鋼纖維混凝土開圓孔T梁受剪性能研究

吳雪紅　侯志成

關鍵詞：有限元分析 鋼纖維 T型 剪切破壞

中圖分類號：TU973.31 文獻標識碼：A 文章編號：1679-3567（2023）10-0037-03

隨著社會生產力及建筑技術的飛速發展，人們對建筑環境的舒適性、安全性要求不斷提高，大量高層智能建筑不斷涌現。對于大型復雜建筑，樓層管線布置復雜，難免與結構發生碰撞，帶來施工設計困難的問題。但是，目前的鋼筋混凝土開孔梁質量很難保證，且孔洞附近鋼筋綁扎密集，影響施工。

采用鋼纖維混凝土可以較理想解決前文闡述的因為各種管道、設備管線等布置梁下，增大結構高度而降低房屋凈高的問題，可以美化建筑環境，提高視覺觀感。可以降低結構恒載，有利于結構整體抗風抗震，提高結構使用年限。

1實驗概況

1.1材料和試件設計

本研究中的普通混凝土（NC）和鋼纖維混凝土（SFRC）的配合比參考中國《纖維混凝土》（JGIT 472-2015）。粗骨料粒徑為15～25 mm，表觀密度為2780 kg/m³。SFRC中加入0.75%體積率的鋼纖維長度30 mm，直徑0.6 mm，長細比50，屈服強度1000～1300 MPa。主要鋼筋等級為600 MPa和400 MPa，根據鋼筋拉伸試驗結果，相應的屈服強度測量值分別為675 MPa和473 MPa，極限抗拉強度分別達到861 MPa和572 MPa。

為了研究鋼纖維和600 MPa鋼筋在混凝土T梁中的作用，依據《鋼纖維混凝土結構設計標準》（JGJIT465-2019），設計并制作了兩根T梁。T梁的縱向鋼筋和箍筋直徑分別為14 mm和6 mm，箍筋間距為150 mm，梁的詳細鋼筋布置和幾何尺寸如圖1所示。兩根T梁符號分別為T6N和T6S，其中T代表T梁，4和6為400 MPa和600 MPa縱向鋼筋，N和S代表無鋼纖維和有鋼纖維。

圖1試驗梁截面形式

1.2材料性能

采用最大承載能力為2 000 kN的UTM和三根矩形SFRC梁，分別按照GB/T 50080-2016對包括NC和SFRC在內的12個混凝土立方體樣品進行了測試。NC和SFRC的抗壓強度分別為58.5、59.2、53.2 MPa和60.8、62.9、57.6 MPa。在混凝土中加入鋼纖維后，抗壓強度增加了6.1%。另一方面，三根矩形梁的比例極限彎曲拉伸強度根據JGJ/T 465-2019進行了測試和計算，分別為6.0、6.9和5.4 MPa。

2靜載試驗結果與分析

表1清楚地顯示了兩個測試T梁極限承載力與跨中撓度。在混凝土中加入鋼纖維會增加T梁的承載能力和撓度，因為沒有鋼纖維的T6N梁剪切破壞而無法繼續承載。但T6S鋼纖維T梁由于縱向鋼筋拉斷而彎曲破壞，完全符合設計預期。同時，T6S梁的施加荷載達到279.4 kN，比參考梁的189.1 kN增加了90.3 kN。

表1 試驗與數值計算結果對比

3數值分析

3.1試驗梁數值模擬結果及分析

用ABAQUS模擬的兩根T梁中的加載過程。模擬結果表明：數值計算T梁的整體破壞趨勢基本與試驗一致，包括混凝土應力分布、撓度、混凝土極限強度位置和裂縫等。T6N無鋼纖維梁的跨中撓度很小，因為該梁混凝土受剪破壞。相比之下，鋼纖維T6S梁明顯彎曲，產生了較大的撓度，這在應力云圖圖中可以清楚地看出。因此，通過模擬和實驗結果圖片的比較，T梁的數值模擬與實驗結果基本一致，如表1所示。

對T6N和T6S實驗結果與ABAQUS中的有限元模擬結果進行了比較。結果表明：有限元分析和實驗之間的所有曲線大致遵循相同的趨勢，但有一些可接受的偏差。總之，有限元分析中的荷載和撓度曲線與實驗結果吻合良好，無論有無鋼纖維，預測600 MPa鋼筋混凝土T梁的荷載和跨中撓度結果都是可靠的。

3.2開圓孔T梁數值模擬結果及分析

圖2 無鋼纖維混凝土T梁應力云圖

圖3 有鋼纖維混凝土T梁應力云圖

圖4 梁荷載-撓度曲線

調整好后的兩類T梁模型先后在剪壓區布置圓形孔洞后模擬破壞過程。如圖2和3所示，孔洞位置相同，均在第二和第三箍筋中間，圓心距離梁端220 mm，梁腹板底邊110 mm，圓形孔洞直徑為120 mm。圓形孔洞普通混凝土T梁力學性能削弱明顯。根據混凝土和鋼筋應力應變圖形可以判斷，兩個帶孔T梁都依然剪切破壞。然而，無鋼纖維圓孔T梁極限承載力和跨中撓度分別降低到158.9 kN和4.0 mm，比無孔T梁降低了34.2 kN和1.7 mm。如圖4所示，鋼纖維混凝土T梁因開孔后的力學性能削弱程度明顯比普通混凝土T梁小。根據鋼筋和混凝土應力應變圖及荷載跨中撓度曲線可以判斷，圓孔鋼纖維混凝土T梁仍然剪切破壞，而試驗中無孔鋼纖維混凝土T梁則受彎破壞。同時，圓孔T梁極限承載力和跨中撓度分別降低到280.3 kN和27.7 mm，承載能力與無孔T梁降幾乎相同，而跨中撓度低24.1 mm。這種現象是因為鋼纖維明顯提高了混凝土T梁的抗剪承載力和跨中撓度。

通過兩組荷載位移曲線圖，可以明顯看出鋼纖維對鋼筋混凝土腹板開圓孔T梁的力學性能作用，對位于剪壓區的圓形孔洞的T梁，承載能力和跨中撓度增高顯著。因為加入鋼纖維后，混凝土抗剪強度提高，孔洞T梁可以承載更高彎矩，鋼筋和混凝土材料強度得到進一步發揮。然而，根據有限元軟件計算結果，盡管鋼纖維提高了孔洞T梁的抗剪強度和跨中撓度，但孔洞T梁依然是剪切破壞，鋼筋和混凝土材料強度仍然沒有充分利用。在實際工程中根據承載需要，仍然有必要在孔洞周邊設計加強筋。關于鋼筋混凝土開孔T梁力學性能討論，是根據有限元軟件模擬結果，需要進一步開展實驗驗證理論結果。

4結論

本研究通過加載兩個T梁，運用ABAQUS6.14-1有限元軟件，模擬了兩個梁加載過程。通過調整材料參數，得到較可靠的數值模型，然后計算了開孔T梁的承載能力和撓度。因此，得出以下結論。

（1）在T梁中加入7.5%體積的鋼纖維，可以顯著提高T梁極限承載能力和撓度，使T梁的破壞模式由剪切破壞轉變為彎曲破壞。同時，T形梁上形成的裂紋的分布和寬度也變得更加均勻。

（2）用ABAQUS 6.14-1軟件對試驗的T梁進行了模擬，其關鍵數值偏差在3%～5%之間，可用于計算腹板開圓孔的T梁性能。

（3）根據有限元軟件的模擬結果，在T形鋼筋混凝土T梁上開圓孔會顯著降低梁的極限承載力，并改變梁的最終破壞模式。

（4）根據有限元軟件的計算結果，在有圓孔的鋼筋混凝土梁中加入鋼纖維可以顯著提高梁的極限承載力和跨中撓度，但不能達到無孔T梁的力學性能，仍然剪切破壞。