鋼纖維混凝土疊合梁抗彎曲性能探究

摘要：為提升混凝土疊合梁的抗彎曲性能，并推動其在橋梁工程中的廣泛應用，文章通過在混凝土疊合梁疊合下層摻入鋼纖維并以疊合下層的高度為變量，系統分析其對疊合梁抗彎承載力及撓度的影響。將鋼纖維混凝土疊合梁、普通混凝土整澆梁的經驗公式與標準鋼筋混凝土受彎構件的理論公式進行對比，評估經驗公式的適用性并對公式進行修正。研究表明，鋼纖維的摻入增強了混凝土疊合梁的抗彎曲性能，并且疊合下層高度對性能有顯著影響。綜合考慮抗彎曲性能與經濟性，建議疊合下層高度設置為整體高度的2/3。此外，經驗公式雖然適用于混凝土整澆梁，但是對疊合梁預測的偏差較大，因此需通過引入修正公式完善鋼纖維混凝土疊合梁的彎曲恒通理論。

關鍵詞：混凝土疊合梁；裝配式建筑；鋼纖維；抗彎曲性能

中圖分類號：TU375.1" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0103-04

0 引言

隨著全球環境的日益惡化，工程結構的可持續發展受到業界更多的關注。裝配式施工是一種具有較大潛力的新型施工方式，具有施工速度快、易于規模化生產及顯著的綠色環保特性等優勢。其中，疊合梁作為裝配式施工中常用的一種構件，已在橋梁工程中得到逐步應用，并通過分層構造最大限度地發揮材料的優勢。現有疊合梁普遍采用鋼筋混凝土作為材料，而隨著建筑材料的不斷升級與創新，新型材料如鋼纖維被運用在橋梁工程結構中，展現出超高的增韌阻裂及抗彎拉的效果［1］。近年來，關于鋼纖維混凝土在整澆梁的應用研究頗為豐富，例如張明玥［2］通過試驗研究了摻入鋼纖維對高延性纖維混凝土抗剪性能的增強效果，發現鋼纖維能顯著提升梁的抗剪性能；谷志強等［3］研究了鋼纖維混凝土梁的疲勞損傷演化過程，提出相應的疲勞壽命預測模型；代文峰等［4］對鋼纖維預應力橋梁的設計方法進行了優化，并給出鋼纖維預應力橋梁的推薦設計結果；陳鋼［5］將鋼纖維混凝土作為橋面鋪裝材料，發現合理摻入鋼纖維能有效預防橋梁龜裂現象的發生。然而，現有文獻對于鋼纖維在疊合梁力學性能提升方面的探討有限，亟需深入研究鋼纖維混凝土疊合梁的抗彎曲性能，為工程實踐提供所需的基礎數據和參考依據。基于此，本文研究聚焦于鋼纖維混凝土疊合梁，通過摻入鋼纖維并調整疊合高度，探究其在彎曲荷載作用下的承載能力與撓度，并與普通混凝土整澆梁及規范理論公式進行對比分析；通過引入修正系數，對經驗公式進行修正。本研究旨在為鋼纖維混凝土疊合梁在橋梁中的運用提供理論參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗選用的原材料包括水泥、鋼纖維、石灰巖骨料、鋼筋、水、減水劑。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，鋼筋為普通熱軋帶肋HRB400級鋼筋，箍筋采用的鋼筋型號為C10，架立筋為C12，縱筋為C22。原材料基本性能介紹介紹見表1。

1.2 試件成型

為了探究不同鋼纖維疊合高度對疊合梁承載能力及撓度的影響，以疊合高度為變量進行實驗。由于受彎構件破壞常源于受拉區混凝土的開裂，因此在疊合梁下層摻入摻量為60 kg/m3的鋼纖維以增強其性能。實驗采用的混凝土梁具體尺寸為長2.2 m、高0.5 m、寬0.4 m；設置鋼纖維疊合下層的高度分別為0.0 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m。

梁的制作流程如下：首先架設模板，并進行鋼筋的綁扎；其次將預先混合均勻的混凝土分兩次澆筑入模板，首次澆筑下層，待其固化7 d后再進行上層的澆筑；整個澆筑過程完成后，養護28 d；最后拆除模板，完成混凝土受彎構件的制作。鋼筋混凝土梁的鋼筋布設及具體尺寸見圖1。

1.3 試驗方案

為了精確監測混凝土梁在承受彎曲荷載過程中的撓度變化，在鋼筋混凝土梁的下部布設位移傳感器［6］。加載過程采用千斤頂作為加載裝置，并設定加載速率為5 kN/min。通過逐步加載，得到鋼筋混凝土梁的開裂荷載及極限荷載，并同步獲取在不同荷載水平下的梁的撓度數據。試件加載過程示意圖見圖2。

2 結果與分析

2.1 承載力分析

2.1.1 承載力實驗值與規范理論值對比

根據加載結果，得到不同疊合高度的鋼筋混凝土梁的啟裂彎矩和極限彎矩（見圖3）。

由圖3可知，隨著疊合下層高度的提升，混凝土疊合梁受彎構件的開裂彎矩及極限彎矩增大。當疊合下層高度為0.1 m時，啟裂彎矩與極限彎矩的提升幅度最大，分別較無疊合下層時增加了5.7 kN·m 和17.3 kN·m。然而，隨著疊合高度繼續增加，承載力的提升幅度變緩，特別是在從0.4 m增至0.5 m的過程中，啟裂彎矩僅增加了0.8 kN·m，極限彎矩增加了3.6 kN·m。值得注意的是，啟裂彎矩和極限彎矩隨疊合高度的增加而展現出的提升幅度呈現出不同的變化模式。啟裂彎矩的提升幅度逐漸變緩，而極限彎矩則在0.1 m處有突變，隨后提升幅度放緩，但在0.3 m、0.4m處又有所回升。上述現象表明，極限彎矩對疊合下層高度的變化更為敏感，設置合適的疊合下層高度，有利于在提升極限彎矩的同時降低經濟成本。總體而言，鋼纖維疊合下層能提升受彎構件的承載力，并且疊合下層高度的提升有利于梁整體抗彎曲性能的提升。綜合考慮梁的承載能力與經濟成本，推薦鋼纖維疊合高度為梁整體高度的2/3，即疊合下層高度為0.3 m。

為了對比實驗值與理論值之間的誤差，根據《混凝土結構設計標準》（GB/T50010—2010），對構件的啟裂彎矩及極限彎矩進行計算，具體計算過程如下：

[fyAs=α1fcbx]，" " " " " " " " " " " " " " （1）

[Mu=α1fcbx（?0?x2）]，" " " " " " " " " " "（2）

[fcMcr=γftkW0]，" " " " " " " " " " " " " "（3）

其中：fy為鋼筋抗拉強度設計值；As為受拉區縱向普通鋼筋的截面面積；α1為系數，參照《混凝土結構設計標準》（GB/T 50010—2010）的規定計算；fc為混凝土軸心抗壓強度；b為截面寬度；x為過程變量；[Mu]為極限荷載；h0為截面有效高度；[Mcr]為啟裂荷載；γ為混凝土構件的截面抵抗矩塑性影響系數；ftk為混凝土軸心抗拉強度；W0為截面抗裂矩。

根據公式（1）至公式（3），計算得出疊合下層高度為0.0 m時，試件極限荷載為124.31 kN·m，啟裂彎矩為28.76 kN·m。對比圖3疊合下層高度為0.0 m時啟裂彎矩和極限彎矩的數據發現，在未添加鋼纖維時（即疊合下層高度為0.0 m），啟裂彎矩和極限彎矩與理論值的偏差分別為3.2%、1.7%。然而，當疊合下層高度增至0.5 m時，啟裂彎矩和極限彎矩的實驗值分別為44.9 kN·m和161.9 kN·m，與理論值的偏差分別達到63.9%和30.2%。這一結果表明，鋼纖維的加入，顯著改變了疊合梁的力學性能，導致現有經驗公式難以準確預測其啟裂彎矩與極限彎矩。因此，針對摻有鋼纖維的混凝土疊合梁，亟須對現有的啟裂彎矩和極限彎矩計算公式進行修正，以指導工程實踐。

2.1.2 修正后的承載力實驗值與規范理論值的對比

為了使經驗公式更適用于疊合梁的承載能力，引入與疊合高度相關的修正系數[λ]和[θ]，按照以下步驟對經驗公式進行修正：

[Mu=λα1fcbx（?0?x2）]，" " " " " " " " " （4）

[fcMcr=θγftkW0]，" " " " " " " " " " " " "（5）

[λ=1+0.45?0]，" " " " " " " " " " " （6）

[θ=1+0.8?0]，" " " " " " " " " " " " （7）

其中，λ、θ為修正系數。

根據修正公式進行計算，疊合梁彎矩實驗值、規范理論值及修正理論值計算結果見圖4。

由圖4可知，按照規范提供的理論公式，計算所得的受彎構件理論承載力為28.8 kN·m，該值小于實驗值。修正后的計算公式計算出的承載能力值隨著疊合下層高度的增加而提升，與實驗值更貼近，兩者曲線基本重合，驗證了修正公式具有實效性與準確性，能夠精確計算鋼纖維混凝土疊合梁的啟裂彎矩和極限彎矩。此外，采用修正公式計算的結果顯示，疊合梁的承載能力受疊合下層鋼纖維混凝土高度的影響較大，表現為隨著其高度增加影響程度隨之提升。

2.2 撓度分析

2.2.1 撓度實驗值與規范理論值的對比

根據加載結果，得到不同荷載作用下疊合梁的撓度曲線，為了對比實驗值與理論值之間的誤差，根據《混凝土結構設計標準》（GB/T50010—2010），對構件的撓度開展計算分析，計算公式如下：

[f=αML20Bs]，" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （8）

[Bs=EsAs?201.15φ+0.2+6αEρ1+3.5γ'f]，" " " " " " " " " " "（9）

其中：[f]為構件的撓度，[Bs]為受彎構件的短期剛度，α為系數，M為彎矩設計值，L0為計算長度，Es為鋼筋的彈性模量，As為受拉區縱向普通鋼筋的截面面積，h0為截面有效高度，φ為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數，αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，ρ為縱向受拉鋼筋配筋率，[γ'f]為混凝土抗壓強度值。

根據公式（7）至公式（8）計算得到疊合梁撓度的規范理論值，并與不同疊合高度的實驗值進行對比，對比結果見圖5。

由圖5可知，未施加荷載時，受彎構件無撓度產生。隨著加載的進行，彎矩的增加導致疊合梁撓度相應增大。疊合下層高度越大，在相同荷載作用下，梁的撓度反而越小，表明鋼纖維的摻入有效提升了疊合梁的抗變形能力。然而進一步觀察發現，在相同彎矩水平下，隨著疊合高度的增加，撓度減小的幅度趨于平緩。因此，在提升梁的抗變形能力與成本控制之間尋求平衡，推薦將鋼纖維疊合高度設定為梁高度的2/3，即0.3 m，達到最佳的綜合效益。

2.2.2 修正后的撓度實驗值與理論值的對比

為了使經驗公式更適用于疊合梁抗彎曲變形能力的計算，引入修正系數[ω]，按照以下公式進行修正：

[f=ωαML20Bs]，" " " " " " " " " " " " " " "（10）

[ω=1?0.4?0]，" " " " " " " " " " " " "（11）

其中，[ω]為修正系數。

根據修正公式進行計算，實驗值、規范理論值及修正理論值的計算結果見圖6。

從圖6（a）可以看出，實驗值、修正理論值及規范理論值的3條曲線基本重合，這是由于該試件鋼纖維混凝土疊合下層高度為0 m，梁未摻鋼纖維，并且為整體式普通混凝土梁。3條曲線的基本重合驗證了規范的經驗公式在普通混凝土受彎構件中的適用性。然而，對于其他摻有鋼纖維的疊合梁，規范給出的撓度理論值普遍高于實驗值，這是由于鋼纖維的摻入提升了混凝土梁的抗變形能力，從而減小了撓度，表明規范中的理論計算公式對鋼纖維混凝土疊合梁不適用。從圖6中還可以觀察到，隨著疊合下層高度的增加，實驗值與規范理論值之間的差距逐漸增大。相比之下，采用修正后的理論公式所得曲線與實驗值更接近，表明針對鋼纖維混凝土疊合梁的特性，對經驗公式進行修正是必要且有效的，修正后的經驗公式能夠更準確地指導工程實踐中疊合梁的撓度計算與分析。

3 結論

本文研究混凝土疊合梁中鋼纖維的摻入及其疊合高度對受彎承載能力及抗彎曲變形能力的影響，通過對比分析實驗值與規范理論公式的計算結果，得出結論如下。

（1）鋼纖維的摻入能提升混凝土疊合梁的抗彎曲性能。隨著疊合下層高度的增加，受彎構件抗彎曲變形能力逐漸提升，但提升幅度逐漸減緩。

（2）規范中對普通混凝土梁給出的受彎構件承載力計算公式應用于鋼纖維混凝土疊合梁時，存在較大偏差。通過引入修正系數對原公式進行修正，有效縮小了理論計算值與實驗值的偏差，提高了公式的準確性。

（3）鋼纖維在疊合梁中發揮了積極作用，顯著提升了其抗彎曲變形能力。與承載力變化規律相似，隨著鋼纖維混凝土疊合高度的增加，疊合梁的抗彎曲性能也得到提升，但當高度超過0.3 m后，提升幅度逐漸減緩。

（4）規范中關于受彎構件撓度的計算公式在鋼纖維混凝土疊合梁的應用中同樣存在較大偏差。為提升公式的適用性，本文引入了與鋼纖維混凝土疊合高度相關的經驗公式進行修正，使修正后的實驗值與理論值更接近。

4 參考文獻

［1］張麗娟，何萌，趙軍，等.纖維自密實再生混凝土力學性能及早期抗裂性能研究［J/OL］.建筑科學與工程學報，（2024-05-15）［2024-05-30］.http：//fycx208e51c2dd88406685526280e50de659snx0qqopk90cb6o6b.fcic.www.gxstd.com/kcms/detail/detail.aspx？dbcode" = CAPJamp;filename" =" XBJG2024

0511001amp;dbname=CAPJLAST.

［2］張明玥.高延性纖維混凝土梁抗剪性能試驗研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2015.

［3］谷志強，高丹盈，王建召，等.鋼筋鋼纖維混凝土梁疲勞全過程分析及壽命預測［J］.建筑結構學報，2024，45（5）：164-172.

［4］代文峰，郭凱.基于模因算法的鋼纖維增強預制預應力混凝土公路橋梁設計研究［J］.建筑機械，2023（12）：107-111.

［5］陳鋼.鋼纖維混凝土在公路橋梁工程中的應用［J］.西部交通科技，2023（10）：95-97，186.

［6］江躍，程琳，馬春輝，等.基于多點位移計的黃金峽水利樞紐施工期邊坡實測變形特征分析［J］.水資源與水工程學報，2023，34（3）：201-207，224.