銹蝕鋼筋鋼纖維混凝土簡支梁受剪承載力的試驗(yàn)

曾志興,胡智偉

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

銹蝕鋼筋鋼纖維混凝土簡支梁受剪承載力的試驗(yàn)

曾志興,胡智偉

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021)

在箍筋銹蝕情況下,計(jì)算6根鋼筋鋼纖維混凝土梁斜截面的承載力,探討箍筋銹蝕對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土梁受剪承載力的影響.通過實(shí)驗(yàn)分析,建立相應(yīng)的斜截面承載力的計(jì)算公式.研究結(jié)果表明,鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面破壞形態(tài)是由剪跨比決定的,銹蝕程度只影響承載力的大小,并不改變破壞形態(tài);隨著鋼纖維體積率的增加,鋼筋鋼纖維混凝土梁的受剪承載力會(huì)有一定的提高;鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面承載力,隨著箍筋銹蝕率的增加而降低.

鋼纖維混凝土;箍筋;銹蝕;受剪承載力

鋼筋銹蝕后,混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估,以及其剩余壽命預(yù)測的關(guān)鍵問題[1-2].近年來,國內(nèi)外對(duì)鋼筋銹蝕的混凝土受彎構(gòu)件的研究集中在其正截面抗彎,對(duì)其斜截面受剪承載力的研究甚少.隨著鋼纖維混凝土在建筑工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,鋼纖維混凝土構(gòu)件的耐久性研究顯得更為迫切.由于箍筋的直徑和保護(hù)層厚度都較小,箍筋對(duì)銹蝕更為敏感,更容易導(dǎo)致斜截面的脆性破壞.因此,本文僅研究箍筋銹蝕的鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面承載力,并建立相應(yīng)的計(jì)算公式.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件的制作

制作6根鋼筋鋼纖維混凝土梁[3],包括2根為未銹蝕的對(duì)比梁、4根為箍筋銹蝕的梁.為了保證構(gòu)件的破壞是斜截面破壞,梁配置足夠的縱筋并采取了錨固措施,試件制作時(shí)預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)的立方體混凝土試塊.當(dāng)采用的鋼纖維體積率ρf為0.5%,1.0%時(shí),試塊的混凝土強(qiáng)度實(shí)測值分別為26.0,30.2 M Pa.圖1為試驗(yàn)梁配筋圖.

1.2 快速銹蝕及加載

采用外加直流電對(duì)鋼筋進(jìn)行電化學(xué)銹蝕.將試件浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%的NaCl溶液中,把連接鋼筋的細(xì)鋼筋與恒定直流電源的陽極相接,而直流電源的陰極則與溶液中的不銹鋼(或銅片)相接,通過NaCl溶液形成回路,電解消耗陽極的鋼筋.根據(jù)文[4]的控制通電時(shí)間,可以達(dá)到預(yù)期的銹蝕效果.

由于實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行箍筋銹蝕,故需要對(duì)箍筋與縱筋進(jìn)行絕緣處理.即在箍筋與縱筋接觸部位用環(huán)氧樹脂與紗布包裹斷開,通電導(dǎo)線是在箍筋上部焊接一根直徑較小的細(xì)鋼筋.加載裝置如圖2所示.

1.3 銹蝕率的計(jì)算

在構(gòu)件加載完成后,取出一段銹蝕的鋼筋,用鹽酸清洗,砂紙打磨后稱量.計(jì)算單位長度鋼筋的質(zhì)量損失,然后除以銹蝕前單位長度的質(zhì)量即得到銹蝕率(η).通過試驗(yàn),構(gòu)件G-0.5-1,G-1.0-1,G-0.5-2, G-1.0-2的實(shí)測箍筋銹蝕率分別為7.93%,6.54%, 14.11%,18.10%.

圖1 試驗(yàn)梁配筋圖(mm)Fig.1 Reinfo rcement layout of beams(mm)

2 結(jié)果及分析

圖2 加載裝置Fig.2 Loading setup

2.1 銹蝕構(gòu)件破壞特征

在加載的初期,由于彎矩和剪力都比較小,試件表現(xiàn)為彈性變形特征.從荷載-撓度曲線可知,撓度隨荷載的增大呈線性增大,此時(shí)的縱筋和箍筋的應(yīng)力都比較小;二從鋼筋的應(yīng)變曲線看,鋼筋的應(yīng)變也是線性增長.當(dāng)荷載加載到一定程度,試件在純彎段內(nèi)或集中力附近的位置出現(xiàn)第1條垂直裂縫.隨著荷載的繼續(xù)增大,垂直裂縫寬度變大,在兩端的剪跨段也陸續(xù)出現(xiàn)斜裂縫,并不斷向梁頂部和集中力作用點(diǎn)方向發(fā)展.同時(shí),在垂直裂縫處梁的底面混凝土開裂,并伴有輕微的響聲.

從鋼筋的應(yīng)變曲線上還可看到,鋼筋應(yīng)力較底面為開裂前明顯增大;繼續(xù)加載,裂縫增多、變寬、高度增大,撓度進(jìn)一步發(fā)展且增長穩(wěn)定.荷載進(jìn)一步加大,當(dāng)鋼筋應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢A段且荷載基本不增加的情況下,撓度增長很快,裂縫也增長很快,荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn).隨后,隨著剪跨段斜裂縫的增多變寬,發(fā)生斜截面破壞.

2.2 撓度和裂縫寬度隨荷載的變化

箍筋銹蝕構(gòu)件的撓度(f)和裂縫寬度(d)隨荷載(P)的變化曲線,分別如圖3,4所示.

從圖3可以看出,鋼筋銹蝕降低了梁的剛度,影響構(gòu)件的延性,箍筋銹蝕對(duì)受彎構(gòu)件的斜截面抗剪承載力有顯著影響.從圖4可以看出,在同一條件下,未銹蝕構(gòu)件的裂縫開展速度與裂縫寬度都比銹蝕構(gòu)件的裂縫開展速度與裂縫寬度要小,說明鋼筋銹蝕影響構(gòu)件的剛度和承載能力.裂縫的發(fā)展及裂縫寬度隨著鋼纖維體積率的增大而明顯減小,裂縫寬度及增長速率隨著銹蝕率的增大而略有增大.

圖3 箍筋銹蝕構(gòu)件的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of beam s w ith co rroded stirrups

圖4 箍筋銹蝕構(gòu)件荷載-裂縫寬度曲線Fig.4 Load-crack w idth curvesof beam s w ith corroded stirrups

2.3 試驗(yàn)梁抗剪承載力分析

構(gòu)件的破壞形態(tài)均為剪切破壞,其極限荷載(Pu)及開裂荷載(Pcr),如表1所示.由表1可見,箍筋銹蝕構(gòu)件的極限荷載均比未銹蝕構(gòu)件的極限荷載小,且極限荷載的降低程度隨銹蝕率的增大而增大.相對(duì)于鋼纖維體積率為0.5%的構(gòu)件,鋼纖維體積率為1.0%的構(gòu)件的極限荷載降低程度要小得多.

究其原因,主要是由于鋼纖維的數(shù)量增多,在一定程度承擔(dān)了一部分本來鋼筋應(yīng)該承擔(dān)的應(yīng)力,使鋼筋銹蝕率對(duì)構(gòu)件承載力的影響有所降低.隨著鋼纖維體積率的增加,各構(gòu)件的極限承載力也都有不同程度的提高.

表1 構(gòu)件的極限荷載及開裂荷載Tab.1 Cracking load and ultimate load of beams

3 斜截面受剪承載力計(jì)算[5-6]

在國內(nèi)外的大量研究中,提出了兩種抗剪強(qiáng)度計(jì)算的回歸公式.其一是將鋼纖維混凝土看作是一種復(fù)合材料,以鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度作為指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算;另一種是將鋼纖維作為混凝土的一種配筋,按迭加原理建立計(jì)算公式,即在普通鋼筋混凝土無腹筋梁抗剪承載力的基礎(chǔ)上,疊加鋼纖維的抗剪作用.規(guī)范CECS 38:1992《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》[7]就是以第2種回歸方式,建立鋼纖維混凝土受彎構(gòu)件的抗剪承載力的計(jì)算公式.即

上式中:Vfc為鋼筋鋼纖維混凝土無腹筋構(gòu)件斜截面抗剪承載能力的設(shè)計(jì)值;λ為剪跨比,當(dāng)λ<1.4時(shí),取λ=1.4;當(dāng)λ>3.0時(shí),取λ=3.0;lf為鋼纖維的長度;ρf為鋼纖維體積率;df為鋼纖維的等效直徑.

3.1 有腹筋梁的斜截面承載力

有箍筋梁的抗剪承載力,包括混凝土所承受的剪力、鋼纖維所承受的剪力和腹筋所承受的剪力.由鋼纖維混凝土的受力破壞及傳力機(jī)制可知,上述3個(gè)部分的剪力應(yīng)該具有某種相關(guān)關(guān)系,應(yīng)在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上回歸公式.但目前還不具備這個(gè)條件.為了與現(xiàn)行規(guī)范相銜接,在假定鋼纖維與腹筋不存在組合效應(yīng)的前提下,根據(jù)無腹筋梁的抗剪承載力的計(jì)算公式,可直接寫出有箍筋鋼筋鋼纖維混凝土梁的抗剪承載力的計(jì)算公式.即

3.2 僅箍筋銹蝕梁的斜截面承載力

通過實(shí)驗(yàn)中對(duì)于僅箍筋銹蝕的鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面抗剪承載力數(shù)據(jù)的歸納回歸,得出箍筋銹蝕率對(duì)梁斜截面抗剪承載力的影響.因此,參照式(2),(3),可得僅箍筋銹蝕鋼筋鋼纖維混凝土構(gòu)件斜截面承載力的計(jì)算公式為

式(4)中:γ為箍筋銹蝕對(duì)箍筋抗剪強(qiáng)度影響的降低系數(shù),γ=1-1.702ηs,ηs為箍筋銹蝕率.

為了與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]相對(duì)應(yīng),引入計(jì)算公式為

式(5)中:鋼纖維對(duì)斜截面混凝土抗剪承載力的影響系數(shù)βv可通過試驗(yàn)確定.當(dāng)鋼纖維混凝土強(qiáng)度在CF20～CF40之間時(shí),可取βv=0.9.

4 結(jié)論

研究僅箍筋銹蝕的鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面承載力,通過分析并結(jié)合國內(nèi)外的研究成果,建立表達(dá)形式與現(xiàn)行規(guī)范相適應(yīng)的,鋼筋鋼纖維混凝土梁在箍筋銹蝕情況下的斜截面承載力的計(jì)算公式.

由于未考慮鋼纖維的銹蝕對(duì)構(gòu)件斜截面承載力的影響,建議對(duì)鋼纖維銹蝕的影響進(jìn)行研究,歸納出更準(zhǔn)確的鋼筋銹蝕對(duì)梁斜截面承載力的影響系數(shù).

鋼纖維可以阻裂及分擔(dān)一定的拉應(yīng)力[9],需要研究鋼纖維體積率與鋼筋的等代關(guān)系.因此,有必要取多個(gè)銹蝕率進(jìn)行研究,提出剪力更為準(zhǔn)確的回歸公式.

[1] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2] 牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[3] 宋小雷.銹蝕鋼筋混凝土梁靜力及疲勞性能試驗(yàn)研究[D].泉州:華僑大學(xué),2008.

[4] 仲偉秋,貢金鑫.鋼筋電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)控制方法[J].建筑技術(shù)開發(fā),2002,29(4):28-30.

[5] 徐善華,牛荻濤.銹蝕鋼筋混凝土簡支梁斜截面抗剪性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,25(5):98-104.

[6] 霍艷華.銹蝕鋼筋混凝土簡支梁受剪承載力研究[J].工業(yè)建筑,2006,36(S1):910-912

[7] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).CECS 38:1992鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社, 1993.

[8] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[9] 曾志興,宋小雷,孫艷秋.鋼纖維陶粒輕骨料混凝土受拉性能試驗(yàn)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,30(2): 208-210.

Experimental Research on Shear Capacity of Steel Fiber RC Simple Beams with Corroded Stirrup

ZENG Zhi-xing,HU Zhi-wei
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

On condition of the co rroded stirrup,the shear fo rce carrying capacity of 6 steel fiber reinfo rced concrete(RC) simple beams is calculated,so as to discuss the effect of co rroded stirrup on the shear capacity.Based on the experimental results,the fo rmula to calculate the shear capacity is put forward.It’s indicated:the failuremodeof oblique section is decided by the shear-to-span ratio,the corrosion degree only influences the shear capacity,doesn’t change the failuremode. With increasing the steel fiber ratio per unit volume,the shear capacity of steel fiber RC beam increases;and w ith increasing the corrosion degree of stirrup,the shear capacity decreases.

steel fiber reinfo rced concrete;stirrup;corrosion;shear fo rce carrying capacity

TU 375.102

A

(責(zé)任編輯:錢筠 英文審校:方德平)

1000-5013(2010)05-0566-04

2009-04-21

曾志興(1967-),男,教授,主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究.E-mail:zhixing@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(E0740009);福建省閩港人才合作項(xiàng)目(24020701);福建省高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(07FJRC05);福建省廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20083038)