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混杂纤维高性能混凝土深梁的剪切延性

时间:2021-05-19 10:07 点击:
采用正交设计法对18组混杂纤维高性能混凝土(HPC)深梁和2组普通高性能混凝土深梁进行受剪试验,通过定义剪切延性指标对深梁的剪切延性进行定量分析,利用直观分析法比较了钢纤维外形、钢纤维体积率、钢纤维长径比、聚丙烯纤维体积率、水平分布钢筋配筋率、竖
  延性是指材料、构件或结构在各种作用下进入非线性状态后,在承载力不显著降低情况下的变形能力。延性可分为材料延性、截面延性、构件延性和结构延性。对于混凝土构件的破坏,除了应满足强度、刚度、稳定性等方面的要求外,还要求具有良好的延性,使结构具有充分的变形能力和良好的动力性能,防止结构在使用过程中发生脆性破坏。钢筋混凝土深梁具有刚度大、受力特性合理、承载力大等特点,在高层建筑和大跨结构等实际工程中得到广泛应用[1]。深梁构件由于所受弯矩较小,剪力很大,极易发生剪切破坏,而剪切破坏属于脆性破坏,破坏后果极为严重,因此对深梁剪切破坏下的延性进行研究是非常必要的。目前,外对混凝土受弯构件的延性十分重视,这方面的研究成果较多。文献[2]对混杂纤维高性能混凝土深梁正截面受弯性能进行了研究,指出混杂纤维可以显著改善高性能混凝土深梁的正截面延性,但文中未对延性进行定量分析。Xie等[3-4]仿照正截面延性研究方法,定义了剪切延性指标,对梁的剪切延性进行了定量分析。对于深梁的受剪性能,虽然研究成果较多,但内容多限于受剪承载力和计算模型等方面[5-10]。对于深梁剪切延性的研究,Rao等[11-12]研究了尺寸变化对混凝土深梁的剪切延性影响。有关混杂纤维高性能混凝土深梁剪切延性的研究,目前还未见诸报道,笔者对混杂纤维高性能混凝土深梁剪切破坏下的变形和延性进行定量分析和研究,为《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)[13]增补有关混杂纤维混凝土深梁的内容提供参考。
 
  刘胜兵,等:混杂纤维高性能混凝土深梁的剪切延性
 
  1试验概况
 
  1.1试件设计
 
  按照《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)的有关要求,通过“正交设计法”[14],采用L18(21×37)正交表设计了18组混杂纤维高性能混凝土深梁。考虑的影响因素有6个:钢纤维体积率、钢纤维长径比、钢纤维外形、聚丙烯纤维体积率、水平分布钢筋配筋率及竖向分布钢筋配筋率。
 
  各因素的水平数分别安排如下:1)钢纤维体积率分别取0.5%、1.0%、1.5%共3个水平;2)钢纤维外形采用端钩形和波纹形2个水平;3)钢纤维长径比分别取30、50、70共3个水平;4)聚丙烯纤维体积率分别取0.055%、0.11%、0.165%共3个水平;5)水平分布钢筋配筋率分别取0、0.581%、0.872%共3个水平;6)竖向分布钢筋配筋率分别取0、0.581%、0.872%共3个水平。
 
  为便于对比,还设计了2组不加纤维的普通高性能混凝土深梁。20组深梁剪跨比均为1,跨高比均为1.6。为保证深梁发生剪切破坏,深梁下部的0.2h(h为梁高)范围内均配置了418作为纵向受力钢筋,分上下2层布置,配筋率为1.356%。水平及竖向分布钢筋采用光圆钢筋,配筋率为0.872%时腹筋的布置为210@120,配筋率为0.581%时腹筋的布置为210@190。深梁截面尺寸均为150mm×500mm,长1040mm,净跨800mm。试件具体参数及试验结果见表1所示。
 
  2剪切延性试验结果及分析
 
  2.1剪切延性评定指标
 
  为评定混杂纤维HPC深梁剪切破坏下的延性,可以分别比较其延性比μ(也称延性系数)。延性比定义为,荷载跨中挠度曲线的下降段上对应85%Pmax的挠度Du与初始屈服点所对应的挠度Dy之比,计算公式为μ=Du/Dy。屈服变形Dy的取值标准,至今尚无统一方法。一般情况下,Dy是受拉钢筋开始屈服时相应荷载下的变形,此值对应于变形曲线上的拐点。但由于钢筋混凝土受剪构件的特殊性,变形曲线没有明显的拐点,转折点往往在一较小区段内。确定Dy一般采用以下2种方法:1)能量法(图3),用折线OYU代替原来的荷载位移曲线,使曲线下的总面积相等,即图中面积OAB=面积YUB;2)几何作图法(图4),作直线与曲线初始段相切,与过U的水平线交于点A,作垂线AB交曲线于B,连结OB并延伸于水平线交于C点,过点C作OD的垂线与曲线交于Y[15]。参考文献[16]采用能量法确定初始屈服点,统一取荷载位移曲线上升段0.85Pmax对应的点为初始屈服点。
 
  2.2剪切延性试验结果
 
  根据试验结果,按照上述定义计算试验深梁的延性比见表1。
 
  2.3剪切延性分析
 
  2.3.1因素的影响大小比较延性比计算结果的直观分析见表2。折算极差反应了不同因素的影响大小,可以看出,对于深梁剪切破坏时的延性,各因素的影响大小依次为:A(钢纤维体积率)>D(钢纤维长径比)>C(聚丙烯纤维体积率)>F(竖向分布钢筋配筋率)>E(水平分布钢筋配筋率)>B(钢纤维外形)。
 
  2.3.2混杂纤维的影响从表1可以得出,无腹筋深梁BF1-2-1及DF2-3-2与对比梁C-2相比,延性比分别提高了15%和24.5%;有腹筋深梁BF1-3-2及BF2-2-3与对比梁C-1相比,延性比分别提高了40.7%和14.2%。表明混杂纤维可显著提高深梁的延性,但延性比仍达不到延性破坏的要求,不足以从破坏形态上根本改变深梁剪切破坏时的脆性。
 
  混杂纤维对受剪破坏深梁延性的增强可以从以下几个方面来解释:1)混杂纤维提高了混凝土的韧性及剪压区混凝土的极限压应变和变形能力,对高强高性能混凝土的抗压强度也有所提高;2)当深梁斜截面开裂时,由于“桥架”于斜裂缝的钢纤维和聚丙烯纤维具有类似箍筋的“微筋材”作用,混杂纤维在不同层次和阶段承担了混凝土释放的应力,同时也抑制了斜裂缝的发展,斜裂缝张开的过程同时也是聚丙烯纤维和钢纤维在不同阶段缓慢拔出的过程,一定程度上缓解了破坏的突发性,使深梁达极限承载力后荷载不会快速回落;3)混杂纤维增强了混凝土中钢筋与骨料的握裹力和粘结力,提高了纵向受拉钢筋的销栓作用和水平及竖向分布钢筋对混凝土的约束。
 
  2.3.3钢纤维体积率的影响钢纤维体积率对深梁剪切破坏时延性比的影响见图5。随着钢纤维掺量的增大,深梁的延性比有所提高。当钢纤维体积率从0.5%增大到1.5%时,深梁延性比提高了10.2%。
 
  2.3.4钢纤维外形的影响图6给出了钢纤维外形对深梁剪切破坏延性比的影响。从图中看出波纹形钢纤维的增强效果稍好于端钩形钢纤维,但差别非常小。另外,由于试验试件个数较少,且深梁的剪切破坏离散性较大,因此,关于这方面的探讨,可以进一步进行研究。
 
  2.3.5钢纤维长径比的影响图7给出了钢纤维长径比对深梁剪切破坏时延性比的影响。从图中可以看出,钢纤维长径比从30增加到70时,深梁的延性比逐渐减小,减小了8.7%,钢纤维长径比为30时混杂纤维高性能混凝土深梁剪切破坏延性最好。
 
  2.3.6聚丙烯纤维体积率的影响图8给出了聚丙烯纤维体积率对深梁剪切延性比的影响。从图中可以看出,当聚丙烯纤维体积率从0.055%增加到0.165%时,深梁剪切破坏的延性比先增加后减小。聚丙烯纤维体积率为0.11%时混杂纤维高性能混凝土深梁剪切延性最好。
 
  2.3.7水平分布钢筋配筋率的影响水平分布钢筋配筋率对深梁剪切破坏延性比的影响见图9。从图中可以看出,当水平分布钢筋配筋率从0增加到0.581%时,深梁剪切破坏延性比增加了2.3%,而当配筋率从0.581%增加到0.872%时,延性比反而降低了0.74%。表明一定数量的水平分布钢筋对提高深梁剪切延性是有利的,但配筋率过大则会对延性产生不利影响,由于试验数据差别不大,也不排除试验误差所致。
 
  2.3.8竖向分布钢筋配筋率的影响图10给出了竖向分布钢筋配筋率对深梁剪切延性比的影响趋势图。从图中可以看出,当竖向分布钢筋配筋率从0增加到0.581%时,深梁剪切破坏的延性比增加了5.3%,而当配筋率从0.581%增加到0.872%时,延性比反而降低了4.3%。表明一定数量的竖向分布

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