型鋼再生混凝土梁的抗彎性能試驗研究

吳平川，謝露露，李園園，趙守利

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

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型鋼再生混凝土梁的抗彎性能試驗研究

吳平川，謝露露，李園園，趙守利

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

摘要：為了充分了解型鋼再生混凝土梁的破壞特征，對4組型鋼再生混凝土梁進行抗彎靜載試驗，了解型鋼再生混凝土梁從開始加載直至破壞各個階段的受力特點和變形特征，分析不同粗骨料取代率和鋼筋配箍率對其受力性能的影響。研究表明，取代率不同對型鋼再生混凝土梁的極限承載力的影響甚微，配箍率對型鋼混凝土梁的裂縫間距及裂縫發(fā)展有一定影響，型鋼再生混凝土梁截面基本符合平截面假定。

關鍵詞：型鋼再生混凝土；抗彎性能；取代率；配箍率

鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種合理的結(jié)構(gòu)形式，以其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)承載高、剛度大、截面尺寸小和良好的抗震性能等許多突出的優(yōu)點，已被逐漸推廣應用到建筑、橋梁、地下等各種土木工程領域中。型鋼再生混凝土是將再生混凝土應用到型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，這樣既可以彌補再生混凝土材料本身的不足[1-2]，又可以使結(jié)構(gòu)具有組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但目前國內(nèi)外對型鋼再生混凝土梁的研究還鮮有報道[3-7]。為此，本文進行了4組共12根型鋼再生混凝土梁的抗彎性能試驗，了解型鋼再生混凝土梁從開始加載直至破壞各個階段的受力特點和變形特征，分析不同粗骨料取代率和鋼筋配箍率對其受力特征的影響，為此類結(jié)構(gòu)在工程中的推廣應用提供基礎。

1 試驗介紹

試驗制作并完成4組共計12根型鋼混凝土梁的加載試驗，每組有三根試驗梁。其中第1組為原生型鋼混凝土梁(取代率0%)，其箍筋間距為150 mm，編號為L1(L1-1、L1-2、L1-3)；第2組為50%再生粗集料取代率的型鋼再生混凝土梁，其箍筋間距為150 mm，編號為L2(L2-1、L2-2、L2-3)；第3組為100%再生粗集料取代率的型鋼再生混凝土梁，箍筋間距為150 mm，編號為L3(L3-1、L3-2、L3-3)；第4組為原生型鋼混凝土梁，其箍筋間距為100 mm，編號為L4(L4-1、L4-2、L4-3)。試驗梁的具體設計參數(shù)見表1，構(gòu)件截面尺寸及加載示意圖見圖1。

整個梁的加載試驗在河北工程大學結(jié)構(gòu)實驗室進行。豎向荷載通過千斤頂加在分配梁上，分配梁采用的支座形式與本次試驗的型鋼再生混凝土梁構(gòu)件的支座形式均為簡支。試驗過程中采用DH3815N靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行應變采集。

表1 試驗梁的參數(shù)取值

2 試驗現(xiàn)象描述及結(jié)果分析

2.1典型試驗現(xiàn)象描述

試驗以一典型再生混凝土構(gòu)件L2-1為例描述梁的破壞過程。荷載加到48 kN時，在跨中出現(xiàn)與梁縱向垂直的裂縫，隨著荷載增加，跨中兩側(cè)不斷出現(xiàn)新的裂縫，裂縫的方向與梁縱向垂直，梁身裂縫發(fā)展較為緩慢，裂縫的寬度也比較小；荷載加到120 kN時，梁的彎剪段出現(xiàn)多條斜向的彎剪裂縫，并且均斜向指向加載點，此時，跨中裂縫寬度為0.12 mm；荷載加載到200 kN時，混凝土梁的撓度突然增大，加載系統(tǒng)讀數(shù)開始下降，此時，跨中裂縫寬度明顯增加，當跨中裂縫寬度增加至2 mm時，跨中頂部混凝土壓碎區(qū)域明顯擴大，并有混凝土碎渣剝落現(xiàn)象出現(xiàn)；此后，荷載已加不上去，并不斷回落，說明梁L2-1已破壞。

2.2荷載-跨中撓度曲線分析

由圖2、 圖3梁荷載-跨中撓度曲線圖可知，型鋼再生混凝土梁與普通型鋼混凝土梁一樣，在整個受力階段，也分為彈性、帶裂縫和破壞三個狀態(tài)。彈性工作狀態(tài)，型鋼再生混凝土梁拉區(qū)混凝土還處于彈性狀態(tài)，各部分應力很小，荷載-跨中撓度曲線為直線形式。當型鋼混凝土梁拉區(qū)開始出現(xiàn)裂縫，并且荷載-跨中撓度曲線達到彈性點時。裂縫隨荷載的不斷加大進一步發(fā)展并趨于穩(wěn)定，由于型鋼截面的剛度較大，梁開裂后截面剛度降低程度較并不大，荷載-跨中撓度曲線仍表現(xiàn)為一直線。當荷載繼續(xù)加大，受拉鋼筋和型鋼受拉翼緣進入屈服狀態(tài)，截面剛度也大大降低，荷載-跨中撓度曲線明顯彎曲。繼續(xù)加載，由于梁截面的剛度已經(jīng)很小，壓區(qū)混凝土應力發(fā)展明顯加快，觀測到荷載-撓度曲線接近水平線。當荷載達到極限值的時候，跨中型鋼上翼緣處受壓區(qū)的混凝土被壓碎，型鋼再生混凝土梁的抗彎承載力也隨之大大降低。由于型鋼的延性比鋼筋好，所以變形可以持續(xù)發(fā)展很長一段時間，因此，達到極限承載力以后，荷載值下降的比較緩慢。

表2 試驗梁特征點參數(shù)

編號取代率/%Pcr/kNfcr/mmPu/kNfu/mmL10481.3821818.82L250481.7222627.61L3100421.0422319.40L40401.0822022.96

注：Pcr、Pu分別為試件對應的開裂荷載與極限荷載；fcr、fu分別為各特征點對應的跨中位移。

從表2可以看出，鋼筋配箍率相同的情況下，粗骨料的取代率從0%提高到50%時，極限承載力提高了3.67%；粗骨料取代率從0%提高到100%時，極限承載力提高了1.83%，這主要是由于在攪拌過程中混凝土再生粗骨料表面的水泥基體吸掉了部分水分，導致混凝土強度提高。說明雖然箍筋增大了型鋼和混凝土之間的組合作用，但對于型鋼混凝土梁的正截面承載力影響甚微。L1和L4的極限承載力相當，通過對試驗梁裂縫間距及裂縫寬度的測量發(fā)現(xiàn)，箍筋的間距對型鋼混凝土梁的裂縫發(fā)展有一定關系。

2.3應變曲線

圖4、圖5分別為試驗梁L1、L3的跨中位置在不同荷載下的混凝土、型鋼的應變曲線。 從圖4、圖5可以看出，從加載開始直至達到極限荷載的過程中，型鋼截面與混凝土截面的應變分布基本一致，且均接近于直線，證明型鋼和混凝土之間可以共同工作，型鋼再生混凝土梁截面中型鋼和再生混凝土的應變符合平截面假定。

3 結(jié)論

1)型鋼再生混凝土的受力過程也有明顯的彈性、開裂、屈服和極限4個階段。

2)在配箍率不變的情況下，不同再生粗骨料取代率對型鋼再生混凝土梁的極限承載力沒有顯著影響；由于再生粗骨料表面黏附著水泥基體，在混凝土攪拌過程中吸附掉部分水分，導致實際水灰比變小，導致型鋼再生混凝土的強度稍有提高。

3)在取代率一致的情況下，配箍率對型鋼混凝土梁的極限承載力沒有明顯差異，但是對型鋼混凝土梁的裂縫間距及裂縫發(fā)展有一定影響。

4)型鋼再生混凝土梁截面基本符合平截面假定。

參考文獻：

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]馬 輝， 薛建陽， 高 亮，等.水平荷載作用下型鋼再生混凝土柱受力性能非線性分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015(5)：63-68.

[3]薛建陽，馬 輝，劉 義.反復荷載下型鋼再生混凝土柱抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2014(1)：36-46.

[4]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2004.

[5]安新正，郭 恒，李莎莎，等.再生粗骨料粒徑對再生混凝土早期開裂影響研究[J].河北工程大學學報：自然科學版，2014,31(1): 1-5.

[6]張 軍.再生混凝土研究及再生混凝土柱力學性能分析[D].成都：西南交通大學，2007.

[7]姜新佩，李 瑩，張勝彥.邯鄲地區(qū)再生骨料在混凝土和砂漿中應用[J].河北工程大學學報: 自然科學版, 2013, 3(3)：49-53.

(責任編輯王利君)

Test research on bending performance of steel -recycled concrete beam

WU Ping-chuan, XIE Lu-lu , LI Yuan-yuan, ZHAO Shou-li

(Colleage of Civil Engineering, Hebei University of Engineering , Hebei Handan 056038, China)

Abstract：In order to understand fully the failure mode of steel -recycled concrete beam, four steel -recycled concrete beams were tested on their bending performance. Through the test, the mechanical characteristics and deformation mode of steel -recycled concrete beams from the starting loading until to damage were completely recognized. The effect of different coarse aggregate substitution rate and reinforced stirrup on its mechanical features were also analyzed. The results show that different coarse aggregate substitution rate have little effect on the ultimate strength of steel-recycled concrete beam. The stirrup ratio have certain influence on the crack distance and development of beam. The?horizontal?section?assumption is feasible to the Steel-recycled concrete beam. The research conclusions can be a help to relevant study and engineering application.

Key words：steel-recycled concrete beam; bending performance; substitution rate; stirrup ratio

中圖分類號：TU398.9

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0031-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.008

作者簡介：吳平川(1979-)，男，河北邯鄲人，博士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)抗震方面的研究。

基金項目：河北省自然科學基金資助項目 (E2015402057)；河北省教育廳青年基金資助項目(QN20131029)；河北省住建廳項目(2013-102)

收稿日期：2015-09-10