钢筋自密实混凝土梁受剪性能试验研究及分析.pdf

2 0 1 3年第 1 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 1 0 0c t o b e r 钢筋 自密实混凝土梁受剪性能试验研究及分析 孙 锐 ， 叶燕华 ， 薛洲海 ， 孙含笑 ( 1 - 南京工业大学 土木工程学院 ， 2 1 0 0 0 9 ； 2 江苏省绿色建筑工程技术研究中心 ， 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要 ： 自密 实混 凝 土工 程 应 用逐 渐 增 多 ， 为研 究 钢 筋 自密 实混 凝 土 粱 的 受 剪 性 能 ， 进 行 了 4根 钢 筋 自密 实 混 凝 土梁试件和 2根普 通钢筋混凝土梁试件的试验 ， 研 究 自密实混凝 土梁受剪性 能的破坏形 态、 开裂荷 载、 裂缝发展 和抗 剪承载 力， 并且将其 与普通钢筋混凝土梁作 对比分析 。将试验值 与 GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 凝土结构设计规范 计 算的理论值 与相 比较 。结果表明， 竖向集 中荷 载作 用下， 钢筋 自密实混凝土梁与普通钢筋混凝土梁有着相似的破 坏 特征 与承栽 能力。钢筋 自密实混凝土梁理论值与试验值 的比为 O 5 9 比普通钢筋混凝土梁理论 试验值 的比值 高出 0 11。 关键词 ： 自密实混凝土梁 ； 受剪试验 ； 性能分析 ； 承栽力 A b s t r a c t ： T h e e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n o f s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e( S C C ) i s i n c r e a s i n g F o r s t u d y i n g t h e s h e a r c a p a c i t v o f r e i n f o r c e d S CC b e a ms f o u r S C C b e a ms a n d t wo c o r r e s p o n d i n g n o r ma l c o n c r e t e b e a ms w e r e t e s t e d Me a n w h i l e t h e f a i l u r e f o r ms ，c r a c k i n g l o a d s ，c r a c k d e v e l o p me n t s a n d s h e a r s t r e n g t h s o f t h e S CC b e a m a r e s t u d i e d b y c o mp a r i n g wi t h t h o s e o f t h e n o r ma 1 c o n c r e t e b e a m I n a d d i t i o n t h e e x p e rime n t r e s u l t s a r e a l s o c o mp a r e d wi t h t h e o r e t i c a l v a l u e o f GB 5 0 01 O 一2 0 1 0 “ C o n c r e t e S t r u c t u r e D e s i g n Co d e ” T h e r e s u l t s s h o w t h a t f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c s a n d c a p a c i t y o f t h e t w o ki nd s o f be a ms a r e a l mo s t t he s a me Th e c a pa c i t y r a t i o o f e x p e rime n t r e s u l t t o t he o r e t i c a l v a l u e o f t h e SCC b e a m i s 0 5 9 wh i c h h a s a n i n c r e a s e o f 0 1 1 t h a n t h a t o f t h e n o rm a l b e a ms Ke y wo r d ： S e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e b e a ms ； E x p e r i me n t o f s h e a r ； P e r f o r ma n c e a n a l y s i s ； C a p a c i t y 中图分类号 ： T U 3 7 8 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0 5 8 0 4 O前 言 自密实混凝土( 简称 S C C) 指拌合物具有很高的 流动性 并且在浇筑过程 中不离析 、 不泌水 ， 能够不 经振捣而充满模板和包裹钢筋的混凝土l l l。近年来 ， 全 世界 对 自密 实 混凝 土 的研 究十 分重 视 ， 并 且 取得 了重要的进展 。但大多数的研究集中于 自密实混凝 土材 料本 身 的性 能 对配 筋 自密 实混 凝 土构 件 以及 结构方面的研究偏少。因此 ， 为了研究配筋 S C C梁 的受 剪 性 能 本文 进 行 了钢筋 S C C梁 与普 通 钢 筋 混 凝土梁的受剪性能试验 ， 并与国内其他高校 的试验 结 果及 现行 规范 计算 得 到 的理论 进 行 了分 析 比较 。 对受剪承载力进行探讨。 1 试 验概 况 1 1 试件设计 试 验一共 制作 了 6根矩 形截 面 简支梁 试 件 ， 截 面 尺寸为 1 2 0 mmx 2 0 0 m m， 试件总长 2 0 0 0 m m， 梁跨度 为 1 8 0 0 mm。试件设计取箍筋 的间距 以及混凝土强 度作 为变化 参数 ， 纵 向钢筋全 部取 为 2 1 8 m m， 梁 具 体尺寸及其配筋见图 1 和表 1 。剪跨比 A为简支梁 上最外侧的集中荷载到临近支座的距离 a与截面有 基金项 目： 江苏省 自然科学基金资助项 目( B K 2 0 0 6 1 7 9 ) 。 一 58一 图 1 试验梁尺寸及配筋 ( m m) 表 1 试 验 梁 尺 寸及 配 筋 。 效高度 h 。 的比值 ， 试验中梁的 A均相同， 取 A = a h 0 = 6 0 0 1 6 5 = 3 6 4 ， 理论计算 时取 A = 3 。 白密 实混凝 土性 能及试件成型方法 均符合 自密实 昆凝土应用 技术 规程嘲 要求 。 规定 S C C 3 0 一 V L 1 、 S C C 3 0 一 V L 2 、 S C C 4 0 一 V L 1 、 S C C 4 0 一 V L 2为 受 剪 钢筋 自密实 混 凝 土 梁 ， N C 3 0 一 V L 1 、 N C 4 0 一 V L 2为受剪普通钢筋混凝土梁。 l 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙悦 ， 许燕 华 ， 薛洲 海 ， 等 钢 筋 自密实 混凝 土梁 受剪 性能 试验研 究 及分析 1 2 材料及其力学性能 试验原材料详细情况以及混凝 土的配合 比参 见文献 3 1 。 试验箍筋均采用 H P B 2 3 5级钢， 受力钢筋 均采用 HR B 3 3 5级钢。混凝土搅拌完成后 ， 每个配 合 比制作 3个边长为 1 5 0 mm的立方体试块 ， 测得其 抗 压 强度 见 表 2 。制 作试 件 时对 钢筋 留样 检测 ， 检 测结果见表 3 。 表 2 混凝土立方体抗压强度 1 3 测 点布 置及 加载 方案 试验在南京工业大学结构实验室进行 ， 采用液 压千斤顶进行三分点等荷加载 ，按图 2布置测点。 所有数据通过 D H 3 8 1 8静态应变测量仪 自动采集 ， 加 载装 置详 细情 况参 见 文献 3 。试验 需要 测得 混凝 土 应变 和梁 的挠 度 。 l 一 千 分 表 ： 2 - 电 阻 应 变 片 ： 3 - 百分 表 图 2梁试验加载位置和测点布置 加载制度按照 G B J 5 0 1 5 2 -9 2 混凝土结构试 验方法 执行。始终以荷载控制 ， 首先进行预加载 ， 预加载值为估算的开裂荷载 的 7 O 左右 ， 然后卸载 至零 。达到屈服荷载之前 ， 每级加载值不宜超过屈 服荷载的 2 0 ； 超过屈服荷载后， 每级加载值不宜超 过屈服荷载值的 1 0 。 在试件开裂前， 每级加载后停 约 5 rai n左右观察有无裂缝出现 裂缝出现后每级 加载后停留 1 5 2 0 m i n ， 以便裂缝发展稳定下来 。 测量 内容包括 ： 跨 中挠度 ： 沿斜截 面的混凝 土 应变 ； 钢筋应变 ； 开 裂荷载 、 屈服荷 载和破坏荷 载 等 。 2试 验 结果 与分 析 2 1 试验 现象 及 破坏形 态 钢筋 自密实混凝土梁的斜截面受剪破坏情况 与普通混凝土梁基本相似 。随着荷载的增大 ， 首先 在弯剪 区段 的受拉区边缘 出现一些垂直的裂缝 ， 并 垂直 向上延伸 了一小段后形成斜裂缝。在加到一定 荷载时，两边受剪区会出现明显的两条斜 向裂缝 ， 在弯 剪段 腹 部 中 间形成 约 4 5 。 的斜 裂 缝后 裂 缝 向上 发展 ， 倾斜 角逐渐减小 ， 梁最终会 产生一条贯穿 的 较宽的主要斜裂缝。斜裂缝 出现后会迅速延伸 ， 这 就使得斜截面剪压区的高度减小 ， 在接近破坏荷载 时 构件会 突然发生脆性破坏 ， 钢筋与混凝 土之 间 撕裂发 出声音 ， 最终 上部混凝土压碎 ， 斜截 面丧失 承 载力 ， 梁破 坏 。 2 2 裂缝 开展影 响 因素 将 6根梁作对 比， 结合试验结果总结 出对裂缝 开展有影响的因素有： 等强度自密实混凝土不同 箍筋 间距情况下 ： 箍 筋间距越小 。 梁底的通缝及 其 斜 向裂缝 出现 的较早 开裂荷载和极限荷 载也 较 小 。这表 明箍筋间距小 ， 会产生应力集中从而相互 影响， 降低了承载力。等箍筋间距不同强度自密 实混凝土情况下 ： 强度较小 时， 裂缝出现得早 ， 发展 得快 ， 梁底的通缝及其斜向裂缝 出现 的较早 ， 裂缝 宽度随荷载增大而变大 ， 开裂荷载和极限荷载也较 小 。这表明混凝土强度 的提高可 以一定程度上提高 开裂荷载， 限制裂缝开展。等箍筋间距等强度混 凝 土 情况 下 ： 自密 实混 凝 土 和普通 混 凝 土梁 的剪 切 破坏形态没有明显 的区别 ， 但普通混凝土出现裂缝 相对 自密实 混凝 土较早 一 些 裂缝 发 展 速度 要 迅 速 许 多 。 2 - 3 试验过程 的主要特 征参数及荷载跨 中挠度 曲 线 在试验过程 中 当梁 出现第一条裂缝时 ， 称这 时的荷 载为梁的开裂荷载 ， ；当梁达到临界破坏 时 ， 只要增加荷载 ， 梁 的变形就会不断增大 ， 此时钢 筋已经屈服 ， 将此时梁所受到的荷载称为梁的屈服 荷 载 ； 在 钢 筋 屈 服 后 ， 梁仍 可 以继 续 承 受 荷 载 至 破坏 ， 这时梁所承受的最大荷载称为梁 的极限荷载 。同样 ， 梁 破坏 时 出现裂 缝 的平 均 宽度记 作 ， 最 大宽度记作 一。钢筋 自密实混凝土梁和普通钢筋 混凝土梁斜截面受剪 切破坏 的主要试验结果列于 表 4， 破坏情况见图 3和图 4 。 从试验过程 中的现象 以及 图 5可 以发现 6根 梁均为剪压破坏。自密实混凝土和普通混凝土梁的 荷载一 挠度曲线大致相同。梁的破坏显示箍筋先屈 服 ， 接着 剪 压 区混 凝 土压 坏 。具 体过 程 表 现 为 当产 生斜裂缝 以后 与斜 裂缝相交 的箍筋不会立刻屈 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 0期 表 4 梁 受 剪 承 载 力 尸 ： k N W mm 98 4 0 1 8 9 9 7 0 1 6 1 2 3 2 0 1 7 1 2 5 2 0 1 6 1 0 0 4 0 1 6 1 2 2 1 0 1 9 试件编号 S CC3 OVL1 S CC3 0-VL2 SCC4 0一VLl S CC4 0一VL2 NC 3 0 - VL1 NC40 一VL2 k N k N 1 0 2 3 4 2 1 O4 3 5_ 3 l 1 _ 3 38 4 1 26 3 9 7 1 0 1 36 2 11 2 49 1 混凝 土 与水泥制 品 总第 2 1 0期 载 力， 如 图 6 。另 外 从表 5可 以看 ， 本 试验 中对 于 自密实混凝土， 在同样配箍率的条件下 S C C 4 0 一 V L 1 0 2 2 的 极 限 荷 载 比 S C C 3 0一 V L 1的 提 高 了 2 5 2 ， 0 2 2 S C C 4 0 一 V L 2的极 限 荷 载 比 S C C 4 0 一 V L I的 提 高 了 0 2 3 2 5 6 ；对于普通混凝土 ，在 同样配箍率的条件下 【 J _2 5 N C 4 0 一 VL 2的 极 限 荷 载 比 N C 3 0 一 V L 1的 提 高 了 0 2 4 21 6 。 0 2S 量 昌 鞲 岳 图 3钢筋 自密实混凝土梁剪 切破坏 图 4 普通钢筋混凝土梁剪切破坏 图 5梁 的 荷 载跨 中挠 度 曲线 服 ， 箍筋承受一部分力 ， 从而限制 了裂缝 的开展 ， 使 得结构仍能承受较大的荷载 。随着荷载 的增大 ， 箍 筋 的拉应力增大 ， 箍筋屈服后将不能限制斜裂缝的 开 展 ， 在 图 中 表现 为 荷 载 挠 度 成非 线性 关 系 ， 从 钢 筋屈服到最终破坏两者接近水平 ， 剪压 区混凝土在 正应 力 和剪 应力 共 同作 用下 达 到极 限 强度 ， 混 凝 土 压 坏 。 3影响 受剪承 载 力的 因素 3 1 混凝 土强 度 混 凝 土 强度 等 级 的提 高 可 以提 高 梁 的受 剪 承 一 6 0一 MP a 图 6受剪承载力试验值与混凝土强度 关系 曲线 3 - 2 配箍 率 与普通混凝土梁一样 ， 白密实混凝土梁 中不论 配置 何种 强度 的箍筋 总 能提 高构 件 的承 载 力 ， 见图 7 。箍筋 除 了能直接 承受部 分剪 力 以外 ， 还 能间接 的 限制 梁 中斜 裂缝 的开展 ， 增 强 了腹部 混 凝 土 的骨 料 咬合力 ， 同时对混凝 土还有约束作用 ， 引起构件斜 截面受剪承载力 的增大 。从表 6中文献【 7 1 的数据 中可 以发现 梁 F V B 一 3 b 、 F V B 一 2 b和 F V B l b的配 筋率分别为 0 2 8 、 0 3 5和 0 4 7 ， 受剪承载力 F V B 一 2 b 比 F V B 一 3 b提 高 了 9 5 F V B 一 1 b比 F V B 一 2 b提 高 了 1 0 5 ， 而 F V B l b比 F V B 一 3 b提 高 了 2 1 0 。 U 3 2 O 4 0 0 48 P 图 7受剪 承载力试验值与配箍率关 系曲线 4受剪承 载力 计算 为了研究我 国现行混凝土结构设计 规范公式 应用 于 自密 实混 凝 土结 构 是否安 全 ， 将 进 行本 文 梁 试 验 的试验值 与规 范计 算 的理 论值 的对 比 ， 见表 5 。 表 5中 是 受 剪 承载 力试验 值 ， 佃是按 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 罔 计算得出 的 梁受 剪承载 力， 利 用下 面公式 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙悦 ， 许燕 华 ， 薛洲 海 ， 等 钢 筋 自密实 混凝 土梁 受剪 性能 试验 研究 及分 析 表 5 计算结果 与试验结果 的比较 试验分类 试验编号 混凝 土强度 M P a 配箍率 P V V 文献 7 61 2 0 61 2 0 61 2 0 61 2 0 6 6 5 0 6 6+ 5 O 6 2 8 0 6 2 8 0 38 0O0 4 09 0 0 38 3 O 0 3 70 0 0 3 93 0 0 36 0 0 0 35 4 0 0 33 8 0 0 1 9 0 0 0 2 0 4。 50 l 91 50 1 85 00 1 9 6 5 0 1 8 0 O0 1 77 00 1 69 00 V = b h。 h 。 式 中 ，a 一 1 7 5 ( A +1 ) ； A 一 同一截 面 内箍筋 各肢 的全 部截 面 面积 ； 一 沿 构件 长度 方 向 的箍 筋 间距 。 经 过 比较 可 以发 现 自密 实 混凝 土 梁 按 照现 行 规范计算结果 比试验结果偏低 4 8 2 6 0 7 ，且配 箍 率越 低 偏低 越 显 著 普 通混 凝 土平 均 偏低 4 8 。 总体上来说 ， 自密实混凝 土梁 的理论计算受剪承载 力与实验值的偏差比普通混凝土梁略大。另外结合 搜 集 的 1 2组 其他 高 校钢 筋 自密 实混 凝 土 梁 的试 验 数 据发 现 ， 钢 筋 自密 实 混凝 土 梁 佃 的平 均值 为 0 5 9 ，普通钢筋混凝土梁 的 平均值 为 O 4 8 ， 所 以 可 以用 现 行规 范 进行 自密 实 混凝 土结 构 的设计 ， 而且计算得到的普通钢筋混凝土 的受剪 承 载 力 比钢筋 自密实混 凝土 梁略 保守 。 5结论 ( 1 ) 钢 筋 自密 实 混凝 土梁 与 普通 钢 筋 混 凝 土 梁 剪切破坏过程相似。配箍率与混凝土强度对 自密实 混 凝 土 梁 的受 剪 承 载 力 影 响 与 普 通 混 凝 土 梁 相 类 似。 ( 2 ) 就本试验在配箍率和混凝土强度相 同的情 况下 ，自密实混凝土梁与普通混凝土梁的开裂 、 屈 服和极限荷载试验值高低不一。开裂荷载两者几乎 相 同 ， 而 自密 实 混凝 土 梁 的屈 服 荷 载 比普 通 混凝 土 梁平均小 1 7 2 5 ， 两者的极限荷载几乎相同。当梁 剪 切破 坏 时 ， 相 同荷 载 下 自密实 混凝 土梁 的变形 比 1 09 2 0 1 09 2 0 9 4 9 O 9 4 9 0 9 6 1 0 96 1 0 86 20 86 2 0 0 57 0 53 0 50 0 5l 0 5O 0 53 0 49 0 51 普 通混凝 土 梁 略大 。 ( 3 ) 采用现行规范计算得到的钢筋 自密实混凝 土 梁 理论 值 与试 验 值 比为 0 5 9 。 比普通 钢筋 混凝 土 梁的值高出 0 1 1 ， 可以用现行规范进行钢筋 自密实 混 凝 土梁 的斜截 面设计 。 参 考 文 献 ： 1 】 中国建筑标准设计研究 院，清华 大学 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6自 密 实混凝土应用技术规程 s 北京： 中 国计划出版社， 2 0 0 6 2 1中 华 人 民共 和 国 国家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 ， 中 国 国家 标 准 化 管 理 委 员会 J GJ F 2 8 3 2 01 2 自密 实 混 凝 土 应 用 技 术 规 程 【 S 】 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出 版 社 ， 2 0 1 2 【 3 J黄晖 ， 叶燕华 ， 韩娟 ， 钱芳芳 自密实混凝土受弯 梁受力性 能试验I J 1 南京工业 大学学报 ， 2 0 1 l ， 3 3 ( 1 ) 9 5 1 0 0 4 G B J 5 0 1 5 2 9 2 ， 混凝 土结构试验 方法 S 一 E 京 ： 中国建筑工 业 出版 社 1 9 9 2 5 过镇海 ， 时旭 东。 钢筋 混凝土原理 和分析【 M 一 E 京 ： 清华大 学 出版 社 2 0 0 3 6 罗小勇， 余志武， 聂建国， 等 自密实混凝土结构的应用研究 I J 1 铁道学报 ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 5 ) ： 7 5 8 0 【 7 】 罗素蓉， 胡晓凌， 黄晶 等 自密实高性 能 昆凝土受 弯构件 受 力性 能试验研究 J I _ 福州大学学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 3 ) ： 3 3 9 3 4 3 f 8 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0混凝土结构设 计规范【 S 北京： 中国建筑工 业 出 版 社 2 0 1 0 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 2 6 作者简介 ： 孙锐 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 1 9 8 4， 硕士研究生。 通讯地址 ： 南京市浦 口区浦珠南路 3 O号 联 系电 话 ： 1 5 2 61 8 6 6 7 8 6 E -ma i l ： 1 3 6 7 7 7 8 5 5 9q qc o m 一 61一 卯 卯 勰 0 0 0 O O 0 O 0 a b a b ) a b 山小 B B B B B B V V V V V V F F F FF F 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m