水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究袁凤娟

水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究袁凤娟

袁凤娟

袁凤娟

安徽省阜阳市水利规划设计院安徽阜阳236000

摘要：由于高强钢筋具有强度高、延性好、社会经济效益显著等一系列优点，在混凝土结构中得到了广泛的使用。本文对水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能的试验进行了探讨。

关键词：水工结构；高强钢筋；受剪性能

建筑业作为资源消耗量较大行业之一，要实现可持续发展，必须调整建筑材料消耗结构，大力推广应用高强钢筋和高强混凝土，以提高材料利用率，走节约型发展道路。另外，混凝土梁的受剪性能研究是混凝土结构基本理论中的一个经典课题，因其破坏机理复杂，影响因素众多而备受学者的关注。

一、试验研究方案

1、试验构件设计。本文进行了14根主尺混凝土梁的受剪试验。在构件的设计中，以混凝土强度、剪跨比、配箍率等为变化参数。其中13根矩形梁，1根Ｔ形梁；13根矩形梁中，12根为简支梁，1根为悬臂梁。构件混凝土采用现场配比浇筑，每个试件预留标准尺寸试块３组，与构件在同一环境条件下养护，选取不同直径钢筋中间部分进行拉伸试验，测定其力学性能。

2、试验数据采集及现象观测。根据试验构件的设计参数，初步计算受剪极限承载力。根据《混凝土结构试验方法标准》规定，按10％-15％极限承载力的原则分级加载。在接近斜向开裂和极限承载力阶段时，每级按5％极限承载力加载，构件及试验设备就位后进行预加载试验，检测应变计、压力机等仪器设备的工作性能。每级荷载加载过程中，保持缓慢均匀施加，达到预设荷载值，保持稳定30min后开始采样，试验构件在剪跨区依据剪跨比不同，四面对称粘贴3-5组电阻应变计，用来采集剪跨区斜裂缝可能出现位置处的箍筋应变。在剪跨区纵筋对应位置粘贴应变计，用来测量纵筋应变，钢筋应变计采用防水胶粘贴，并采用环氧树脂包裹。强度满足要求后采用万用表对应变计进行检测，满足要求后浇注混凝土，为防止混凝土涨模，在构件表面设置3道方木，并设置4道横向支撑。此外，钢筋的绑扎、模板的加工及混凝土浇筑由施工企业现场完成，同时为获得混凝土应变数据，在相应剪跨区中间位置粘贴５组混凝土应变计，外涂防水胶，试验采用DH3815N型应变测试数据采集仪进行数据采集。

为准确观测裂缝的开展过程及采集每级荷载下的裂缝宽度，试验前首先对浇筑好的构件表面进行光滑平整处理，然后用纯石灰水溶液均匀涂刷在结构表面，待构件充分干燥后在表面画出50㎜方格栅。同时，为防止吊装，定位过程中造成构件的破损及传感器的破坏，构件表面采用帆布包裹。在试验过程中，为准确及时地反映裂缝包括垂直裂缝的出现及开展过程，在４个斜截面及２个跨中截面采用放大镜实时观测，在白色方格栅表面紧邻裂缝边缘标示其走向并记录荷载值，每级荷载持续时间为30min。待荷载稳定后，采用裂缝测宽仪测定构件的裂缝宽度，并将裂缝开展过程宽度及对应荷载值描绘记录于坐标纸上。对试验梁挠度的测量，采用３个布置在构件两端及跨中的百分表来完成。

二、试验结果

1、构件箍筋应力及裂缝扩展规律。在构件斜向开裂前，构件变形较小，此时外部荷载较小，构件仅在纯弯段出现若干条垂直裂缝，且裂缝的宽度和高度均较小。随着荷载的增加，垂直裂缝的高度有所增加，但宽度始终较小。同时，斜向开裂前，箍筋尚未承担剪力，应变值小，有些甚至处于受压状态，此时构件的剪力主要由混凝土来承担。根据试验观察可得到，当外荷载增加到大约为20％-30％极限荷载时，斜裂缝以一种非常突然的方式在剪跨区段内出现，并具有较大的延伸长度，如图1所示。其延伸长度最小的构件BS-8为72㎜，延伸长度最大的构件BS-9为146㎜。但斜裂缝刚出现时宽度并不大，约为0.02-0.04㎜，仅构件BS-1、BS-8、BS-10超过0.05㎜，而初始斜裂缝倾斜角度在30°-60°之间。

图1

由试验观测可知，试件BS-3的斜向开裂荷载Pcr为170KN。通过观测构件BS-3在外荷载区间所对应的箍筋应变可发现，试验梁的箍筋应力突然增加，呈现出一个明显的转折点，且由该转折点以后，箍筋应变逐渐增大。由此可见，斜裂缝出现后，开裂前由混凝土承担的剪应力转由箍筋承担，但通过整体对比可发现，斜裂缝刚出现时的箍筋应力虽发生突变，但幅值并不大，并且其增长速度要低于进入斜裂缝扩展阶段后箍筋应力的增长速度。随着荷载的增大，构件进入斜裂缝稳定扩展阶段，构件挠度不断增加，新的斜裂缝也陆续出现，加载到接近极限荷载时，构件出现异常响动，斜裂缝快速向两端延伸，构件整体变形明显，所施加荷载无法稳定，有快速下降的趋势，最终构件上部剪压区混凝土表面开始逐渐脱落，荷载继续保持下降趋势，最终构件上部剪压区混凝土被压碎，构件破坏。与配置HRB400钢筋的试验梁BS-13对比可知，配置HRBF500高强箍筋的混凝土梁受剪特征与其基本相同。

2、正常使用极限状态分析。通过分析发现，水工规范是通过对抗剪强度的控制来实现对斜裂缝宽度的限制，而配置HRBF500钢筋后，钢筋强度得到很大提高，但由于钢筋用量的大幅减少，其在正常使用阶段的应力必然提高。针对水工建筑物，配置高强箍筋的构件能否满足正常使用阶段斜裂缝宽度限值的要求，HRBF500钢筋如何取最优设计值，对正常使用阶段的关键问题，本文依据所得试验数据，进行了分析。

依据规范规定，正常使用极限状态验算应按标准组合进行，取标准组合下荷载综合分项系数的平均值y为1.1。依据钢筋材料分项系数取值范围，分别取HRBF500高强钢筋设计值为360MPa、380MPa、420MPa、435MPa、450MPa。依据规范规定公式，分别求得剪力设计值Ｖs，并由已知荷载综合分项系数，推得钢筋取不同设计值时正常使用阶段的组合剪力Ｖz。同时在试验过程中，采集每个构件斜裂缝宽度为0.2㎜时对应的荷载值，并将其换算成剪力值Ｖ0.2。将两者进行对比，从而判断钢筋设计值是否满足正常使用阶段的要求。

由计算结果可知，HRBF500钢筋设计值分别取为360MPa、380MPa、420MPa、435MPa、450MPa与试验采集到的斜裂缝宽度为0.2㎜的剪力值Ｖ0.2的比值Ｖz/Ｖ0.2均小于1，各构件所得对比数据中Ｖz/Ｖ0.2最大值为0.961，最小值为0.558。另外，不同设计值对应的Ｖz/Ｖ0.2平均值不同，而且变异系数较小，均小于0.1。由此可知，在短期荷载作用下，构件能满足正常使用极限状态斜裂缝宽度限值的要求，且具有一定的安全余量。

由于钢筋混凝土构件设计使用年限较长，因此，荷载长期作用是一个影响裂缝开展的重要因素。尤其对水工结构而言，一般处于室外环境，构件在荷载的长期作用下，钢筋能否满足正常使用阶段的要求也是不容忽视的问题。通过对配置HRB400钢筋的构件BS-13的反算结果分析可知，其长期荷载影响系数C<1.3。取其上限值，长期荷载影响系数Ｃ＝1.3，从而可得在长期荷载作用下剪力值ＶＬ＝Ｃ·Ｖｚ。

根据计算结果可知，箍筋设计强度为420MPa、435MPa、450MPa时，比值ＶＬ/Ｖ0.2大于1的构件分别为６根、８根、８根，均已超过测试构件数的1/2，比值ＶＬ/Ｖ0.2的平均值分别为1.009、1.031、1.052，均已大于1。而箍筋设计强度为360MPa、380MPa时，比值ＶＬ/Ｖ0.2大于1的构件分别为1根、3根，比值ＶＬ/Ｖ0.2的平均值分别为0.923、0.952，变异系数均小于0.1。由此可见，5种不同设计强度中，当箍筋设计强度取为360MPa、380MPa时，能满足正常使用极限状态的要求，但对单个构件而言，箍筋设计强度为380MPa时的ＶＬ/Ｖ0.2比值超过限值的单个构件相对较多。

因此，考虑到水工结构的其他不利影响因素，以及足够的安全余量等因素。HRBF500钢筋在水工钢筋混凝土中的抗拉强度设计值取为360MPa时，能满足正常使用极限状态要求。

三、结语

近年来，随着我国经济持续高速增长，建筑业作为我国国民经济支柱产业之一也得到了长足发展。目前，由于我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式，因此随着建筑业的发展，钢筋和混凝土的消耗量也在逐年递增。

参考文献：

[1]孙永成.HRB500钢筋混凝土受剪承载力分析[J].自然灾害学报，2015.

[2]耿树江.HRBF500钢筋混凝土柱的受压试验研究[J].工程力学，2015.

[3]丁琼迪.高强箍筋混凝土梁受剪性能研究[D].安徽工业大学硕士学位论文，2014.