纤维混杂增强高性能混凝土深梁的受弯性能试验研究

纤维混杂增强高性能混凝土深梁的受弯性能试验研究

纤维增强高性能混凝土深梁的设计主要应用于高层建筑的结构形式，如改变梁、板基础、框架侧壁等。新颁布的《纤维混凝土结构技术规程》（cecs38:2004）对提高钢筋混凝土水平梁的正截面的抗弯弯曲矩的计算公式进行了修订，并增加了有关成功制备纤维混凝土的内容。然而，增强纤维混凝土和混合纤维混凝土的相关内容仍然是空白。在这项工作中，我们研究了不同体积的钢纤维和丙烯纤维的混合，以提高高性能混凝土的主截面弯曲性能，为进一步完善纤维混凝土结构技术法规（cecs:38:2004）提供了参考依据，这对促进混合纤维混凝土的应用和发展具有重要意义。1测试设计1.1配置性能测试材料根据文献关于高性能混凝土配合比的要求,选择配置强度等级C45的高性能混凝土(HPC)的材料,纤维增强HPC的材料选用、配合比设计以及现场配置、材料力学性能测试等内容见文献.1.2试验梁的构造本次试验共设计14根深梁,包括1根HPC深梁(编号C-1)、3根钢纤维增强HPC深梁(编号SF系列)、9根混杂纤维增强HPC适筋深梁(编号SPF系列)和1根混杂纤维增强HPC无筋深梁(编号C-2).所有深梁截面尺寸均为180mm×600mm,跨度1240mm,支座中心离深梁外边缘120mm.13根适筋深梁均为在梁底受拉区配置纵向受力钢筋(配筋率为0.327%或0.469%),仅在纯剪区配置水平和竖向分布筋Φ8@100,以保证深梁具有足够的抗剪能力.主要变化参数为纵筋配筋率、混杂纤维体积掺量等,试验梁的构造见表1,纵向钢筋的锚固要求均按GB50010-2002中的有关要求制作.2测试方法2.1混凝土纵向应变在深梁的纯弯段内,在跨中截面沿梁高共布置9个测点,量测纤维混凝土的纵向应变,掌握纵向应变沿截面高度的分布规律和混凝土受压破坏时的极限压应变;在纵向受拉钢筋上预埋应变片,测钢筋的拉应变.在深梁跨中底部及支座处布置位移计以观察深梁的跨中挠度.2.2根深梁和fps系列9根深梁的加载C-1和C-2深梁在600kN的电液伺服加载系统上进行试验,其他SF系列的3根深梁及SPF系列9根深梁是在5000kN压力试验机上进行试验,均采用三分点(两点集中)加载,以分配梁重为初始荷载,以后采用逐级(10kN为1级)加载方法,直至正截面发生破坏.2.3深梁开裂带极限荷载试验采用DH3815N静态应变测试系统采集数据,试验过程中观察记录梁上裂缝的出现、扩展以及分布等情况,记录开裂荷载和极限荷载,试验中控制深梁受弯承载力极限状态的标志为:a.跨中裂缝延伸到h/2以上,且构件的跨中挠度达到跨度的1/500;b.纵向受力钢筋达到屈服强度;c.支座处突然出现劈裂裂缝,并迅速延伸到集中荷载作用点处,纤维被拔出或被拉断;d.深梁支座附近混凝土被压碎或分配梁下支座处的混凝土被压碎.3试验结果和分析3.1混杂纤维增强高性能混凝土适筋深梁的一般设计无筋钢纤维/聚丙烯纤维混杂增强高性能混凝土深梁正截面受弯破坏为脆性断裂破坏,从断裂面上可见钢纤维被拔,如图1所示.配筋混杂纤维混凝土深梁的极限荷载随其配筋率的提高而明显增大,这说明,适当提高配筋率可改善混杂纤维混凝土深梁的延伸性,对抗震更有利.混杂纤维增强高性能混凝土适筋深梁正截面受弯过程分为4个阶段:弹性阶段、带裂缝工作阶段、混杂纤维强化阶段和破坏阶段.弹性阶段钢筋和混凝土的应力-应变关系接近弹性变化,开裂荷载最大提高40%左右;初裂以后,由于混杂纤维承担了部分拉力,因此深梁的屈服荷载比普通高性能混凝土深梁的提高50%～100%;纵向受拉钢筋屈服后,混杂纤维的增强作用继续发挥,深梁的极限荷载比普通高性能混凝土深梁的极限荷载可提高1～2倍,混杂纤维增强高性能混凝土深梁具有很好的韧性;深梁破坏始于支座截面斜裂缝的迅速延伸与开展,结束于支座截面斜裂缝处的钢纤维拔出,聚丙烯纤维被拉断,多发生斜截面弯曲破坏,如图2所示,有时发生劈裂破坏或斜压破坏,有时在集中荷载作用点附近,或支座附近的混凝土还同时发生局部受压破坏.破坏时受压区混凝土没有出现压碎破坏情况.3.2混杂纤维增强高性能混凝土的最压应变混杂纤维增强高性能混凝土深梁的跨中截面应变不符合平截面假定,弹性阶段时的截面应变呈现曲线分布,初裂以后,截面应力重分布现象非常明显,出现双中和轴或多中和轴现象.由于混杂纤维承担拉力的作用(最大拉应变超过6000με～8000με),纵向受拉钢筋应变在钢筋屈服以后增加得非常缓慢,当深梁达到正截面承载能力极限状态时,钢筋应变比其屈服应变增加30%左右.混杂纤维增强高性能混凝土的最大压应变超过4000με.3.3极限弯矩试验测得的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载(单个集中力)如表2所示.表2中各项荷载乘以内力臂(均为0.325m)即可转化为相应的弯矩,可以看出:a.SF-3深梁的开裂弯矩比C-1的提高了80%.深梁SPF-3-1的开裂弯矩比深梁C-1的提高了43%;b.SF-3深梁的屈服弯矩比C-1的屈服弯矩提高了125%.深梁SPF-2-3的屈服弯矩比C-1的提高了150%;c.深梁SF-2的极限弯矩比C-1的提高了128%.深梁SPF-2-1的极限弯矩比C-1的提高了170%.深梁SPF-3-3的极限弯矩比C-1的提高了150%以上.深梁SPF-2-3的极限弯矩比C-1的提高了215%.钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强高性能混凝土深梁受弯性能试验研究结果表明:钢纤维和聚丙烯纤维混杂后对高性能混凝土具有明显的阻裂、增强和增韧作用,实际工程中对于一般要求不出现裂缝的构件或抗震设防要求为7度以上的深梁构件,可适量掺加钢纤维和聚丙烯