剪跨比對受火后RC梁抗剪和變形性能影響研究★

彭小麗，郭永圣，劉 翔

(江西應用職業技術學院建筑工程學院，江西 贛州 341000)

1 概述

鋼筋混凝土構件遭受火災高溫后，會導致其承載能力和延性的降低，從而影響建筑結構的正常使用和安全性能[1-3]。依據《鋼筋混凝土結構設計規范》[4]，鋼筋混凝土梁構件的破壞形式應設計為延性較好的彎曲破壞，而避免出現脆性剪切破壞。但是當混凝土梁遭受火災高溫后，由于鋼筋強度可恢復性能較好而混凝土易出現不可恢復的破壞[5-6]，導致按照彎曲破壞形式設計的梁可能會出現剪切破壞，給結構帶來安全隱患。由于剪跨比是控制鋼筋混凝土梁破壞形式的關鍵參數[7-8]，研究剪跨比對受火后鋼筋混凝土梁抗剪承載力和變形性能影響，可為火災后評估鋼筋混凝土梁構件提供一定的參考。

本文進行了兩個未受火和兩個受火鋼筋混凝土梁的抗剪性能靜載試驗，重點分析研究了剪跨比對鋼筋混凝土梁抗剪和變形性能的影響。

2 試驗方案和設計

設計并制作了4個鋼筋混凝土試件，兩個常溫混凝土梁L1和L2為對比試件，兩個經ISO834標準升溫曲線作用1 h的受火梁L3和L4。試驗考慮了兩個剪跨比，L1和L3的剪跨比為2.1，L2和L4的剪跨比為2.7。4個鋼筋混凝土梁試件的尺寸、配筋率均一致。梁長度為2.4 m，凈跨為1.8 m、截面為200 mm×300 mm。混凝土采用C30，保護層厚度為25 mm。為了使試件的破壞形式為剪切破壞，箍筋按構造要求配置，采用6.5 mm直徑箍筋，間距為200 mm，配箍筋率為0.165%。配置雙層鋼筋縱筋，受拉區為425，受壓區為225，受拉區縱筋配筋率為3.27%。試件的具體參數如表1所示，尺寸和配筋構造如圖1所示。

表1 試件的主要參數

3 受火試驗和靜力加載

3.1 受火試驗

對梁L3和L4先進行受火試驗，試驗采用的ISO834標準升溫曲線和爐內的實測溫度如圖2所示。受火試驗過程中，根據試件表面水的狀態可以分為四個階段：試件表面水開始溢出、試件表面覆蓋水、覆蓋水沸騰和覆蓋水蒸發完畢。試驗過程中試件出現溢水現象如圖3所示。受火試驗后，可以觀察到試件出現不規則裂縫，且有崩角現象，梁表面呈淺灰黃色。試件破壞情況如圖4所示。

3.2 靜力加載

試驗的加載裝置如圖5所示，試驗采用液壓伺服作動器加載，通過一個分配梁來實現試件的兩點加載。試驗的加載制度如下：首先，進行預加載，以2 kN/s的速度加載，直至10 kN來檢查試驗儀器是否正常；而后進行正式加載，先按照10 kN進行加載，當鋼筋應變達到屈服后改成位移控制加載，每級位移幅值為3 mm。最后加載至試件極限荷載的80%后停止加載試驗結束。

4 試驗分析

4.1 試驗過程與破壞現象

4.1.1 剪跨比λ為2.1的未受火試件L1梁

試驗加載至30 kN時，梁的純彎段出現第一條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當加載至40 kN時在剪跨區出現第一條斜裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當加載到115 kN時，彎曲裂縫和斜裂縫均繼續發展，其中最大彎曲裂縫寬度約束0.1 mm，最大斜裂縫寬度為0.28 mm，形成主斜。加載到225 kN時，主斜裂縫寬度約為1.5 mm，達到規程規定的剪切破壞標準。當加載至238 kN時達到極限荷載，箍筋出現屈服，縱筋未屈服，主斜裂縫寬度達到3 mm。最終加載到188 kN，此時已低于極限荷載80%，最大跨中撓度為16.78 mm，試驗結束。L1梁的裂縫開展如圖6所示，圖6中的數值為加載的荷載，單位kN。

4.1.2 剪跨比λ為2.7的未受火試件L2梁

試驗加載至25 kN時，在純彎端出現條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當加載至35 kN時，在彎剪段出現第1條剪切裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。斜裂縫出現后，箍筋應變迅速增加。當加載到120 kN時，最大彎曲裂縫寬度約為0.16 mm，最大斜裂縫為0.6 mm，形成主斜裂縫。加載到185 kN時，主斜裂縫寬度約為1.5 mm。加載至201 kN時達到極限荷載，主斜裂縫寬度約為7 mm。繼續加載至極限荷載的80%，最大跨中撓度為21.13 mm，試驗結束。試驗過程中箍筋發生屈服，縱筋未發生屈服。L2梁的裂縫開展如圖7所示。

4.1.3 剪跨比λ為2.1的受火試件L3梁

試驗加載至15 kN時，純彎端出現第1條彎曲裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當加載至20 kN時，彎剪段出現第1條斜裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm。當加載至120 kN時，出現主斜裂縫，裂縫寬度為0.3 mm，此時箍筋屈服，最大彎曲裂縫寬度為0.1 mm。加載到180 kN時，主斜裂縫寬度約為1.5 mm。當加載至215 kN時達到極限荷載，最大斜裂縫寬度為2.5 mm。繼續加載至極限荷載的80%，最大跨中撓度19.48 mm，試驗結束。試驗過程中縱筋未發生屈服。L3梁的裂縫開展如圖8所示。

4.1.4 剪跨比λ為2.7的受火試件L4梁

試驗加載至20 kN時，純彎端出現第一條彎曲裂縫，裂縫寬度為0.02 mm。加載至25 kN時，彎剪段出現第一條斜裂縫，裂縫寬度為0.02 mm。當加載至110 kN時，出現主斜裂縫，裂縫寬度0.6 mm，此時箍筋出現屈服。當加載至146 kN時，斜裂縫寬度達到1.5 mm。加載至182 kN時，達到極限荷載，主斜裂縫寬度約為5 mm，彎曲裂縫寬度約為0.24 mm。加載至試驗結束，最大跨中撓度為22.64 mm。L4梁的裂縫開展如圖9所示。

4.2 剪跨比對梁抗剪承載力的影響分析

各試件在不同狀態下的剪力對比如表2所示。由表2可知：

1)對比出現1.5 mm斜裂縫時梁的剪力Vut，隨著剪跨比的增加，Vut減小。其中未受火梁L2比L1的Vut減小了18%，受火梁L3比L4減小了19%。

2)對比梁的極限抗剪承載力Vu，同Vut類似，隨著剪跨比的增加，Vu減小。其中未受火梁L2比L1的Vu減小了16%，受火梁L3比L4的減小了14%。

3)相同的剪跨比，受火梁的Vut和Vu比未受火梁均出現降低，其中L3的Vut和Vu比L1分別降低了20%和10%，L4的Vut和Vu比L2分別降低了21%和8%。

表2 試件的主要參數

此外，各試件的跨中撓度和延性系數如表1所示。由表1可知：

1)當達到極限荷載時，梁的跨中撓度dm隨著剪跨比增加而增大，其中未受火梁L2比L1的dm增加了17%，受火梁L3比L4的增加了17%。

2)相同的剪跨比，受火梁的dm比未受火梁均出現增大，其中L3的dm比L1增加了13%，L4的dm比L2增加了13%。

3)隨著剪跨比的增加，梁的延性系數μ增大，其中，未受火梁L2的μ比L1增加了41%，受火梁L4的μ比L3增加了11%。

4)相同的剪跨比，受火梁的延性系數μ比未受火梁均增加。

4.3 剪跨比對梁彎矩-撓度曲線的影響分析

各試件的彎矩-跨中撓度曲線如圖10所示。由圖10可知由于梁的破壞模型均為剪切破壞，各試件的跨中撓度隨著彎矩的增大基本呈現線性遞增關系。在相同的跨中撓度的情況下，受火梁的彎矩小于未受火梁，反映了受火后梁的抗彎剛度會出現降低。剪跨比λ為2.7的L2和L4的極限抗彎和變形能力均大于剪跨比λ為2.1的L1和L3，說明隨著剪跨比增大，梁的變形能力增加。

4.4 梁箍筋應變分析

各試件的剪力-箍筋應變曲線如圖11所示。由圖11可知，L1和L3(λ為2.1)箍筋應變較小，反映了剪跨比較小時，箍筋對提高梁抗剪承載力的作用有限。而L2和L4(λ為2.7)，箍筋應變較大，反映了隨著剪跨比的增大，箍筋對梁抗剪承載力的貢獻提高。此外，L2和L4的箍筋應變發展可以分為兩個階段，第一階段箍筋屈服前箍筋應變和剪力呈現線性遞增關系且箍筋應變較小，第二階段箍筋屈服后隨著剪力的增大箍筋應變大幅增大。

4.5 剪跨比對梁斜裂縫的影響分析

各試件的剪力-斜裂縫曲線如圖12所示。由圖12可知斜裂縫的發展主要可以分為三個階段：斜裂縫的微裂階段、斜裂縫的發展階段和斜裂縫的快速擴展階段。在微裂階段(L1和L3的剪力小于200 kN，L2和L4的剪力小于150 kN)，隨著剪力的增大斜裂縫裂縫寬度增加緩慢。在斜裂縫發展階段(L1和L3的剪力大于200 kN且小于300 kN，L2和L4的剪力大于150 kN且小于280 kN),隨著剪力的增大，裂縫寬度增大明顯。在裂縫快速擴展階段(L1和L3的剪力大于300 kN，L2和L4的剪力大于280 kN)，隨著剪力進一步增大，斜裂縫快速擴展。此外，隨著剪跨比的減小，各階段的臨界剪力均增大。在相同的剪力作用下，受火試件L3(L4)比未受火試件L1(L2)的斜裂縫寬度更大，反映了火災后，混凝土抗拉強度降低，試件更易開裂。相關規程指出，當斜裂縫寬度大于1.5 mm時，梁即可被認定為剪切破壞。由圖12可知，斜裂縫為1.5 mm時，受火試件L3(L4)比未受火試件L1(L2)的剪力更小。

4.6 梁彎曲裂縫分析

各試件的彎矩-彎曲裂縫寬度曲線如圖13所示。由圖13可知，與斜裂縫不一樣，由于各試件的最終破壞模型是剪切破壞，彎曲裂縫的發展僅有兩個階段即微裂階段和裂縫發展階段。隨著彎矩增大，各試件的彎曲裂縫穩步發展，且剪跨比對彎曲裂縫發展的影響不明顯。

5 主要結論

本文進行了兩個未受火和兩個受火的鋼筋混凝土梁的抗剪性能靜載試驗，得到主要結論如下：

1)梁的抗剪承載力：隨著剪跨比的增加，混凝土梁的Vut(出現1.5 mm斜裂縫時梁的剪力)和極限抗剪承載力Vu均出現降低。未受火梁L2比L1的Vut和Vu分別減小了18%和16%，受火梁L3比L4的Vut和Vu減小了19%和14%。相同的剪跨比，受火梁的Vut和Vu比未受火梁均出現降低。

2)梁的跨中撓度：達到極限荷載時，梁的跨中撓度dm隨著剪跨比增加而增大。相同的剪跨比，受火梁的dm比未受火梁均出現增大。

3)梁的斜裂縫：各試件斜裂縫的發展主要可以分為三個階段：斜裂縫的微裂階段、斜裂縫的發展階段和斜裂縫的快速擴展階段。隨著剪跨比的減小，各階段的臨界剪力均增大。在相同的剪力作用下，受火試件比未受火試件的斜裂縫寬度更大。