活性粉末混凝土受弯构件正截面承载力的研究

活性粉末混凝土受弯构件正截面承载力的研究

作为一种新型混凝土，活性粉末混凝土（rcc）具有优异的耐寒性、高耐寒性、抗高血压性、抗弯性和抗弯性。然而，关于rc的研究大多是材料性能的研究，很少有研究rc用于全球重建结构的例子。除了经济因素外，主要是对rc结构和力学行为的理解。在分析普通混凝土结构时，混凝土的抗拉能力被忽视。混凝土似乎不能容忍拉张，尤其是当拉张区出现裂缝时，混凝土被认为无法承担拉张的负荷。为了更深入地理解rcc梁的弯曲性能，以便将rpc应用于受弯部分，作者对rcc梁进行了无框架支架和无框架支架的试验研究。1试验设计1.1砂细砂和钢纤维的制备按照文献配置试验用RPC:水泥采用北京兴发水泥有限公司生产的拉法基42.5#普通硅酸盐水泥;细骨料采用粒径范围0～1.25mm的细砂;硅粉采用遵义铁合金厂生产的粒径2μs以下、平均粒径0.31μs左右的细粉;钢纤维直径0.22mm,长度12～15mm;另外加入粉煤灰,高效减水剂等.该批RPC的28d抗压强度为162MPa,单轴抗拉强度为5.1MPa,受压弹性模量为4.65×104MPa.采用两种直径的钢筋,其弹性模量为1.87×105MPa,其参数见表1.1.2试验加载和测量放针对不同的截面形式、配筋情况和剪跨比,共对7个梁试件进行了试验,试件参量及编号见表2.图1为RPC试验梁的配筋、构造、尺寸及受力情况.实行对称集中的三分点加载,对于不同的梁考虑不同剪跨比.在梁跨中采用电位移计读取梁挠度.为观察RPC梁受荷后能否满足平截面假定,在跨中截面沿梁高等间距布置5个电阻应变片观察截面应变发展.为获得混凝土受拉区边缘应变,在梁底纯弯段沿梁长方向贴5个电阻应变片测量受拉边缘应变.试验加载设备采用中国人民解放军5701厂生产的液压稳压器,数据采集采用日本三荣公司生产的DATALOGGER7V13数据采集器.测量所采用的电阻应变片为5mm×30mm和5mm×50mm的纸基电阻应变片,电阻值为119.5±0.2Ω.1.3裂缝加载方案加载由油压千斤顶在反力架上实施,竖向油压千斤顶安置在工字钢梁上面,通过工字钢梁实现三分点加载,以形成纯弯段,应变及位移均通过数据采集仪获得.用10倍刻度放大镜观测裂缝.加载方案原则上分为两种:裂缝出现前,每5kN为一级荷载;裂缝出现后,每2kN为一级荷载.由于第一条出现的微裂缝难以肉眼观察,故采取如下针对措施:对于无配筋梁,首先按每5kN一级加载,当加载至15kN时,改为按每2kN一级加载;而对于配筋梁,则首先按每5kN一级加载,当加载至20kN时,改为按每2kN一级加载.每级加载持续5min,待压力传感器示数仪器上的读数稳定后,再进行下一级加载.2试验结果的分析2.1受拉主裂缝过程图2(a)是典型的无配筋RPC梁的荷载_挠度全曲线.可以看出,RPC弯曲全过程可以分为3个阶段:线性段、非线性变形阶段和峰值后的软化段.钢纤维的作用使得RPC的非线性及峰值后软化特性得到非常显著的改善.开始加载时,应力较小,应变稳定增加,梁处于弹性阶段.对于矩形梁,加载至15kN左右时(T形梁为25kN),梁跨中部位开始出现裂缝,初裂荷载为极限荷载的70%～80%左右.在最大荷载之后,RPC开始出现软化,随着变形的继续增大,主裂缝不断扩展,受压区高度逐渐变小.受拉主裂缝大致可以分为3个区域:①裂缝区,RPC基体开裂,钢纤维拔出,裂缝面已不能承受应力,形成自由界面;②纤维咬合区,RPC基体开裂,但钢纤维仍咬合在基体中,仍可依靠钢纤维与基体的粘结咬合作用传递部分拉应力;③裂尖损伤区,位于裂缝尖端,无明显裂缝,但RPC已受到损伤,出现多条分布的微细裂缝,随着变形的增大,裂缝向此区扩展,因而此区也可称为裂缝过程区.普通混凝土受弯时一旦主裂缝出现,裂缝就迅速扩展,导致脆性断裂,而RPC在主裂缝形成以后,裂缝的扩展速率较慢,受拉区开裂后,RPC梁仍有少许承载力;随着荷载的继续增加,RPC中的钢纤维不断被拔出(没有发现拉断的情况),最后梁发生破坏.由试验结果分析可知,RPC中的钢纤维可以承担10%～30%的外弯矩.2.2c梁正截面应力、应变和挠度变化为了能够合理地设计RPC配筋梁,必须对RPC配筋梁的强度、变形、破坏形态以及配筋率等对RPC梁力学性能的影响有较清楚的认识.图2(b)给出了配筋试验梁的典型荷载_挠度曲线.可以看出,在开裂之前,曲线基本上保持直线,在梁中垂直主裂缝出现后,曲线上出现折点,随着梁曲率的增大,钢筋应力提高,最后屈服,梁的荷载_挠度曲线出现屈服台阶,变形迅速增大,而荷载变化很小,此时可认为梁已达到破坏极限.以梁J_2为例说明配筋RPC梁的加载破坏全过程,从加载到破坏,RPC梁的正截面应力、应变和挠度不断变化,整个过程可以分为3个阶段:弹性阶段、裂缝扩展阶段和破坏阶段.弹性阶段:梁在刚开始承受荷载时,加载前RPC中已有的微裂缝十分稳定,几乎没有发展的倾向,在拉应力极度集中的微小局部区域引发的一些裂缝,此时也基本稳定,截面上RPC和钢筋的应力都不大,梁的荷载_挠度曲线接近线性.当荷载逐渐增加到弹性阶段末尾时,受拉边缘的RPC基体达到其极限拉应变,受拉区呈现出较大的塑性变形.在受压区,由于压应力远小于其抗压强度,此处RPC的性质还是弹性的.裂缝扩展阶段:当荷载逐渐增加到30kN时,梁内部发出轻微的“咔咔”声,荷载加至35kN时,梁开始出现第一条宏观可见裂缝.与普通钢筋混凝土梁不同的是,RPC梁初裂缝的出现较晚,普通钢筋混凝土梁在加载至极限荷载的10%左右即出现初裂缝,而配筋RPC梁的初裂荷载为极限荷载的30%左右.此阶段中,梁的整体刚度基本上不降低,荷载_挠度曲线保持直线.初裂后,随着荷载的继续增加,中性轴随之上移,钢纤维的阻裂作用使裂缝缓慢向上发展,受拉区的应力主要由钢纤维和钢筋共同承担.与此同时,受压区高度缓慢减小,压应力有所增加,RPC的压缩塑性变形进一步发展,压应力呈平缓曲线形分布.当荷载增加至45kN时,第二条宏观可见裂缝出现在梁的另一侧.随着荷载的继续增加,在第一条裂缝的两侧均匀对称地出现第三、第四条细微裂缝.破坏阶段:极限荷载以后,随着裂缝的不断发展,中性轴上升,受压区高度减小,梁的挠度增大,受拉区钢纤维逐渐拔出.最后,钢筋屈服,梁的挠度迅速增大,而荷载变化很小,此时认为RPC配筋梁已被破坏.3t型截面钢筋rpc梁受弯构件承载力分析试验研究和理论分析均表明,在RPC梁中,钢纤维的作用使梁的初裂强度和极限强度都得到了较大的提高.由图3可知,沿腹板高度,RPC梁的平均应变具有良好的线性关系,所以平截面假定成立.按RPC梁截面上的应力曲线图简化为等效矩形应力图的实用计算方法,将RPC梁的正截面强度计算图简化,如图4所示.这里对T型梁进行分析,若梁为矩形梁,则取梁翼板宽度b′=梁肋宽度b.RPC梁与普通混凝土梁在受力特性上有所不同,所以在正截面承载力计算时的基本假定也有所差别.对于RPC梁计算正截面承载力时需要考虑RPC受拉区的抗拉强度,故根据现有材料试验的结果,并结合考虑本文的试验情况,可将RPC受拉区的应力分布近似等效为沿受拉区强度为ft=5MPa的矩形图.按照图4,若中性轴在上翼缘内,由截面静力平衡条件,可求得受压区高度x,即fcb′x=fyAs+ftbxt(1)fcb′x=fyAs+ftbxt(1)再根据受拉钢筋处的力矩平衡,可给出T型截面钢筋RPC梁受弯构件的承载力计算公式Mu=fcb′x(h0−x/2)−ftbxt(xt/2−a)(2)Μu=fcb′x(h0-x/2)-ftbxt(xt/2-a)(2)式中,Mu为钢筋RPC构件正截面受弯承载力设计值,kN·m;fc为RPC轴心抗压强度设计值,MPa;fy为纵向钢筋受拉强度设计值,MPa;As为纵向受拉钢筋有效截面积,mm2;h0为截面有效高度,mm;a为钢筋合力点到受拉边缘距离,mm;xt为受拉区高度,mm.若中性轴在梁肋内,即受压区高度大于翼缘厚度时,由静力平衡条件,可得fc[(b′−b)h′+bx]=fyAs+ftbx(3)fc[(b′-b)h′+bx]=fyAs+ftbx(3)由弯矩平衡条件,可得Mu=fc(b′−b)h′(h0−h′/2)+fcbx(h0−x/2)−ftbxt(xt/2−a)(4)Μu=fc(b′-b)h′(h0-h′/2)+fcbx(h0-x/2)-ftbxt(xt/2-a)(4)式中,h′为翼板厚度.由式(3)和式(4)可求出Mu.4m0u/pu的对照对3根配筋梁进行验证,根据理论计算得出的Mu与试验结果得到的M0u进行对照,见表3.其比值M0u/Mu的平均值为1.077,标准差为0.03928,变异系数为0.03647,可见理论值与试验值相吻合.5rpc梁承载力(1)与普通混