e a m 3 2 构 件荷载 挠 度关 系 3 2 1 不 同材料 影响 图 4为竹 筋 混 凝 土梁 ( B - S 一 7 ) 和钢筋 混凝 土梁 ( G 一 1 1 ) 的跨 中荷 载 挠 度关 系 图 。 其中, 若将 G - 1 1 按竹筋极限强度计算其等效配筋率 为 l _ 3 4 , 与 B _ s _ 7的竹 筋 配 筋 率 相 近 。由 图 4可 以看 出 : 开裂
24、前 , 钢 筋混 凝土 和竹 筋混 凝 土挠 度 变 化 基本相同, 荷载挠度曲线斜率接近一致 , 这是因为开 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 期 邹立华, 等 : 改性竹筋混凝土受弯构件力学性能试验研 究 3 7 裂前构件的抗弯刚度主要 由构件截面形式和混凝土 强 度等 级决 定 。 Z 1 铺 禧 跨中挠度 mm 注 : 一钢筋混凝土 竹筋混凝土 图 4不同材料构件荷载挠度关 系图 Fi g 4 The l o a d - d e fle c t i o n c u r v e s o f b e a m s wi t h di f f e r e n
25、t ma t e r i al s 开 裂后 , 与 钢筋 混凝 土相 比 , 竹 筋 混凝 土 的荷 载 挠度曲线斜率减小 , 变形增大 , 而钢筋混凝土开裂前 后 曲线斜率未出现明显变化 , 变形较小。这是 因为 截 面开 裂后 , 原 来 由受 拉 区混 凝 土承 担 的应 力 转 而 由受 拉 竹筋 承担 , 竹筋 应力 迅速 增 大 , 由于竹 材 的 弹 性模量较小 , 故开裂后构件截面刚度减小 , 变形瞬间 增大。随着荷载继续增加, 竹筋混凝土梁 的变形呈 线性 增 长直 至破 坏 , 破 坏 前 荷 载 挠 度 曲线 并 未 出现 屈服平台, 而钢筋混凝土梁出现了屈服 , 屈服
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