銹蝕鋼筋鋼纖維混凝土簡支梁受剪承載力的試驗

曾志興,胡智偉

(華僑大學土木工程學院,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

曾志興,胡智偉

(華僑大學土木工程學院,福建泉州362021)

在箍筋銹蝕情況下,計算6根鋼筋鋼纖維混凝土梁斜截面的承載力,探討箍筋銹蝕對鋼筋鋼纖維混凝土梁受剪承載力的影響.通過實驗分析,建立相應的斜截面承載力的計算公式.研究結果表明,鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面破壞形態是由剪跨比決定的,銹蝕程度只影響承載力的大小,并不改變破壞形態;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,混凝土構件的承載力計算是混凝土結構耐久性評估,以及其剩余壽命預測的關鍵問題[1-2].近年來,國內外對鋼筋銹蝕的混凝土受彎構件的研究集中在其正截面抗彎,對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域的廣泛應用,鋼纖維混凝土構件的耐久性研究顯得更為迫切.由于箍筋的直徑和保護層厚度都較小,箍筋對銹蝕更為敏感,更容易導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,并建立相應的計算公式.

1 試驗部分

1.1 試件的制作

制作6根鋼筋鋼纖維混凝土梁[3],包括2根為未銹蝕的對比梁、4根為箍筋銹蝕的梁.為了保證構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,試件制作時預留同條件養護的立方體混凝土試塊.當采用的鋼纖維體積率ρf為0.5%,1.0%時,試塊的混凝土強度實測值分別為26.0,30.2 M Pa.圖1為試驗梁配筋圖.

1.2 快速銹蝕及加載

采用外加直流電對鋼筋進行電化學銹蝕.將試件浸泡在質量分數為3%～5%的NaCl溶液中,把連接鋼筋的細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.根據文[4]的控制通電時間,可以達到預期的銹蝕效果.

由于實驗僅進行箍筋銹蝕,故需要對箍筋與縱筋進行絕緣處理.即在箍筋與縱筋接觸部位用環氧樹脂與紗布包裹斷開,通電導線是在箍筋上部焊接一根直徑較小的細鋼筋.加載裝置如圖2所示.

1.3 銹蝕率的計算

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

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

2 結果及分析

圖2 加載裝置Fig.2 Loading setup

2.1 銹蝕構件破壞特征

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,此時的縱筋和箍筋的應力都比較小;二從鋼筋的應變曲線看,鋼筋的應變也是線性增長.當荷載加載到一定程度,試件在純彎段內或集中力附近的位置出現第1條垂直裂縫.隨著荷載的繼續增大,垂直裂縫寬度變大,在兩端的剪跨段也陸續出現斜裂縫,并不斷向梁頂部和集中力作用點方向發展.同時,在垂直裂縫處梁的底面混凝土開裂,并伴有輕微的響聲.

從鋼筋的應變曲線上還可看到,鋼筋應力較底面為開裂前明顯增大;繼續加載,裂縫增多、變寬、高度增大,撓度進一步發展且增長穩定.荷載進一步加大,當鋼筋應變增大到一定階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-撓度曲線出現明顯的轉折點.隨后,隨著剪跨段斜裂縫的增多變寬,發生斜截面破壞.

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,影響構件的延性,箍筋銹蝕對受彎構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,未銹蝕構件的裂縫開展速度與裂縫寬度都比銹蝕構件的裂縫開展速度與裂縫寬度要小,說明鋼筋銹蝕影響構件的剛度和承載能力.裂縫的發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 試驗梁抗剪承載力分析

構件的破壞形態均為剪切破壞,其極限荷載(Pu)及開裂荷載(Pcr),如表1所示.由表1可見,箍筋銹蝕構件的極限荷載均比未銹蝕構件的極限荷載小,且極限荷載的降低程度隨銹蝕率的增大而增大.相對于鋼纖維體積率為0.5%的構件,鋼纖維體積率為1.0%的構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量增多,在一定程度承擔了一部分本來鋼筋應該承擔的應力,使鋼筋銹蝕率對構件承載力的影響有所降低.隨著鋼纖維體積率的增加,各構件的極限承載力也都有不同程度的提高.

表1 構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算[5-6]

在國內外的大量研究中,提出了兩種抗剪強度計算的回歸公式.其一是將鋼纖維混凝土看作是一種復合材料,以鋼纖維混凝土的抗拉強度作為指標進行計算;另一種是將鋼纖維作為混凝土的一種配筋,按迭加原理建立計算公式,即在普通鋼筋混凝土無腹筋梁抗剪承載力的基礎上,疊加鋼纖維的抗剪作用.規范CECS 38:1992《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》[7]就是以第2種回歸方式,建立鋼纖維混凝土受彎構件的抗剪承載力的計算公式.即

上式中:Vfc為鋼筋鋼纖維混凝土無腹筋構件斜截面抗剪承載能力的設計值;λ為剪跨比,當λ<1.4時,取λ=1.4;當λ>3.0時,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制可知,上述3個部分的剪力應該具有某種相關關系,應在大量的試驗數據的基礎上回歸公式.但目前還不具備這個條件.為了與現行規范相銜接,在假定鋼纖維與腹筋不存在組合效應的前提下,根據無腹筋梁的抗剪承載力的計算公式,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算公式.即

3.2 僅箍筋銹蝕梁的斜截面承載力

通過實驗中對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據的歸納回歸,得出箍筋銹蝕率對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件斜截面承載力的計算公式為

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

為了與現行國家標準GB 50010-2002《混凝土結構設計規范》[8]相對應,引入計算公式為

式(5)中:鋼纖維對斜截面混凝土抗剪承載力的影響系數βv可通過試驗確定.當鋼纖維混凝土強度在CF20～CF40之間時,可取βv=0.9.

4 結論

研究僅箍筋銹蝕的鋼筋鋼纖維混凝土梁的斜截面承載力,通過分析并結合國內外的研究成果,建立表達形式與現行規范相適應的,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算公式.

由于未考慮鋼纖維的銹蝕對構件斜截面承載力的影響,建議對鋼纖維銹蝕的影響進行研究,歸納出更準確的鋼筋銹蝕對梁斜截面承載力的影響系數.

鋼纖維可以阻裂及分擔一定的拉應力[9],需要研究鋼纖維體積率與鋼筋的等代關系.因此,有必要取多個銹蝕率進行研究,提出剪力更為準確的回歸公式.

[1] 金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社,2002.

[2] 牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京:科學技術出版社,2003.

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

[4] 仲偉秋,貢金鑫.鋼筋電化學快速銹蝕試驗控制方法[J].建筑技術開發,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].建筑結構學報,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].工業建筑,2006,36(S1):910-912

[7] 中國工程建設標準化協會標準.CECS 38:1992鋼纖維混凝土結構設計與施工規程[S].北京:中國計劃出版社, 1993.

[8] 中華人民共和國建設部.GB 50010-2002混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,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[J].華僑大學學報:自然科學版,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,主要從事混凝土結構耐久性的研究.E-mail:zhixing@hqu.edu.cn.

福建省自然科學基金計劃資助項目(E0740009);福建省閩港人才合作項目(24020701);福建省高等學校新世紀優秀人才支持計劃項目(07FJRC05);福建省廈門市科技計劃項目(3502Z20083038)