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混杂纤维自密实混凝土梁式构件的弯剪性能

尤志国  
【摘要】: 新拌混凝土不良的工作性能(流动性能低下或离析)将严重影响建筑工程的质量,尤其是在结构配筋密集处或狭窄封闭区域,会降低混凝土与钢筋的有效粘结性能并减少钢筋的保护层厚度。在施工现场,经常出现钢筋(包括箍筋)配置不当的情况,使结构出现结构性裂缝;这些都直接影响到结构的安全性及耐久性。用纤维增强自密实混凝土并部分替代钢筋(尤其指箍筋)是目前一个重点的研究方向。纤维增强自密实混凝土具有优良的工作性能,采用增强增韧型的钢纤维和高性能合成长纤维可明显地改善混凝土的抗拉强度、抗弯强度及弯曲韧性,这也是混杂纤维替代钢筋的前提条件。目前关于混杂纤维自密实混凝土的工作性能、混杂纤维替代钢筋的研究还处于起步阶段,还没有混杂纤维自密实混凝土结构承载力的计算公式和相关规范,关于混杂纤维-钢筋自密实混凝土梁的抗剪性能的研究还未见报道。 本文首先研究了钢纤维、合成纤维、混杂纤维对自密实混凝土工作性、不同强度、及抗弯韧性的影响,进行了大量配合比的优化研究,寻求出几种具有优良工作性和高韧性的配合比,在此基础上,进行了钢纤维和混杂纤维部分替代或全部替代钢筋的自密实混凝土矩形梁的抗弯性能和抗剪性能的研究,并和混杂纤维-钢筋自密实混凝土T-梁的抗剪性能进行了全面的对比,主要研究内容如下: (1)参照国际上先进的工作性评价方法和新成果,采用坍落流动度试验、J-环试验、L-槽试验、U-管试验进行了不同掺量、类型和长径比的钢纤维、合成纤维、混杂纤维自密实混凝土的工作性能试验;分析了不同掺量、类型和长径比的钢纤维、合成纤维、混杂纤维自密实混凝土的抗压强度、抗弯强度及弯曲韧性、劈拉强度及劈拉韧性、双面直剪强度和剪切韧性;优化选取了单掺20kg/m3、25kg/m3、40kg/m3、50kg/m3的钢纤维,混掺20+6kg/m3、40+4kg/m3的混杂纤维的配合比进行构件试验。研究表明:当J-环配筋率为3.3%时,单掺50kg/m3的钢纤维、混掺40+4kg/m3的混杂纤维是本文自密实混凝土配合比的最高纤维掺量。 (2)对纤维-钢筋自密实混凝土梁的最小配筋率问题进行了针对性的研究,分析了混杂纤维和钢纤维对按最小配筋率配筋的混凝土梁的屈服荷载、极限荷载、开裂后的跨中纵筋应变、受压区混凝土的平均压应变和弯曲破坏时的延性的影响,探讨了纤维混凝土梁开裂后横截面是否符合平面变形条件。研究表明:纤维减小了按最小配筋率配筋的混凝土梁弯曲破坏时的延性,基于此,提出了在进行纤维-钢筋混凝土梁设计时必须提高最小配筋率的建议。 (3)重点研究了钢纤维和混杂纤维-钢筋自密实混凝土矩形梁和T-梁的抗剪性能,分析了钢纤维和混杂纤维对梁的荷载-挠度曲线(剪力-加载点位移曲线)、破坏模式和裂缝形态、承载能力和变形能力(钢筋应变、混凝土应变、裂缝宽度)的影响。系统对比了T-梁和矩形梁在抗剪性能上的差异。研究表明:钢纤维和混杂纤维提高了梁的极限荷载和极限荷载对应的挠度;改善了梁的裂缝形态,能够转变梁的破坏模式,减小了剪跨区斜截面的最大裂缝宽度和裂缝间距;限制了箍筋应变和纵筋应变的发展;减小了混凝土的纵向应变。混杂纤维-钢筋自密实混凝土T-梁翼缘混凝土纵向应变存在剪力滞效应,翼缘中混凝土纵向应变在不同荷载下并不符合平截面假定,混杂纤维减小了剪跨段翼缘受拉区混凝土的纵向应变。翼缘的存在能改变有箍筋梁或有纤维梁的破坏模式,并限制裂缝的扩展。在有箍筋或纤维的情况下,翼缘对抗剪的贡献是不可忽略的。 (4)提出了评价纤维-钢筋自密实混凝土梁峰值后的抗剪性能的新方法;采用峰值后的名义平均等效抗剪强度和剪切延性指标定量的描述了梁的剪切延性,即峰值后的梁的剩余承载能力和变形能力;对于发生剪切破坏的梁,采用荷载-挠度曲线(剪力-加载点位移曲线)下的面积定量地评价了纤维或箍筋对梁的峰值前能量吸收能力的影响。研究表明:掺加钢纤维或混杂纤维显著地提高了梁峰值前能量吸收能力,且能量吸收能力随着纤维掺量的增加而增加;混杂纤维在改善梁峰值荷载前所吸收的能量上要优于钢纤维。掺加钢纤维的有箍筋梁,峰值后的荷载下降显著,下降比例大于无纤维的有箍筋梁,脆性特征明显;掺加混杂纤维的有箍筋梁,峰值后的荷载下降比无纤维的有箍筋梁缓慢。对于无箍筋的梁,混杂纤维的使用在改善梁的剪切延性上表现出了很好的正混杂效应,并且好于钢纤维。钢纤维或混杂纤维和箍筋对梁峰值后的延性的影响取决于纤维掺量、配箍率和梁的截面形式。 (5)依据对23组对比梁的荷载-跨中挠度曲线(剪力-加载点位移曲线)、极限承载力(极限剪力)、极限挠度(极限位移)、梁峰值前能量吸收能力、破坏模式、斜截面的最大裂缝宽度、剪切延性等几方面的综合分析,研究了钢纤维或混杂纤维全部或部分替代箍筋的可行性。研究表明:无论是在矩形梁或是T-梁中,混杂纤维或钢纤维能够部分替代箍筋,纤维的替代比例取决于纤维掺量、配箍率和梁的截面形式。钢纤维或混杂纤维和箍筋的共同使用,优于只配箍筋或只有纤维的梁,表现出了非常好的正混杂效应。本文试验条件下,在矩形梁中,混杂纤维或钢纤维不能全部替代按构造配箍率配置的箍筋,T-梁翼缘的存在有利于纤维替代箍筋。 (6)依据纤维-钢筋混凝土梁的抗剪机理和最新研究成果,建立了钢纤维-钢筋自密实混凝土矩形梁和T-梁的抗剪强度经验公式。采用应力-应变法预测了钢纤维或混杂纤维-钢筋自密实混凝土矩形梁和T-梁的抗剪极限承载力。基于开口弯曲梁的荷载-挠度曲线,反分析求解得到了混杂纤维自密实混凝土的应力-裂缝口宽度关系;基于应力-裂缝口宽度关系,预测了混杂纤维-钢筋自密实混凝土矩形梁和T-梁的抗剪极限承载力;提出了混杂纤维替代箍筋的公式。研究结果表明本文建立的公式的预测值与试验结果吻合较好。 混掺钢纤维和合成纤维并与钢筋的混杂使用能够在不同层次上改善梁的抗弯强度和弯曲韧性、抗剪强度和剪切延性、荷载-挠度曲线(剪力-加载点位移曲线)、破坏模式和裂缝形态、承载能力和变形能力,表现出了很好的正混杂效应,这是一种优化的配筋形式。


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