鋼纖維全輕混凝土疊澆配筋梁裂縫寬度試驗研究

李長永， 彭超， 丁新新， 潘麗云

(華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045)

鋼纖維全輕混凝土疊澆配筋梁裂縫寬度試驗研究

李長永， 彭超， 丁新新， 潘麗云

(華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045)

根據鋼纖維全輕混凝土疊澆配筋梁、鋼筋混凝土梁和鋼筋鋼纖維全輕混凝土梁的受彎性能試驗，結合裂縫分型統計分析，研究了縱向受拉鋼筋配筋率和鋼纖維全輕混凝土截面高度對疊澆梁正截面主要裂縫分布平均間距、平均寬度和最大寬度的影響規律，提出了鋼纖維全輕混凝土配筋疊澆梁正截面裂縫計算公式。研究成果為鋼纖維全輕混凝土配筋疊澆梁正常使用極限狀態裂縫驗算提供了計算方法。

疊澆梁；鋼纖維全輕混凝土；截面高度；縱向受拉鋼筋配筋率；裂縫分布；裂縫寬度

充分利用材料性能優點是混凝土結構優化設計的重要目標。普通混凝土具有材料來源豐富、抗壓強度高、可塑性好等優點，是目前土木工程中最重要的建筑材料。在輕骨料混凝土中摻入鋼纖維配制而成的鋼纖維輕骨料混凝土不僅具有輕骨料混凝土的各種優點，而且能顯著改善輕骨料混凝土的脆性，提高輕骨料混凝土結構的韌性、抗疲勞性能和耐久性能，是輕骨料混凝土復合材料向大跨度、超高度及寒冷區域發展的新方向。因此，將高強度混凝土置于受彎構件的受壓區、將鋼纖維輕骨料混凝土置于受彎構件的受拉區，可同時獲得充分利用普通混凝土抗壓強度和鋼纖維全輕混凝土抗拉強度而提高受彎構件承載性能、利用鋼纖維全輕混凝土密度小的特點而盡量減輕受彎構件自重的雙重效果[1-2]，基于這一科學理念的新型組合梁板應運而生[3]。與傳統的鋼筋混凝土疊合式受彎構件比較[4]，疊澆梁的鋼纖維輕骨料混凝土與其上澆筑的普通混凝土之間不存在疊合界面，因而不存在疊合面變形差和抗剪不足的問題，也不存在縱向受拉鋼筋因一期荷載作用而“應力超前”、受壓區混凝土因二期荷載作用而“應變滯后”的缺點。本文結合一系列鋼纖維全輕混凝土疊澆梁的受彎性能試驗研究[5-6]，統計分析了其正截面裂縫分布規律，提出了相應的裂縫寬度計算方法。

1 試驗概況

試驗梁截面尺寸：寬度×高度(b×h)為150 mm×300 mm，長度為3 m，跨度為2.7 m?？v向受拉鋼筋為HRB400帶肋鋼筋(φ14、φ18)和HRB335帶肋鋼筋(φ20)，混凝土保護層厚度均為25 mm。架立筋為2φ10，剪跨段的箍筋為φ8@100 mm，純彎段不配置箍筋。普通混凝土強度等級為C40，鋼纖維全輕混凝土強度等級為LC30。鋼纖維采用鋼板剪切端鉤型鋼纖維，長32 mm，等效直徑0.6 mm。試驗梁的實測性能參數見表1，梁的編號含義為混凝土強度等級—鋼纖維全輕混凝土截面高度—縱向受拉鋼筋直徑—鋼纖維體積率(%)，a、b表示每組2根梁的代號。表中：fcu、fc和ft依次為普通混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和抗拉強度;ffcu、ffc和fft分別為鋼纖維全輕混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和抗拉強度;ρf為鋼纖維體積率；h1為鋼纖維全輕混凝土截面高度。

試驗梁的加載按試驗方法標準進行[7]。采用反力架及液壓千斤頂加力裝置，兩端簡支、跨中對稱集中加載，由荷載傳感器控制荷載值，正截面開裂后，在正常使用階段各級荷載作用下的裂縫寬度采用讀數顯微鏡測定。

表1 試驗梁實測性能參數

2 試驗結果分析

2.1 裂縫分布特點

部分試驗梁在正常使用荷載下的純彎段側面裂縫分布如圖1所示。疊澆梁的裂縫分布表現出密、短、雜的特征，即間距小而密、延伸高度短、形狀復雜，根狀裂縫較多，與其他條件相同的鋼纖維全輕混凝土配筋梁的裂縫分布特征較為接近。隨著配筋率增大，裂縫截面的延伸高度增大；鋼纖維全輕混凝土截面高度的變化對裂縫分布影響不大。與鋼筋混凝土梁比較，當荷載約低于極限荷載的40%時，疊澆梁的裂縫延伸緩慢；當荷載約達到極限荷載的40%～50%時，裂縫間距和延伸高度基本穩定，疊澆梁延性明顯優于鋼筋混凝土梁。

圖1 試驗梁的裂縫形態

2.2 裂縫分類統計分析

參考鋼筋混凝土梁的裂縫分類方法[8]，對疊澆梁的正常使用狀態裂縫分類進行了平均間距、平均寬度、平均寬度擴大系數的統計分析。結果表明：初裂后，在各級荷載作用下裂縫高度持續延伸或迅速延伸到中和軸附近的a類裂縫，數量占總數的75.8%；以疊澆梁縱向受拉鋼筋重心位置對應的梁側面的平均裂縫寬度ωcr和最大裂縫寬度ωmax為統計對象，a類裂縫的寬度相對較大，ωmax來自a類裂縫的權重達到了95.3 %。因此，a類裂縫控制了疊澆梁裂縫寬度的整體發展和分布形態，將其作為研究對象進行疊澆梁裂縫平均間距lcr、平均寬度ωcr和最大寬度ωmax的統計分析，結果見表2。

表2 試驗梁實測平均裂縫間距、平均裂縫寬度和最大裂縫寬度

2.3 裂縫截面的有效受拉區高度

如圖2所示，梁的a類裂縫在梁底側面寬度最大，在鋼筋重心位置附近寬度減??；隨著距離鋼筋重心的增大，在延伸高度的梁腹處增大到一定值而后減小。圖2中0

圖2 試驗梁裂縫寬度沿截面高度的變化

鋼筋混凝土梁的縱向受拉鋼筋有效受拉區高度(hte)的計算方法如下：

hte=cs+(n-1)s+(3+n)d。

(1)

在此基礎上，考慮疊澆梁中鋼纖維全輕混凝土對受拉區起約束增強作用，使得縱向受拉鋼筋的有效受拉區高度減小，統計疊澆梁有效受拉區高度的實測值，得到疊澆梁的hfte計算公式為：

hfte=hte(1-βteλf)。

(2)

式中：hfte、hte分別為含有和沒有鋼纖維影響的縱向受拉鋼筋有效受拉區高度；βte為鋼纖維對有效受拉區高度的影響系數，取值0.78；λf為鋼纖維的特征含量；cs為最外層縱向受拉鋼筋的保護層厚度，當cs≥5d時，取cs=5d；d為縱向受拉鋼筋的直徑；n為縱向受力鋼筋排數；s為上、下排鋼筋間凈距。

2.4 平均裂縫間距

基于普通鋼筋混凝土梁的計算公式為：

(3)

式中：as為所有縱向受拉鋼筋截面重心至梁截面受拉邊緣的距離；ρte為縱向受拉鋼筋有效配筋率，ρte=As/Ate≤0.01時，取值為0.01；As為縱向受拉鋼筋橫截面面積；Ate為縱向受拉鋼筋的有效受拉區面積，Ate=b×hte；k1、k2為試驗系數。

疊澆梁有效受拉區面積和縱向受拉鋼筋有效配筋率為：

Afte=(1-0.78λf)Ate,0,

(4)

ρfte=ρte,0/(1-0.78λf)。

(5)

疊澆梁的裂縫兩側混凝土除了受縱向受拉鋼筋的約束外，同時還受鋼纖維的約束。在梁截面受拉邊緣至縱向受拉鋼筋外表面的范圍內，鋼纖維通過連接裂縫兩側的混凝土傳遞拉應力，使開裂截面混凝土承受較為均勻的拉應力，進而使某一距離處未開裂截面混凝土的拉應力達到限值而再次開裂；但鋼纖維全輕混凝土的高抗拉性能又提高了發生開裂的應力限值。因此，在鋼纖維全輕混凝土疊澆梁中引入影響系數，考慮cs對lfcr的綜合影響。結合本次試驗，略去梁高的影響，疊澆梁的裂縫間距預測公式為：

(6)

采用試驗梁平均裂縫間距實測值進行數據擬合，可得到k1=1.9，k2=0.087，βcs=0.18。試驗梁平均裂縫間距的實測值與式(6)平均裂縫計算值的比值：均值為0.960，標準差為0.134。

2.5 裂縫寬度

平均裂縫寬度和最大裂縫寬度計算公式為：

(7)

ωmax=τswm。

(8)

式中：τs為平均裂縫寬度擴大系數；φ為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，φ=1-0.5ft/(ρteσs)；σs為縱向受拉鋼筋應力；Es為縱向受拉鋼筋的彈性模量；αc為裂縫間混凝土變形影響系數，取值為0.7；ft為混凝土抗拉強度。

對試驗梁的a類裂縫，統計每條裂縫寬度與同級荷載下所有裂縫平均寬度之比值，得到頻率直方圖，表明其分布符合正態分布。按照95%的保證率，得到τs=μ+1.645σ=1.51。

疊澆梁平均裂縫寬度的實測值與式(7)計算值的比值：均值為1.096，標準差為0.229。最大裂縫寬度的實測值與式(8)計算值的比值：均值為1.083，標準差為0.280。

3 結 語

1)疊澆梁與同條件下鋼纖維全輕混凝土梁側面裂縫分布特征近似。對正常使用荷載下的裂縫進行分類統計，結果表明主裂縫的數據相關性最好、離散性最小，對疊澆梁的裂縫寬度發展和分布形態起控制作用。

2)以主裂縫為研究對象，給出了疊澆梁平均裂縫間距、平均裂縫寬度和最大裂縫寬度的試驗成果，確定了疊澆梁有效受拉區高度的計算方法，建立了疊澆梁縱向受拉鋼筋重心水平處裂縫的平均間距、平均寬度和最大寬度的計算公式。

[1]趙順波.混凝土結構設計原理[M].2版.上海：同濟大學出版社，2013：1-10.

[2]潘麗云,徐文曉,陳彥磊，等.鋼纖維全輕混凝土基本性能試驗研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2015,36(2):7-10.

[3]趙順波,李長永,李曉克.一種鋼纖維輕混凝土與高強混凝土疊澆組合梁:中國,ZL201220274599.4[P].2012-12-19.

[4]趙順波,張新中．混凝土疊合結構設計原理[M]．北京：中國水利水電出版社，2001：112-122.

[5]李長永.鋼纖維輕骨料混凝土性能與疊澆梁受彎性能研究[D]．鄭州：鄭州大學,2014:25-78.

[6]潘麗云,尚亞瓊,康星星,等.鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁的抗彎剛度[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2015,36(1):43-46.

[7]中國建筑科學研究院.混凝土結構試驗方法標準:GB 50152—92 [S].北京:中國建筑工業出版社,2012:11-38.

[8]趙順波,管俊峰,張學朋,等.鋼筋混凝土梁裂縫分型試驗研究及統計分析[J].工程力學,2008,25(12):141-146.

(責任編輯：陳海濤)

Experimental Study on the Crack Width in Reinforced Superposed Steel Fiber Reinforced Full-lightweight Concrete Beams

LI Changyong, PENG Chao, DING Xinxin, PAN Liyun

(School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Based on the experimental study on flexural behaviors ofreinforcedsuperposedsteel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC) beams, reinforced concrete beams and reinforced SFRFLC beams, and combined with the crack classification statistical analysis,the effects of the longitudinal tensile reinforcement ratio and the sectional depth of SFRFLC on the mean crack space and maximum crack widthinthe normal cross-section of the test reinforced superposed beams werediscussed,the formulas were proposed for the calculation of the normal-sectional cracksin reinforced superposed SFRFLC beams.The results provide a calculation methodfor the checking calculation of the cracks under the normal serviceability of reinforced superposed SFRFLC beams.

superposed beam; steel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC); cross-sectional depth; longitudinal tensile reinforcement ratio; crack distribution; crack width

2015-11-20

河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃(12A560008);河南省高校生態建筑材料與結構工程科技創新團隊(13IRTSHN002)。

李長永(1977—)，女，天津市人，副教授，博士，主要從事纖維混凝土及其結構設計理論與應用研究。E-mail:lichang@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.009

TV332;TU528

A

1002-5634(2016)02-0052-05