（水工结构工程专业论文）钢纤维高强混凝土板冲切性能试验研究.pdf

内容提要 钢纤维混凝土具有优良的物理力学特性，弥补了普通混凝土易裂、脆性大和延 性差等不足，进而改善了普通混凝土的力学性能和使用性能，已广泛应用于各种 工程领域。国内外对钢纤维高强混凝土也进行了大量的试验研究和理论分析，尤 其是对钢纤维高强混凝土基本力学性能的研究已经基本形成了体系。本文通过6 块尺寸为1 8 0 0 r e x1 8 0 0 m x1 5 0 r a m 的钢筋钢纤维高强混凝土板冲切性能试验，研 究了混凝土基体强度等级和钢纤维体积率对钢筋钢纤维混凝土板的冲切承载能 力、荷载一变形曲线的影响，进行了相应的理论分析。主要研究内容如下： 1 研究了混凝土强度等级和钢纤维体积率对板荷载挠度曲线的影响。结果 表明，钢纤维高强混凝土板冲切破坏之前的变形主要是弯曲变形，钢纤维的掺入 提高了钢筋混凝土板的刚度和延性。根据试验结果，引入刚度折减系数反映钢纤 维对挠度变化的影响，建立了适用于从加载到破坏整个过程的荷载与挠度关系式。 2 研究了混凝土强度等级和钢纤维体积率对板冲切极限承载力的影响。结果 表明，钢纤维的掺入提高了钢筋混凝土板的初裂承载力和极限承载力。运用塑性 极限分析方法和统一强度理论建立了板的冲切极限承载力计算公式，并结合试验 结果对推导的公式进行了修正，计算结果与试验数据吻合良好。 关键词：冲切钢纤维高强混凝土变形极限承载力纤维体积率 a b s t r a c t s t e e l f i b e rc o n c r e t eb e h a v e se x c e l l e n t s t r e n g t hp r o p e r t i e s a n dm e c h a n i e u l c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p e n s a t e st h ed e f i c i e n c i e so f p l a i nc o n c r e t e ，i m p r o v e sm e c h a n i c a la l l i n - s e r v i c ep e r f o r m a n c oo f p l a i nc o n c r e t e ，i se x t e n s i v e l yu s e di nm a n yf i e l d s , a q u a n t i t yo f e x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h - 心e n g t h c o n o r e t ew o r ep r o c e s s e di nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，a n ds t u d i e so fb a s i cm e e h a n i o a l p r o p e r t i e so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h - s 打e n g t hc o n c r e t eh a sf o r m e ds y s t e m b a s e do n t h eb a s i ct h e o r yo f s t e e lf i b e rc o n c r e t e ，t h r o u g hb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x p e r i m e n t s o fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i , a - s t r e n g t hc o n c r e t ea n dp u n c h i n gs h e a r se x p e r i m e n t so fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t es l a b s ，w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h ec o n c r e t e i n t e n s i t ya n dt h es t e e lf i b e rv o l u m ei nt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n dl o a d - d e f l e c t i o n c u r v ea n ds o m ea n a l y s i s e sw i t hi n t e r r e l a t e dt h e o r yh a sb e e nc o n d u c t e d t h em a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 i n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h ec o n c r e t ei n t e n s i t ya n dt h es t e e lf i b e rv o l u m ei nt h e l o a d - d e f l e c t i o nc u r v e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e f o r m a t i o no fas l a bp r i o rt o p u n c h i n gs h e a rf a i l u r ei sm a i n l yb e n d i n gd e f o r m a t i o na n dt h em i x t u r eo fs t e e lf i b e r h i g h t e n st h ef i r s tc r a c kl o a d 、r i g i d i t y 、t e n s i l i t y 、l i m i tb e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e d c o n c r e t es l a b i nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s , w ei n t r o d u c et h er i g i d i t yd i s c o u n t e d c o e f f i c i e n tt oi n f l e c tt h ee f f e c to fs t e e lf i b e ri nd e f l e c t i v a r i e t ya n ds e tu pt h er e l a t e d f o r m u l ao fl o a da n dd e f l e c t i o nw h i c hi sa p p l i e dt ot h ew h o l ep r o c e s sf r o ml o a d i n gt o d e s t r u c t i n g 2 i n f l u e n c i n gf a c t o ro fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y a g oi n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t sa n dg e tt h ef o r m u l a so fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y b a s e do nt h eu n i f i e d s t r e n g t ht h e o r y , t h ea g r e e m e n to fc a l c u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a ld a t ai sg o o d t h e a u t h o rp o i n to u tt h a tt h ed e f o r m a t i o no f as l a bp r i o rt op u n c h i n gs h e a rf a i l u r ei sc a u s e d b yb e n d i n gm o m e n ta n dt h es t e e lf i b e ra d d e dt h ee a r l yb r e a kl o a d 、r i g i d i t y 、t e n s i l i t y 、 l i m i tb e a r i n gc a p a c i t yo f r e i n f o r c e dc o n c r e t es l a b k e y w o r d s ：p u n c h i n gs h e a rs l a b s t e e lf i b e rh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yd e r o r m a t i o nf i b e rv o l u m e 铜纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 第一章绪论 1 1 选题的背景 混凝土是当代建筑领域应用最广泛的建筑材料之一，具有强度高、易成型、 能耗低、耐久性好、价格便宜、与钢材结合可制成各种承重构件等优点。但其固 有的自重大、脆性大、抗拉强度低等不足也一定程度上限制了混凝土进一步的推 广应用。因此，开发和研究轻质、高强、高延性的混凝土具有重要的理论意义和 实用价值。 高强混凝土因为其强度高、刚度大、耐久性好，能适应现代结构向高耸、大 跨、重载方向的发展等优点，已得到了越来越广泛的应用。用高强混凝土代替普 通混凝土，可以大大降低钢筋混凝土中混凝土用量。目前我国处在高速发展时期， 各项建设中的混凝土用量非常巨大，提高混凝土强度等级、改善混凝土受力性能 具有重大的经济意义和技术意义。但是，相对于普通混凝土，高强混凝土延性较 差、极限变形小。虽然抗压强度和抗拉强度较普通混凝土有一定提高，但其抗拉、 抗剪强度与抗压强度的比值将随着混凝土强度的提高而降低，此特点随着强度的 提高而更加显著。同时，高强混凝土在减小截面尺寸的同时也造成了构件刚度的 减小等。这些性能上的缺点使其在应用上遇到了很大的障碍，如美国a c l 3 1 8 8 9 规范就曾对混凝土最大强度进行限制，从而阻碍了c 7 0 以上混凝土在更多工程领 域中的推广应用。 为了改善混凝土的性能，提高经济效益，在混凝土中掺入纤维而形成的纤维 混凝土( f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，缩写为f r c ) 近几十年来在国内外迅速发展起 来。在混凝土中掺入纤维后，由于纤维与混凝土基体间的粘结作用明显地抑制了混 凝土基体中微裂缝的扩展和延伸。纤维受力时的脱粘，拔出或拉断消耗很大的能量， 使混凝土破坏时表现出良好的塑性特征。在纤维混凝土中，钢纤维混凝土是研究 最多、应用最广、最有效的一种。钢纤维增强混凝土简称s f r c ，钢纤维混凝土是 在混凝土中掺入适量的乱向短钢纤维形成的一种高性能复合材料，它克服了混凝 土和高强混凝土脆性破坏的特点，具有较好的抗拉、抗裂、抗剪和抗冲击性能， 尤其具有很好的延性和韧性及优异的耗能能力，钢纤维的加入对混凝土结构的力 学性能和变形能力的改善非常明显。钢纤维混凝土出现于上世纪初，早在1 9 0 7 1 9 0 8 年间，前苏联专家便把钢纤维应用到混凝土中，从而开创了钢纤维混凝土的 历史。1 9 1 0 年，美国的h f p o r t e r 发表了有关以短钢纤维增强混凝土的研究报告。 1 9 1 1 年，美国的g r a h a m 初步验证了钢纤维对普通钢筋混凝土的增强作用，此后， 相继有人建议在混凝土或钢筋混凝土中加入钢纤维或其他金属丝以改善其性能。 1 9 6 3 年美国j p r o m u a l d i 等人提出了纤维间距理论，引起广泛的重视，被认为是 镪纤维高强钢筋混凝土扳冲切性能试验研究 钢纤维增强水泥基复合材料理论研究的开端。但是，钢纤维造价较高，使其阻碍 了钢纤维混凝土的工程应用。到了二十世纪七十年代，美国的b a t t e l l e 公司用熔抽 技术制造出了廉价的钢纤维，这就为钢纤维的工程应用创造了有利的条件目前 世界各国对钢纤维混凝土的研究和应用已经相当广泛，我国也在水利工程( 如三 蛱工程、小浪底水利枢纽工程) ，建筑工程( 如福州东方大厦、沈阳商业城) ，交 通工程( 如北京东四环路立交桥、沪杭高速公路) ，铁路工程( 如沈阳铁路长大线 维修工程、柳州铁路局黔贵铁路铺设工程) 中广泛采用钢纤维，并且取得了良好 的效益。 在普通混凝土中加入钢纤维可以使混凝土抗剪、抗弯、抗拉强度等都有所提 高，同时也可以大大改善酱通混凝土抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性。对于 普通钢筋钢纤维混凝土构件，国内外的研究表明：钢纤维在钢筋混凝土构件种起 到了阻裂、增强、增韧作用，从而使钢筋混凝土构件的性能有明显的提高。为了 改善高强混凝土的不足，国内外的研究者也采用在高强混凝土中加入纤维的方法。 钢纤维高强混凝土是在高强混凝土中加入钢纤维而形成的复合材料。钢纤维高强 混凝土既具备了高强混凝土的优点。又克服了高强混凝土的不足，是一种比较理 想的高性能混凝土。 目前，世界各国钢纤维混凝土应用日趋广泛，国内外对钢纤维高强混凝土的性 能亦也进行了初步的试验研究和理论分析，钢纤维高强混凝土基本力学性能的研 究已经基本形成了体系。但是，国内外对钢纤维材性以外的研究仍然很少将钢纤 维用于混凝土板中以构成钢纤维混凝土板的试验研究和理论分析更是不够系统、 深入。s w a m y 和a l l 曾经比较全面的阐述了混凝土中钢纤维对板柱结点冲切性能的 影响，国内浙江大学的林旭健i ”、大连理工大学的安玉杰1 3 1 等也曾做过有关试验。 这些研究成果已经初步验证了钢纤维对提高混凝土板冲切能力、延缓刚度退化、 提高结构延性和耗能能力方面具有积极作用。但钢纤维高强混凝土试验研究仍不 充分，理论分析仍有待于进一步的加深。新修订的纤维混凝土结构技术规程 也缺少相关的设计理论，从而严重阻碍了这种具有优良抗裂、抗拉与优异的延性 性能和高冲切承载力的新型钢纤维混凝土板结构体系的应用和钢纤维混凝土结构 理论的发展和完善研究这种既能改善钢筋高强混凝土板延性又能提高其冲切承 载能力的新型钢纤维高强混凝土板冲切性能具有重要的理论和实用价值。 1 2 钢翁混凝土板冲切的研究现状 1 2 1 冲切问题的研究概述 随着社会的发展、技术的进步和施工工艺的创新，无梁楼盖等钢筋混凝土板 柱体系的应用也日趋广泛。板柱体系具有结构形式简单，柱网布置灵活、净空较 大，外型美观、降低层高等特点，但同时在其节点处板又承受着柱传来的集中荷 2 钢纤维高强钢筋混凝土扳冲切性能试验研究 载的作用，属于典型的局部受力状态，一旦结构所承受的荷载超过其承载能力， 便可能发生脆性冲切破坏，甚至引起结构的连续坍塌，从而造成灾难性的后果。 如何提高板结构的冲切性能，是当前业界关心的主要问题。 在上世纪初，美国的a n t a l b o t l 4 1 就开展了有关冲切破坏的试验研究，并于 1 9 1 3 年提出了冲切承载力的计算公式。由于无梁平板结构简单、节约模板、节省 劳力，并可降低层高，二次大战后，随着高层公寓的建设，板结构逐渐得到推广发 展。基于无梁平板中剪切破坏通常起着控制作用，m o e1 5 1 、k i n n r n e n1 6 1 、 n y l a n d e r1 7 1 、e l s t n e r h e 、h o g n e s t a d s l 等开始对板柱节点的冲切问题进行深入探 讨。 在板中配置冲切钢筋，可以提高板的冲切承载能力到上个世纪末期，各种 各样的冲切钢筋有：弯起钢筋，u 形钢筋，封闭式箍筋，钢剪力销等g h a l i 、 d i l g e r1 9 1 在这些方面做了很多的尝试，并作出了阶段性的总结。 混凝土强度也是影响抗冲切承载能力的重要因素之一。e l s t n e r h e 和h o g n e s t a d 曾经以混凝土强度作为单独变量做成组试验，但是试件配筋太多，且构造不合理， 其试验结果可信度不是很高。 1 9 8 1 年，英国的r e g a n l l o l 采用e l s t n e r h e 和h o g n e s t a d 的试验结果及m o e 的试 件进行计算，结果表明，英国规范所采用的表达式是合适的。1 9 9 0 年，加拿大的 g a r d n e ri i i i 发表了专门探讨冲切承载力与混凝土强度关系的论文，他也采用 e l s t n e r h e 和h o g n e s t a d 的试验结果及m o e 的试件进行计算，结果发现英国规范公式 变异系数最小。但以上二人的试验所做构件都很有限，且不是非常严格，影响了 试验的研究价值。 我国对冲切性能的研究起步较晚，板与基础冲切专题组从1 9 8 0 年以来对冲切 问题开展了试验研究。此外，同济大学、湖南大学、哈尔滨建筑工程学院、福州 大学、郑州大学、大连理工大学、上海交通大学等高校和科研机构在短短二十多 年的时间里做了不懈的努力，做了大量的试验，取得了很大的成果。其研究范围 包括了：矩形板、圆形板、简支板、约束板、开孔板、预应力板，配置抗弯钢筋、 不配置抗弯钢筋，中心荷载、偏心荷载。对材料影响的研究有：普通混凝土板、 轻骨料混凝土板、高强混凝土板、钢纤维混凝土板等。我国的专家学者通过研究 也给出了各自的冲切承载公式。 1 2 2 冲切破坏的基本概念 一般认为，冲切( p u n c h i n gs h e a rc a p a c i t ys l a b s ) 是板在横向局部荷载作用 钢纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 下，沿斜截面产生的剪切型破坏，以冲切锥体在极限荷载时突然冲脱为标志，板面 上清晰可见瞬间形成的环状错动裂缝冲切发生后，板的承载力急剧下降。有专家 认为，冲切与剪切的区别在于剪切是平面受力，而冲切是空间三维受力冲切的破 坏形式如图1 1 所示 ， 、 i 彩，- 、k 图卜1 冲切破坏形式图 f i g sl lp u n c h i n gf a i l u r ef o r m s 无冲切筋的轴对称板在中心荷载作用下产生冲切破坏时，冲切锥比较规则。 从板的受压荷载边缘或柱周边，以一定的倾角向内延伸，并与板的受拉面相交为圆 形。t a y l o r 和h a y e s 【”l 曾经对高、中、低配筋率的方形中心加载周边简支板和方 形中心加载周边约束板进行实是试验，板面上的冲切环向裂缝都基本上呈现广义 圆的形式，这与其他研究者的试验结果基本相符。具体如图1 2 所示 图l - 2 广义圆示意图 f i g s1 - 26 e n e r a l i z e dc i r c l e 根据破坏的过程和形态，从不同的角度可以把冲切破坏分成如下三类： 1 弯冲破坏( b e n d i n g p u n c h i n gf a i l u r e ) 与冲剪破坏( p u n c h i n g s h e a r f a il u r e ) g e s u n d | 1 3 1 定义了一个经验参数q ，认为在q 4 时，发生剪切型破坏( 即冲剪破坏) ；而2 q 4 时，既可能发生弯曲型 破坏，也可能发生剪切型破坏。而曹宏杰和d i l g r j 4 1 则是根据配筋率来区分弯曲 破坏和剪切型破坏，分别用塑性绞线发和板梁比拟法对板柱节点进行了分析，认为 在界限配筋率时两种破坏具有相等的强度值，从而得到界限配筋率的表达式。将 冲切破坏划分为弯冲破坏与冲剪破坏的方法，一直以来被广泛的采用，但是其更为 精确的划分标准却还未达成一致 2 郑州大学的丁自强与韩菊红根据荷载位置的不同，将冲切破坏分为完全 冲切破坏、不完全冲切破坏和冲压破坏三种。具体示意图如图1 3 ： 内商自 一l 0 一l 7 ， 篡： 、： 尹 气 完全冲切破坏不完全冲切破坏冲压破坏 图卜3 加载位置不同的冲切破坏示意图 f i g s1 - 3p u n c h i n gf a i l u r ef o r m so fd i f r e n tp o s i t i o n 3 湖南大学的周朝阳1 1 6 1 则认为配置抗冲切钢筋的混凝土板可能有过筋冲坏、 筋内冲坏、筋间冲坏、筋外冲坏等多种破坏形式 过筋破坏最可能沿相应无腹筋板的破坏面产生，该面不考虑腹筋作用时抗 冲切能力最小，且腹筋不会对早期斜裂缝的位置和走向产生明显影响。腹筋不多 时，由于裂缝开展的惯性，相应无腹筋板的破坏面即成为临界斜截面若第一圈 腹筋到柱面的距离太大，则可能在柱面与腹筋之间发生筋内冲切破坏。同样，若 两圈腹筋之间的距离太大，则可能导致筋间冲坏。而在试验中颇为多见的筋外冲 坏，则是腹筋加强区以外板域成为最薄弱环节时出现的冲切破坏。 在国外，冲切和剪切都称为“s h e a r ”( 剪切) ，冲切实质上也是剪力在起控制 作用。但是冲切毕竟和剪切有所区别，如前文所述，剪切属于平面问题，而冲切 却具有明显的三维特征。国外文献资料在强调冲切与剪切的区别时，将冲切称作 “p u n c h i n gs h e a r ”( 冲切) ，而为了说明冲切的双向特征，又将其称为“t w o - w a y 镪纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 s h e a r ”( 双向剪切) ，这一名称同时也明确指出了冲切破坏是存在于双向受力板中 的一种特殊的剪切破坏随着板的平面形状尺寸、支撑情况、荷载形式、荷载作 用面积等影响因素的改变，剪切破坏和冲切破坏是可以相互转化的同济大学( 周 克荣) 1 7 l 曾经提出计算剪切承载力和冲切承载力的统一公式。 1 2 3 冲切破坏的主要影响因素 1 集中荷载作用位置：丁自强与韩菊红的研究认为，受冲切承载力以荷载作 用于板的中心时最低；荷载越靠近板边缘，承载力越高。 2 冲跨比；荷载至支座的净距与板的有效高度的比值，定义为冲跨比冲跨 比对板的破坏形式影响较大。在板破坏时，其中心点挠度随冲跨比的减小而减小， 而板由弯曲破坏转变为冲切破坏的可能性逐渐增大。 3 冲切钢筋；冲切筋的形式多种多样，可根据不同的需要进行相应的设计， 一般只要设计合理，结合良好，都能提高冲切承载能力。 4 支座约束：福州大学f l | l 的研究表明，边界约束比较大的板，其冲切承载 力大约为简支板的两倍左右。而丁自强与韩菊红的研究认为约束板的冲切承载能 力比同条件的简支板高o 一6 0 以内。 5 混凝土强度：板的冲切承载力随混凝土强度的提高而增大。这是国内外 文献均认可的，但两者之间的关系却仍然存在争议。我国和前苏联认为其与混凝 土抗拉强度是线形关系，aci 等规范取冲切承载力与混凝土抗压强度的平方根 成正比，m o ei s 最早提出冲切承载力与圆柱体抗压强度的平方根成正比。但是后 来很多学者研究认为，钢筋混凝土板冲切承载力与混凝土抗压强度的立方根成正 比更符合实际情况。 6 板的厚度：板的冲切承载能力随板厚的增加而提高，且两者成线性关系。 7 加载面积：板的冲切承载力随加载面周长的增加而线性增大。若以加载 面边长和有效高度比值c h 。与冲切承载力成线性关系，则当周长相同时，方形加 载面的板的冲切承载力高于矩形加载面，而圆柱板的冲切承载力高于方形板嘲 8 抗弯钢筋：冲切承载力随配筋率的提高有所提高，但是幅度不是很大， 且当配筋率大于2 后，冲切承载力基本不再提高。 1 2 4 钢筋混凝士板冲切承载能力的计算方法 计算钢筋混凝土板冲切承载能力的方法有很多。大致可以分为：固体力学解 析法、塑性极限法、结构比拟法、经验公式法、数值分析法等等。 1 固体力学解析法在理论上较为严谨，但是要同时满足平衡方程、物理方程 和几何条件，且最后的精度取决于材料的本构关系和应力场、位移场的假设。将 解析法应用于冲切问题的计算，其解析式一般要经过多次迭代才能得出结果，这 显然很不实用。 6 钢纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 2 塑性极限法以极限平衡理论为基础，假定钢筋和混凝土为理想的刚塑性材 料，直接研究结构的塑性极限状态，所得到塑性冲切极限承载力与考虑弹塑性过 程得到的结果完全一致。由于不考虑弹性变形，分析过程大为简化，此法在冲切 极限承载能力研究上，已被广泛采用。浙江大学的林旭健采用塑性极限法计算 钢筋钢纤维高强混凝土板承载力，取得了很好的效果。 3 结构比拟法是用简单的结构比拟复杂的问题，进行理论分析和公式推导。 在冲切问题上，m a r t i0 9 1 等采用的是桁架模型，曹宏杰和p a r k 啪1 等人用的是通过 柱子的板梁来模拟连接。 4 经验公式法是根据一定的试验资料，以数理统计的方法回归计算公式。可 与试验结果较好吻合，但受特定条件限制，适应范围较小。在研究工作的初级阶 段，在冲切机理不明确的情况下，采用经验公式的方法是可行的。早在1 9 1 3 年， a n t a l b o t a d ! l 就提出了冲切板承载力的经验计算公式；1 9 6 1 年，朋d p l 5 1 根据 2 0 6 个简支板的试验资料，提出以名义剪应力表达的经验公式；我国的一些学者也 分别在试验基础上提出了相应的经验公式，其各自区别在与冲切承载能力的影响 因素不同 5 伴随计算机科学的长足发展，近年来数值分析法得到很大的推动，其中非 线形有限元方法，能够描述冲切破坏的全过程和结构内部各点的应力和位移，对 于研究冲切的工作机理，有着巨大的优越性。在这方面做出突出贡献的国内外学 者有：陶学康2 1 l 、周克荣1 2 2 1 、j a uwc 和w h i t ern i 矧等。不过，由于此方法刚 刚兴起，在很多方面还需要完善。 传统上认为冲切破坏是斜拉破坏，而m o e1 5 1 认为冲切破坏实质上是剪压破坏， 同济大学的周克荣【1 7 1 通过有限元分析了冲切锥的应力分布特点，也认为板柱连接 试件是在冲切锥面上应力和剪应力以及环向压应力的复合作用下达到极限承载力 而发生冲切破坏的。福州大学的林旭健1 2 1 则指出冲切破坏是一种弯曲与冲切共存 的破坏形态，并基于塑性力学的极限分析原理，建立了包括考虑弯曲影响在内的 板冲切极限承载力计算公式。 虽然国内外诸多学者为解决冲切问题进行了长期大量的研究，但因冲切板在 受力过程中的复杂性，其破坏机理和计算模式等方面仍然需要更进一步的探讨。 1 3 选题的意义 混凝土板冲切破坏是工程中常见的破坏形式，常常由于突然发生并使相邻构 件因超载连锁损坏而导致灾难性的后果。对于钢筋混凝土平板冲切性能的改善， 7 钢纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 目前实用上主要寄望于板中冲切钢筋的配置。然而，随着高强混凝土的应用，板 厚减小，在板中配置冲切筋会使板柱连接处钢筋过于密集，造成施工困难、影响 节点混凝土质量，导致冲切承载力下降。此外，实际工程中通常要求结构构件具 备一定的抗冲击性，在破坏时具有足够的延性、完整性和吸收能量的能力，这是 钢纤维混凝土可以做到、而其他常规方法难以实现的。因此，可以考虑配合常规 钢筋的合理设置，在高强混凝土中掺入钢纤维，增大材料延性，改善高强混凝土 板的冲切性能 目前大量的研究都集中在板的冲切承载能力上，对板变形的研究却很少，福州 大学的林旭健1 2 j 曾对冲切变形进行过一定的研究。混凝土板的冲切破坏往往在瞬 间发生，之前板发生的变形往往被忽略，变形对冲切承载力的影响也未能引起足 够的重视事实上，板在冲切破坏之前存在的变形反映了板在各个受力阶段的抗 弯性能，也在很大程度上直接影响着冲切锥面上的应力分布和板面钢筋的冲切能 力，因此有必要研究冲切板的变形及其对冲切承载力的影响。 1 4 本课题的研究内容 通过钢纤维高强混凝土基本性能试验和钢筋钢纤维高强混凝土板冲切性能试 验，研究混凝土基体强度等级和钢纤维体积率对钢纤维高强混凝土基本力学性能 ( 抗压强度、劈拉强度) 的影响，并且在此基础上研究钢纤维高强混凝土基本力 学性能对钢纤维混凝土板的冲切承载能力、荷载一变形曲线的影响，并且进行了 相应的理论分析。 8 钢纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 第二章钢纤维高强混凝土板冲切试验研究 2 1 试验概况 2 i i 试验材料 2 5 r a m ) 石子晒分出去，并将石子反复冲洗干净，拣出针片壮颗粒、胶泥块等杂物。 在浇筑钢纤维高强混凝土时，由于较低的用水量、较高的水泥用量和使用相对较 小粒径的粗集料，使得混凝土的搅拌与传统混凝士相比较为困难因此，为提高 混凝土拌和物的均匀并避免离析，在钢纤维高强混凝土中使用了外加剂并延长了 搅拌时间。为使钢纤维分布良好并避免结团现象，采用了强制式搅拌机搅拌，搅 拌顺序如下； 1 开动搅拌机，先依次加入水泥、粉状高效减水剂搅拌1 分，然后依次加入 砂、粗骨料，干拌2 分钟； 2 加水搅拌2 分钟； 3 为避免钢纤维结团，在粗骨料加入后，人工将钢纤维缓慢分散加入，利用 石子将钢纤维分散开来。搅拌过程中，人工用钢棒辅助搅拌。待所有钢纤维加入 后，将掺有钢纤维的新拌合料搅拌3 分钟后出料。并测定其坍落度。同时，相应 于每块板浇注2 块尺寸为1 5 0 x1 5 0 x1 5 0 r a m 的标准立方体试块并插入与试验板中 钢筋性能相同的钢筋，在试验板的试验中作为补偿试块。 图2 - 1 高强钢纤维混凝土制作流程图 f i 9 2 1t h ep r o c e s so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t hc o n c r e t e 每种板同期制作随板试件：抗压试块( 1 5 0 m i n x1 5 0 m i n x1 5 0 r e ) 和劈拉试块 ( 1 5 0 m x l 5 0 m i n x l 5 0 r a m ) 各一组。 试验的所有构件均在室外的水泥地面上浇筑，地面平整，且在地面铺玻璃板。 模板使用钢侧模，混凝土底模和成型尺寸与设计总尺寸相差在3 毫米以内为了 防止混凝土浇注时可能产生漏浆现象，所有钢模接缝处均用1 0 毫米的橡胶垫层和 橡皮泥堵塞。为了避免试验板和模板之间产生过大的粘结力，使起吊困难，在混 凝土浇注前，对底模和侧模涂油。钢筋应变片采用预先留孔的方法，应变片位置 用塑料泡沫填充，浇筑时紧贴底板，待构件起吊后再将预留孔挖出。 当模板支好后，将预先绑扎好的钢筋网平稳放入模板内，钢筋网底与地面距 离2 0 m ( 因考虑钢筋笼会在混凝士浇筑时下沉，比保护层厚度要高5 r a m ) ，然后将 搅拌好的钢纤维混凝土倒入模板内，构件浇筑时先用振捣棒振捣，采用倾斜插入 式振捣，振捣充分、密实后，再用平板震动器振捣。试件浇筑完成2 4 小时后即可 l o 拆模，拆模后及时对构件进行撒水养护。构件用草垫覆盖以减少水分蒸发。试验 板示意图如图2 - 2 所示。 e 三三= 。= = ：二三习 0 一一一型一一一 图2 - 2 试件尺寸及钢筋构造图 f i 9 2 - 2 s a m p l es i z ea n dt h er e i n f o r c e m e n tc o n s t i t u t i o n 2 1 3 试验装置及加载方法 加力架、千斤顶、数据自动采集仪、支承钢框、混凝土支墩。见图2 3 。 图2 3 支承钢框平面图与数据采集装置 f i 9 2 3d e v i c eo fe x p e r i m e n t sa n dd a t aa c q u i s i t i o n 钢纤维高强钢筋混凝十板冲切性能试验研究 加载方式采用中心集中加载( 加载中心位于板的几何中心处) 用液压千斤项正向加载，以便更真实地反映双向板在实际工作中的受力状态 和板白重对冲切性能的影响。 试验在郑州大学土木学院结构实验室2 0 0 吨加力架上进行。 支承钢框放在8 个钢筋混凝土支墩上。试验板放在支承钢框上，钢框上每隔 3 0 c m 放置球窝支座，以保证简支。由固定在2 0 0 吨加力架分配梁上的千斤顶对板 施加荷载，板顶面加载位置上放一块橡胶垫层和数块钢垫块，千斤顶和加载面钢 垫块之间放置一个荷载传感器，用以接在数据采集仪上描绘荷载一挠度曲线以及 校核荷载数值。通过千斤顶来对板进行加载试验。具体装置如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 简支板加载装置示意图 f i 9 2 _ 4d e v i c eo fe x p e r i m e n t s 2 i 4 量测内容及方法 1 量测内容：板的挠度、裂缝宽度、钢筋应变、板底混凝土应变、荷载、混 凝土抗压强度、混凝土劈拉强度、混凝土弹性模量、混凝土抗折强度，支座沉降 等。 2 量测方法：在试验过程中，主要通过贴应变片测试混凝土和钢筋应变的变 化和分布、用百分表测试支座沉降、用放大镜和读数显微镜测试裂缝的宽度和发 展、用荷载传感器和千分表并结合自动数据采集系统测试荷载一变形曲线等数据。 试验时，首先按初估破坏荷载的( 1 2 0 1 1 0 ) 进行试压，以检查试验装置 的工作状态。卸载调零后，再以初估破坏荷载的1 1 0 左右为加载级进行正式试验。 在裂缝出现前和试件即将破坏时，适当缩小荷载级差。以便尽可能准确地得到初 始裂缝出现的荷载和试件破坏荷载。 为了得到双向板在各级荷载作用下挠度和荷载对挠度的影响范围，在板顶( 板 钢纤维高强钢筋混凝土扳冲切性能试验研究 底) 布置了9 个位移计，除加载中心处的位移计在板底面外，原则上整个板面都 布置位移计，但是在实际布点时考虑到对称性，只在加载中心附近加密布置同 时，支承钢框上布置5 个百分表，以观察支座的沉降变化。位移计、百分表布置 如图2 - 5 所示 埘 i ? 。 、算甜t 岛，。# ”。 乍 o 聃 岛。 ：j “。 7 乜 拼 、 。 j 。 ( b 一竺l 一一 图2 - 5 板面位移计、百分表布置图 f i 9 2 5a r r a n g e m e n to fp e r c e n tm e t e ra n dd i s p l a c e m e n tm e t e r b 一1 ”一j 图2 _ 6 板底钢筋应变片布置图 f i a 2 - 6a r r a u 2 e m e n to ft h es t r a i no f t h er e i n f o r c i n es t e e lb a r s 钢纤维高强钢筋混凝土板冲切性能试验研究 在钢筋相应位置贴钢筋应变片，见图2 - 6 钢筋应变片的规格5 x 3 m m 。 在加载过程中对主裂缝进行观测，裂缝的观测借助于5 倍放大镜以目测为主， 并结合挠度的变化来确定。裂缝出现以后通过5 倍放大镜来观察各条裂缝的发展 过程。裂缝度宽采用读数显微镜来测量，在每级荷载下选取几条宽度较大的主要 裂缝进行量测，最后取所测各值的最大值作为本级荷载下的最大裂缝宽度值试 验裂缝产生以后，应对每级荷载下裂缝长度、位置、形态及间距进行标注记录， 直接在构件侧面用铅笔进行标注。 b 一l 一 图2 - 7 板底混凝土应变片布置图 f i z z - 7a r r a n g e b e n to fc o n c r e t es t r a i nd i s k 5 、6 、7 、8 号混凝土应变片为与对角线垂直贴，其他均为顺对角线、中线贴， 见图2 7 。混凝土应变片地规格为4 0 5 m m 。 2 2 试验结果及分析 2 2 1 钢纤维混凝土基本力学性能 钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维的主要作用在于阻碍混凝土内部微小裂缝 的扩展和阻滞宏观裂缝的产生和发展，因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控 制的抗弯、抗剪、抗扭强度等均有明显的改善作用。依据纤维增强理论以及大量 的试验数据，钢纤维的增强效果主要取决于基体强度、钢纤维长径比、钢纤维体 积率、钢纤维与混凝土基体之间的粘结强度以及钢纤维在基体中的分布和取向等 影响因素。为冲切板提供基础数据，随板制做了钢纤维混凝土试块，研究钢纤维 高强混凝土基本力学性能。 1 4 钢纤维高强钢筋混凝士板冲切性能试验研究 2 2 1 1 、钢纤维高强混凝土的抗压性能 抗压强度是混凝土最基本的力学性能指标为使钢纤维混凝土结构设计与各 专业规范相协调，我国的钢纤维混凝土设计与施工规程规定钢纤维混凝土的 强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。 本试验所采用抗压试件为1 5 0 1 边长的标准试件，对两个系列( 配合比变化 系列、钢纤维体积率变化系列) 的抗压强度进行研究试验结果如表2 - 2 ： 袭2 - 2 立方体试件抗压强度试验结果 t a b l e2 - 2t e s tr e s u l t so fc u b i cc o m p r e s s i v es t r e n g t h 立方体试件的最大荷载( k n )抗压强度( m p a ) 编号 123 b a n l 6 3 4 8 6 6 5 45 8 7 85 9 7 b a n 21 8 5 11 8 0 68 1 3 b a n 32 4 9 92 0 2 01 0 0 4 b a n 4 木6 6 4 28 5 9 37 3 8 67 5 9 b a n 5 1 5 9 9 1 2 3 6 1 7 0 66 7 3 b a n 6 1 2 4 01 2 4 76 1 7 备注：带木为边长为l o o m 的试件，换算系数采用0 9 5 b a n l 、b a n 2 、b n y 3 为配 合比变化系列，b n 2 、b a n 4 、b a n 5 为钢纤维体积率变化系列，由o 、5 、1 0 9 6 、 1 5 组成。 图2 喝给出了不同钢纤维体积率变化对抗压强度增长比的影响。 从表2 - 2 和图2 8 可以看出，随着钢纤维体积率的增加，钢纤维对混凝土立 方体抗压强度影响里逐渐增大的趋势，增长比在1 1 1 2 5 之间变化。很显然， 钢纤维对高强混凝土抗压强度的增强有着非常明显的效果，最大增长率甚至可达 到3 0 9 6 以上。 图2 8 钢纤维体积率与抗压强度增长比的关系 f i 9 2 - 8r e l a t i o no fv o l u m er a t i oo fs t e e l f i b e ra n ds t r e n g t h g r o wr a t i o 1 5 4 2 l 8 6 4 2 o l l o 0 o o 钢纤维高强钢筋混凝土扳冲切性能试验研究 通过不同配合比的设计，b a n l 、b a n 2 、b a n 3 基体抗压强度分别达到了c 5 0 、 c 6 0 和c 8 0 符合钢纤维高强混凝土的要求。 2 2 1 2 、钢纤维高强混凝土的劈拉性能 抗拉强度是混凝土的基本力学性能之一，是确定混凝土抗裂度的重要指标， 也是闻接地衡量其他力学性能。诸如混凝土的抗剪强度、冲切强度、混凝土与钢 筋粘结强度等的指标。鉴于抗拉性能的重要性，国内外的众多专家学者对钢纤维 混凝土劈拉强度进行了大量的试验研究已有的结果表明，虽然钢纤维混凝土的 劈拉强度受水灰比、骨料最大粒径、纤维的分布和取向等各种因素影响，但当基 体的水灰比及骨料最大粒径变化范围不大时，钢纤维高强混凝土的劈拉强度主要 受钢纤维特征值五，的影响 本试验劈拉试件主要为1 5 0 m m 边长的标准试件，钢纤维体积率为1 5 ，与同强 度等级素混凝土相对比，验证钢纤维对不同强度混凝土劈拉强度比的影响。试验 结果如下表2 3 ： 表2 - 3 立方体试件抗拉强度试验结果 t a h l e2 2t e s tr e s u l t so fc u b i ct e n s i l es t r e n g t h 立方体试件的最大荷载计算强度 编号 l23 b a n l1 1 21 0 31 0 45 8 b a n 21 8 5 1 6 22 1 56 7 b a n 32 6 72 8 8 2 5 67 7 b a n 4 *1 0 8 9 71 1 16 1 b a n s 1 7 41 6 91 1 84 9 b a n 6 1 2 11 2 81 1 63 4 备注：带 为边长为l o o m 的试件，换算系数采用0 8 5 。 图2 - 9 绘出不同混凝土基体强度等级对抗拉强度增强比的影响。由表2 - 3 和 图2 - 9 可以看出，随着混凝土强度等级的提高钢纤维对混凝土抗拉强度的影响 呈逐渐增大的趋势，增长率在1 5 3 5 之间。很显然，基体强度等级对钢纤维高 强混凝土抗拉强度的影响有着非常明显的效果，其最大的增长率可以达到3 0 以 上。 由表2 - 3 和图2 一l o 可以看出。随着纤维体积率的增加，劈拉强度有增大的趋 势，增长率在2 0 - 4 0 之间很显然，钢纤维体积率对劈拉强度有很大的影响。 2 2 2 冲切破坏过程 钢纤维混凝土板在受拉板面对应于板中心位置首先出现裂缝。在其他条 件相同的情况下，随着混凝土基体强度等级的提高，开裂承载力增大随着荷载 1 6 钢纤维高强钢筋混凝士板冲切性能试验研究 的增加，板裂缝沿加载垫板边缘裂开，并且形成环形裂缝。此后，裂缝数量急剧 1 4 1 2 l 0 8 o 6 o 4 o 2 o b a n iban2队n3 图2 - 9 不同配合比设计变化时劈拉强度增强比 f i 9 2 - 9r e l a t i o no fd i f f e r e n tm i xd e s i g na n