高鈦型高爐重渣梁抗剪性能研究

馮士千，李小偉，鄭 權，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學院， 四川攀枝花 617000)

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高鈦型高爐重渣梁抗剪性能研究

馮士千，李小偉，鄭 權，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學院， 四川攀枝花 617000)

為研究高鈦型高爐重渣梁的抗剪性能以及斜裂紋的萌生、生長和發展規律。制作了6根高鈦型高爐重渣混凝土梁，其中，用半礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件，用全礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細骨料及高鈦型高爐渣粗骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件。通過靜力加載試驗和分析表明：配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力；高鈦型高爐渣梁的正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關系不大；半礦渣梁的各項抗剪能力指標均優于全礦渣梁。

高鈦型高爐重渣； 混凝土梁； 抗剪性能

混凝土梁是建筑結構體的重要承重結構，隨著高鈦型高爐渣材料研究的不斷進展，高爐渣混凝土試塊、配合比設計、施工工藝等研究工作已取得較多成果[1-11]。但是這些成果主要是材料學科的研究者的研究結果，由于學科的限制，這些成果與土木工程學科混凝土領域所需的材料性能參數聯系不是很緊密，致使混凝土主要應用領域的土木工程研究人員在應用高鈦型高爐渣混凝土時缺乏依據，只能用現行規范中普通混凝土的參數進行設計。

目前，高鈦型高爐渣混凝土在攀枝花的市場份額基本占到一半[12]，這些大量建造的結構物的設計依據是根據普通混凝土結構設計規范設計的。所以，目前用高鈦型高爐渣混凝土建造的結構物可靠度是未知的。

共設計了6根高鈦型高爐渣混凝土梁，然后通過試驗及試驗橫、縱向對比得出了各梁的骨架曲線，全、半礦渣梁抗剪能力強弱等結論。

1 梁抗剪性能試驗概況

1.1 試件設計及制作

高鈦型高爐重渣梁尺寸為2 500 mm×200 mm×400 mm。試驗制作的半礦渣梁混凝土梁，試件編號為1號、2號、3號；試驗制作的全礦渣梁混凝土梁，試件編號為4號、5號、6號。各梁的配筋形式如圖1所示。

(a)1、4號梁 (b)2、5號梁 (c)3、6號梁圖1 高鈦型高爐重渣梁配筋(單位:mm)

1.2 試驗測點的布置

1.2.1 位移計布置

梁的滾軸鉸布置在離梁端470 mm處，梁下部跨中布置2號位移計以測量跨中位移，梁上部支座部位布置1號、3號位移計以測量支座沉降，剪跨區布置4號、5號位移計測量剪應變(圖2)。

圖2 位移計布置(單位:mm)

1.2.2 混凝土梁上測點布置

梁混凝土表面應變花、應變片布置如圖3所示。

圖3 剪跨區應變花(右)、應變片(左)布置(單位:mm)

1.2.3 鋼筋上測點布置

(1)為了測量主筋的應變梯度，梁底部一排鋼筋中，中間一根鋼筋設置應變片，其布置如圖4所示。

(2)為了測量剪跨區箍筋的應變情況，為更加方便的捕捉到箍筋上應變敏感部位和方便鋼筋籠骨架的綁扎，在剪跨區的每個箍筋上布置3個應變片(圖5)。

圖4 主筋應變片布置(單位:mm)

圖5 箍筋表面應變片布置

1.3 試驗裝置

豎向加載設備采用shore-west公司生產的電液伺服加載系統加載。試驗的應變和位移數據采集由數據采集系統自動采集，本試驗所使用的數據采集系統產于日本，型號為TDS-602。荷載與內位移由shore-west公司生產的電液伺服加載系統采集。

2 試驗過程

2.1 試件試驗過程

試驗開始前，首先檢查應變片、應變花及其測試設備是否異常，通過梁頂的豎向千斤頂以0.1倍的預加豎向荷載加卸載一次，來消除試驗裝置的初始缺陷。此后，根據計算的梁的承載力，將試驗的荷載分為10級，按承載力的0.1、0.2、

0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1倍進行豎向加載，每級荷載持荷10 min，直至梁破壞。

2.2 試件失效形式

在剪跨范圍內，梁下部剪拉區存在斜向主拉應力，當達到混凝土極限拉應變值時，產生斜裂紋。隨著荷載的增大，將發生沿斜裂紋的斜截面強度破壞。當梁在剪跨內沿斜截面發生破壞時，由于配箍率、剪跨比等因素不同將會出現剪壓破壞、斜拉破壞和斜壓破壞。

本次試驗的梁最終破壞形式皆為斜截面受剪破壞，最終破壞形態如圖6所示，其斜裂紋破壞狀態皆為腹剪斜裂紋。試件試驗過程中裂紋發展主要階段見表1。

圖6 礦渣混凝土梁破壞形態

特征點1號梁特征點位移/mm力/kN2號梁特征點位移/mm力/kN3號梁特征點位移/mm力/kN4號梁特征點位移/mm力/kN5號梁特征點位移/mm力/kN6號梁特征點位移/mm力/kN跨中正截面裂紋初裂0.5978.910.98117.910.7790.910.8371.910.4553.910.2739.91斜裂紋初裂2.39281.812.39287.812.36275.812.4169.811.74212.811.53198.81梁抗剪破壞條件4.69550.813.73427.813.76403.814.71542.814.11436.812.51290.81最大抗剪能力7.25792.817.33700.817.26585.818.72759.818.06636.816.17516.81

3 輔助試驗

3.1 混凝土強度試驗

半礦渣混凝土標準試塊與全礦混凝土標準試塊配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細骨料、外加劑等用量完全一樣，兩組試塊及梁試件同條件養護。混凝土標準試件壓力極限值由試驗測得，強度計算見表2、表3。可見，半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度(混凝土立方體抗壓標準值=混凝土強度總體分布的平均值-1.645倍標準差)。

表2 半礦渣混凝土強度

4 試驗結果及分析

4.1 試件的受力計算

單位長度梁的自重25×0.2×0.4=2 kN/m，將均布的梁自重等效為跨中集中合力加上作動器初始配重，梁的跨中

表3 全礦渣混凝土強度

初始等效荷載為3.81 kN。表1中試驗記錄荷載均已加上梁自重等效荷載及作動器初始配重荷載。

4.2 礦渣梁的受力分析

4.2.1 礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗的試驗現象特征點，可得半礦渣1號、2號、3號梁的骨架曲線如圖7所示。可見，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關系不大。

圖7 半礦渣梁骨架曲線

4.2.2 全礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗的試驗現象特征點，可得全礦渣4號、5號、6號梁的骨架曲線如圖8所示。可見，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關系不大。

圖8 全礦渣梁骨架曲線

4.2.3 礦渣梁最大抗剪能力對比

半礦渣1號梁與全礦渣4號梁的配筋完全一致，混凝土配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細骨料、外加劑等用量完全一樣，由表1礦渣梁試驗的試驗現象特征點可得，1號半礦渣梁的最大抗剪能力為792.81kN，4號全礦梁的最大抗剪能力為759.81kN。盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度，但1號半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優于4號全礦渣梁。

2號、5號梁及3號、6號梁同理，盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度，但半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優于相對應的全礦渣梁。

5 結論

通過試驗可以得出如下結論：

(1)梁截面尺寸、混凝土強度等已定條件下，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，但正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關系不大。

(2)半礦渣混凝土試塊與全礦渣試塊的配合比中，水泥、高鈦型重礦渣砂、外加劑的使用量完全一樣，半礦渣混凝土的粗骨料使用的是攀枝花產的碎石，全礦渣混凝土的粗骨料使用的是高鈦型重礦渣粗骨料。通過試塊抗壓強度測試可知，全礦渣混凝土試塊的抗壓強度略高于半礦渣混凝土試塊。

(3)半礦渣梁的抗剪能力各項指標均優于全礦渣梁。

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馮士千(1991～)，男，本科。

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[定稿日期]2016-05-23