腹筋對混凝土構件力學性能的影響試驗研究

摘要：依托尼日利亞阿布賈城鐵一期工程站房項目，通過試驗手段研究了腹筋對輕骨料混凝土受剪力學特性的影響。將不同腹筋配筋率的輕骨料混凝土試件與素混凝土試件進行對比分析，從跨中撓度、裂縫發展和受剪承載力等角度，分析了腹筋在混凝土構件中發揮的作用。研究結果表明：配筋率為1.13%時加筋效果最優，腹筋能對混凝土中荷載的傳遞路徑進行優化，可以有效提高試件的承載力和剛度，減少跨中撓度變形。跨中撓度與截面高度呈負相關。名義抗剪強度由大到小依次為破壞階段、服役階段和斜裂階段。隨著截面高度的增加，各工況下的名義極限強度均出現減小，名義極限強度與截面高度呈現負相關關系。

關鍵詞：輕骨料混凝土；腹筋；尺寸效應；抗剪強度

0" "引言

鋼筋混凝土因其具有良好的強度、剛度和穩定性能，在工程中的應用越來越多。而腹筋能有效限制裂縫發展，進而提高混凝土構件極限承載能力，因此相關工程人員對其也逐漸重視。金瀏等[1]通過三維數值模擬手段，研究了剪跨比和尺寸效應對混凝土梁的力學性能影響。王敬慈[2]針對有腹筋梁，通過靜力加載試驗，分析了通過纖維復合材料提高混凝土梁承載力的可行性。鄭開啟等[3]建立了有腹筋梁的力學分析模型，分析了剪切剛度的影響因素。寧建國等[4]研究了在強沖擊荷載作用下鋼筋混凝土的力學性能。金瀏等[5]考慮到溫度的作用，對混凝土結構在不同溫度條件下的設計和施工方法做了總結。蔣德穩和邱洪興[6]結合鋼筋混凝土實際工作狀態，對反復荷載作用下鋼筋混凝土的疲勞特性做了研究。

本文依托尼日利亞阿布賈城鐵一期工程站房項目，通過試驗手段研究了腹筋對輕骨料混凝土受剪力學特性的影響，將不同腹筋配筋率的輕骨料混凝土試件與素混凝土試件進行對比分析，從跨中撓度、裂縫發展和受剪承載力等角度，分析了腹筋在鋼筋混凝土中發揮的作用。本文的研究成果在實際工程的設計和施工方面有一定的指導意義。

1" "試驗概況

1.1" "試件設計

混凝土深受彎構件廣泛應用于項目中所涉及的房建和橋梁結構。采用的腹筋配筋率，能有效改善混凝土深受彎構件力學性能。本文依托尼日利亞阿布賈城鐵一期工程站房項目，對試件進行設計。試驗用到的深受彎混凝土試件的截面高度為0.5m和1m，兩組試件寬度均為0.18m，截面高度0.5m的試件縱向長度為2m，截面高度1m的試件縱向長度為3m。

其中每組包含4種不同腹筋配筋率的輕骨料混凝土試件，還包含一個對比試件為普通混凝土試件。將4個輕骨料混凝土試件的壓桿有效腹筋配筋率ρ設置為0、0.28%、0.55%和1.13%。試件主要參數如表1所示。為了減小試驗誤差，防止混凝土局部被壓碎情況的發生，對支座位置和加載位置均進行了加固處理。

1.2" "混凝土性能

表2為試驗所用混凝土配合比。其中，輕骨料混凝土通過頁巖陶粒制作，表3為其物理參數。為使輕骨料混凝土充分發揮其特性，試驗前將輕骨料進行預處理，使其達到飽和面干狀態。表4為試驗用到的鋼筋力學參數。

1.3" "試驗加載方案

試驗加載裝置包含反力梁、千斤頂、傳感器、分配梁、球鉸和承臺等部件，油壓為3000kN，加載方式為荷載-位移混合控制，采用單調分級加載模式。試驗加載分為四個步驟：第一步，以50kN的荷載進行單級加載，加載速率為10kN/min，持續到梁發生開裂。第二步，在梁開始開裂時，荷載降低至30kN，持續3min。第三步，梁開裂發生后，將荷載提高至90kN，加載速率為30kN/min，持續2min。第四步，當施加的荷載接近梁預估承載力的3/4左右，將控制方式由荷載控制改為位移控制，速率設置為0.3mm/min，持續到試件發生破壞。

2" "試驗結果分析

2.1" "荷載-跨中撓度曲線

圖1展示了兩種截面高度下的荷載-跨中撓度曲線。從圖1可以看出，隨著荷載的增大，試樣跨中撓度呈現線性增加。從圖1a可以看出，試驗結束后跨中撓度最大的為腹筋配筋率1.13%的試件，并在試驗末期試件破壞后，跨中撓度未出現回彈現象。同一荷載下，素混凝土試件的撓度為最大。同種混凝土下，試件腹筋配筋率越大，撓度越小。

而對比同一配筋率下不同混凝土的兩種試件可看出，混凝土強度對跨中撓度也有影響，混凝土強度提升，試件承載力會相應提高，且其剛度伴隨增加，撓度減小。觀察圖1b亦呈現出上文趨勢。腹筋配筋率0.28%和0.55%的試樣，相對于素混凝土試樣變化不明顯，這可能是由于腹筋較少，存在較大的腹筋間距，未能充分發揮出材料作用。

對比圖1a和圖1b可發現，截面高度對跨中撓度也有影響。截面高度1000mm的試樣撓度，明顯大于截面500mm的試樣撓度，并且其跨中撓度在試驗末期試件破壞后的回彈更小，基本無回彈，說明其延性較差。總體而言，在混凝土中加入腹筋，能有效提高試件的承載力和剛度，但是延性較差。這歸結于腹筋能優化混凝土內荷載的傳遞路徑，對混凝土變形提供了有效約束，因而可以提高試件的受剪承載力。

2.2" "特征荷載

定義V/（fcbh0）為名義抗剪強度，圖2展示了試樣各階段名義抗剪承載力隨腹筋配筋率變化的情況。從圖2可以看出，各階段的名義抗剪強度由大到小依次為破壞階段、服役階段和斜裂階段。在三個階段，腹筋配筋率相同時，截面高度500mm的試樣名義抗剪強度，均大于截面高度1000mm的名義抗剪強度。

在破壞階段，兩組試樣隨著腹筋配筋率的提高，其名義抗剪強度增加，名義抗剪強度受腹筋配筋率影響較為顯著。而在服役階段和斜裂階段，腹筋配筋率0.28%和0.55%時其名義抗剪強度提升不明顯，甚至有所回降，但繼續增大腹筋配筋率對服役階段的試樣名義抗剪強度提升幅度明顯。分析認為，箍筋替混凝土分擔了部分剪力，使其承擔的剪力減小。腹筋能發揮出環箍作用，限制了混凝土的變形，增加了其剛度，進而提高了其名義抗剪強度。

斜裂階段兩組試樣名義抗剪強度受腹筋配筋率影響較小，隨著腹筋配筋率的改變變化不大。這是由于該階段斜裂縫的出現和發展，主要由混凝土的抗拉強度所決定，而在此階段，腹筋發揮作用較小。

2.3" "鋼筋應變

圖3展示了試件中鋼筋應變監測點的布置情況。在縱向鋼筋布置有6個監測點L-1至L-6，腹筋布置有16個監測點，為豎向腹筋8個V-1至V-8和橫向腹筋8個H1至H8。圖4展示了試樣編號為LC-500-0.55的鋼筋應變隨荷載變化的情況。

圖4a展示了縱筋應變隨荷載變化情況。從圖4a可以看出，隨著荷載的增加，縱筋應變較小，在達到極限受剪承載力Vu前均未達到屈服應變，應變最大的為L-2即縱向長度600mm位置處，其次為L-2即縱向長度800mm位置處，試樣兩段縱筋的應變較小。此外，從圖4a可以看出，縱筋應變出現了較為顯著的轉折。在試驗加載初期階段，縱筋的應變不明顯，而開裂后出現增長且增長的斜率較為穩定。這說明拉桿作用機制有效，且縱筋配置過多，未達到屈服應變試件即發生破壞。

圖4b展示了豎向腹筋應變隨荷載變化情況。從圖4b可以看出，在試驗初期階段，豎向腹筋應變較小，隨著荷載的增加，V2至V7處的豎向腹筋應變均出現轉折，出現較為明顯的應變增加。而V2處的豎向腹筋應變最為明顯，在試件破壞前達到了屈服應變，其他監測點的豎向腹筋均未達到屈服。

圖4c展示了橫向腹筋應變隨荷載變化情況。從圖4c可以看出，橫向腹筋亦出現上文所述趨勢，且所有監測點的橫向腹筋應變均未達到屈服。這是因為在試驗初期，斜裂縫未出現時，主要荷載由混凝土承擔，腹筋承擔的荷載甚微，因此應變較小。而隨著荷載的增加裂縫出現，腹筋開始承擔一部分剪力，出現應變。但此時混凝土仍能承擔一部分剪力，腹筋應變不大且增長速度較慢。而隨著裂縫的繼續發展，部分主斜裂縫附近的腹筋承擔的剪力增大。此時這部分的腹筋應變急速增長，甚至達到屈服。

2.4" "裂縫寬度

圖5展示了最大斜裂縫寬度隨荷載變化的情況，圖5a為截面高度500mm的試樣，圖5b為截面高度1000mm的試樣。

從圖5可以看出，同一試樣的斜裂縫寬度隨荷載的增大而增加，呈現出線性趨勢。同一荷載水平下，混凝土強度相同時，腹筋配筋率越高，裂縫寬度則越小。這說明腹筋在限制最大斜裂縫寬度方面發揮有積極的作用。混凝土強度提高，同一荷載水平下對應的斜裂縫寬度更小，混凝土強度亦能限制斜裂縫的發展。

對比圖5a和圖5b發現，試樣截面高度越高，最大斜裂縫寬度越大，且隨著荷載水平的增加，裂縫發展速度較快，斜裂縫受試樣截面尺寸的影響較為顯著。

2.5" "尺寸效應

圖6展示了截面有效高度與名義極限強度的對應關系。從圖6可以看出，隨著截面高度的增加，各工況下的名義極限強度均出現減小，名義極限強度與截面高度呈現負相關關系，尺寸效應明顯。同一截面高度下，相對于素混凝土試件，腹筋對名義極限強度的提升效果顯著。混凝土強度相同時，配筋率越高其名義極限強度越大；而同一配筋率下，提高混凝土強度，亦能有效提高試件的名義極限強度。

3" "結論

本文通過試驗手段研究了腹筋對輕骨料混凝土受剪力學特性的影響，將不同腹筋配筋率的輕骨料混凝土試件與素混凝土試件進行對比分析，從跨中撓度、裂縫發展和受剪承載力等角度分析了腹筋在混凝土構件中發揮的作用。得到主要結論如下：

腹筋能對混凝土中荷載的傳遞路徑進行優化，可以有效提高試件的承載力和剛度，減少跨中撓度變形。同一荷載條件下，跨中撓度與截面高度呈負相關關系。名義抗剪強度由大到小依次為破壞階段、服役階段和斜裂階段。在破壞和服役階段，隨著腹筋配筋率的提高，其名義抗剪強度增加。斜裂階段試樣名義抗剪強度隨著腹筋配筋率的改變變化不大。

同一荷載水平下，且混凝土強度相同時，配筋率為1.13%效果最優，腹筋配筋率越高，裂縫寬度則越小，腹筋在限制最大斜裂縫寬度方面發揮有積極的作用。隨著截面高度的增加，各工況下的名義極限強度均出現減小，名義極限強度與截面高度呈現負相關關系。

參考文獻

[1] 金瀏，夏海，蔣軒昂，杜修力.剪跨比對CFRP加固無腹筋混凝土梁剪切破壞及尺寸效應的影響研究[J].工程力學，2021，38（3）：50-59+85.

[2] 王敬慈. ECC/RC組合有腹筋梁抗剪性能試驗研究[D].揚州：揚州大學，2019.

[3] 鄭開啟，劉釗，秦順全，周滿.有腹筋混凝土梁的剪切剛度分析模型[J].力學學報，2016，48（5）：1136-1144.

[4] 寧建國，周風華，王志華，等.強沖擊載荷下鋼筋混凝土的本構關系、破壞機理與數值方法[J].中國科學：技術科學，2016，46（4）：323-331.

[5] 金瀏，張仁波，杜修力，劉晶波.溫度對混凝土結構力學性能影響的研究進展[J].土木工程學報，2021，54（3）：1-18..

[6] 蔣德穩， 邱洪興.重復荷載作用下鋼筋混凝土錨固端黏結性能試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2012， 33（9）： 127-135.