不同配筋形式矩形截面钢筋混凝土梁的弯曲性能及损伤机制的试验研究

常岩军,万里云,胡丹,莫德凯,李剑*

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

在钢筋混凝土结构服役过程中，裂缝的出现不可避免。现有研究表明，混凝土开裂后内部钢筋的锈蚀、胀裂是钢筋混凝土结构耐久性下降的关键因素之一[1]。为了延长结构使用寿命，如何提高钢筋混凝土构件的抗裂性是值得关注的课题。作为最常见的受弯钢筋混凝土构件，钢筋混凝土梁在弯曲荷载下的开裂过程也是研究的重点。至今为止，对于钢筋混凝土梁的弯曲性能提高已有诸多尝试，其中包括采用高强度的螺纹钢筋[2]、以新型FRP筋与钢筋混合配筋[3-4]、使用活性粉末混凝土[5]、以纤维材料对梁体进行外部加固[6]等，在经典的钢筋混凝土梁中引入新材料，用试验方式及模拟方式探究其弯曲性能和开裂现象。另一角度的研究是针对传统钢筋混凝土材料，从细观角度分析其开裂机理，探究混凝土骨料形状及占比[7]、钢筋混凝土界面剪切应力传递[8]等细观层面上的影响因素造成的宏观开裂过程变化，并辅以有限元模拟方法对开裂理论进行验证[9]。

梁式构件的四点弯试验是一种用于研究构件弯曲性能的试验方式，相比广泛使用的三点弯试验，这种试验方式采用两个对称加载点同时对构件进行加载，构件跨中两加载点之间的区段不受剪力影响，能够同时观察到跨中纯弯段和剪跨区弯剪结合段构件不同的表现，也更为贴近工程实际中梁式构件的荷载条件，因而也被许多要求更高精度的梁式试验研究选用[10-11]。

为了探究经典钢筋混凝土梁受拉伸损伤的共同作用机理，本文设计4种不同配筋率、2种不同配筋形式，共计8组简支梁四点弯对比试验，该试验能较全面的观察变形钢筋与混凝土在弯曲荷载下的开裂、脱粘损伤至破坏的全过程，获取相关力学指标，并基于试验对钢筋混凝土梁的破坏现象及细观损伤机理进行分析。

1 试验方案

试验包括2组共8根相同尺寸的钢筋混凝土梁构件，按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[12]规定，试件设计为适筋梁构件。试验梁长度为1 300 mm，净跨1 200 mm。截面尺寸均设计为120 mm×200 mm，保护层厚度为20 mm。梁顶部架立筋为HPB300强度等级，梁底纵筋及箍筋均为HRB400E强度等级，箍筋间距100 mm，L型梁底部配两根纵筋，BL型梁底部配直径相等的三根纵筋，试验梁尺寸及配筋如图1所示。试验梁采用C50强度等级混凝土，各试件梁设计参数见表1。

单位：mm

表1 各试验梁设计参数Tab.1 Parameters of test beams

试件采用四点弯加载，为记录试验梁在加载过程中的宏观形态变化及微观破坏机制，在各根试验梁上布置荷载传感器、混凝土应变片、钢筋应变片、位移传感器等测量工具，如图2所示。试验采用分配梁实现四点弯加载。荷载传感器布置在分配梁上方中心处，用于测量由液压压力机施加的竖向荷载；混凝土应变片分别布置在左右支座和加载点的连线中点处及跨中位置，用于左、右侧斜裂缝发展形态和跨中横截面混凝土应变以及开裂时机；钢筋应变片分别布置于跨中纯弯段的纵筋处和两端剪力段的箍筋处，用于测量其所在位置的钢筋应变；位移传感器布置跨中和左、右加载点处，用于测量各点挠度。

单位：mm

2 试验过程

2.1 材性试验

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[13]及《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[14]的相关规定，对制备试件梁所用的混凝土和钢筋分别进行材料性能试验，实测结果分别见表2和表3。

表2 混凝土材料性能Tab.2 Material properties of concrete

表3 钢筋材料性能Tab.3 Material properties of rebars

图3 构件加载图Fig.3 Components loading

2.2 四点弯试验

加载设备包括NYL-500液压式压力机、100 t手动液压千斤顶、力传感器、分配梁以及桥式位移计等，加载装置示意图如图3所示。在加载前，使用腻子粉刷白试验梁的观测面，而后于梁侧面描绘方格网，便于裂缝位置定位。试验采用四点弯加载，加载制度为分级加载，便于不同阶段的裂缝观测。在每级荷载加载完毕后，控制荷载稳定，在观测面描绘出裂缝形态并文字记录相关变化。

3 结果与分析

3.1 破坏形态

根据纵筋配筋率的不同，试验梁的破坏形态表现为正截面破坏和斜截面破坏两种。其中L-1、L-2、BL-1、BL-2梁的纵筋配筋较少，试验梁弯剪段抗剪能力相对较强，呈正截面破坏形式，而L-3、L-4、BL-3、BL-4梁的纵筋配筋较多，试验梁纯弯段抗弯能力相对较强，呈斜截面破坏形式。

试验梁典型的正截面破坏形式如图4(a)至图4(d)所示。在呈现正截面破坏的L-1、BL-1、L-2和BL-2四根试验梁上可见，当开裂荷载达到后，试验梁纯弯段跨中底部出现垂直于纵筋的裂缝，荷载继续增加，跨中裂缝向上延伸同时纯弯段其他位置依次出现多条垂直于梁底延伸向上的裂缝。配三根底筋的BL-1和BL-2梁相比配筋率相同的L-1及L-2梁，跨中裂缝显然更密集。对于纵筋配筋率较高的L-2和BL-2两根梁，其正截面承载力和斜截面承载力较为接近，因此在剪跨区也出现了一定数量的斜裂缝，但发展较纯弯段的直裂缝要更为缓慢。当荷载加至梁底纵筋屈服后，试验梁中和轴下部混凝土完全开裂，荷载的提升主要依靠力臂的增加，此时挠度迅速增加，跨中混凝土上部受压区出现一定的水平裂缝。当压力机继续下压，受压区混凝土峰值压应力下移导致力臂减小从而荷载下降，但很快受压区混凝土出现三角形破坏区，试验梁破坏。

试验梁典型的斜截面破坏形式如图4(e)至图4(h)所示。对于呈现斜截面破坏的L-3、BL-3、L-4及BL-4试验梁，在荷载加载前期，可见试验梁加载点及跨中底部几乎同时出现垂直裂缝。随着荷载增大，剪跨区弯矩及剪力增大，剪跨区底部出现更多弯剪型裂缝，起初与纵筋垂直，在发展过程中逐渐向同侧加载点偏转。当荷载继续增加，剪跨区裂缝不断斜向上延伸但发展的角度不断减小，在该阶段中配筋率较高的L-4及BL-4梁中下部还出现复数几乎平行的腹剪型裂缝。荷载继续增大，纯弯段垂直裂缝停止发育，剪跨区斜裂缝继续向上延伸同时腹剪型斜裂缝向两侧发展。当荷载增大到某一值时，数条弯剪裂缝中的一条转化为临界斜裂缝并贯穿支座与加载点的连线，导致试验梁破坏。在临界斜裂缝贯穿梁体之外，BL-3、L-4及BL-4梁都不同程度地出现了梁顶部受压区混凝土压碎的现象，BL-4梁更是出现了腹剪型斜裂缝间的混凝土碎裂现象，导致其破坏呈现明显脆性。

(a) L-1

(b) BL-1

(c) L-2

(d) BL-2

(e) L-3

(f) BL-3

(g) L-4

(h)BL-4

对上述试验梁破坏形态的分析结果见表4。对于平均裂缝间距，呈现正截面破坏的四根试验梁计算的是其纯弯段的平均裂缝间距，呈现斜截面破坏的试验梁则计算整个梁体的平均裂缝间距。对比配筋率逐渐上升的L-1～L-4及BL-1～BL-4两组试验梁，可知开裂荷载随纵向配筋率增加有小幅度上升，同时极限荷载随着纵筋配筋率的增加而显著增大。跨中最大挠度和最大裂缝宽度则随纵筋配筋率的增大而减小。对比配筋率相同而配筋形式不同的1、2、3、4四组试验梁，可见采用3根纵筋配筋的BL型梁最大裂缝宽度要显著低于2纵筋配筋的L型梁，且平均裂缝间距也比L型梁更小。这两项数值是衡量结构抗裂性能的重要指标，具有重大的工程意义。产生这种区别的原因是BL型梁使用了更细的纵筋，在相等的配筋面积下，更细的纵筋显然与混凝土有更大的粘结面积，即能提供更大的粘结力。在粘结力的作用下，钢筋与混凝土结合为一个整体共同变形，但钢筋与混凝土的弹性模量不同，导致梁底纵筋和混凝土共同受拉的过程中混凝土出现开裂。粘结力更强的BL型梁在加载时梁底裂缝会更为密集，但较强的粘结力也阻止了裂缝的进一步发展，保证在梁体破坏之前不会产生显著的变形和开裂，这在工程实际上是一个显著优点，能够防止结构出现过大的裂缝导致内部钢筋锈蚀，进而延长结构的使用寿命。

表4 试验梁试验结果一览表Tab.4 Test results schedule of concrete beams

3.2 荷载-挠度曲线

图5和图6给出了试验梁的荷载-跨中挠度曲线。由图5和图6可知，加载初期，荷载位移曲线基本呈线性增长，抗弯刚度基本保持不变，仅在裂缝开始出现后有略微衰减。当配筋率较小时，试验梁承载能力低但变形能力好。随着试验梁配筋率的增大，梁承载能力逐渐增大，BL型梁变形能力逐渐下降，但L型梁变形能力下降趋势不明显。

图5 L型梁荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load-displacement curves of L-type beams

图6 BL型梁荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Load-displacement curves of BL-type beams

图7至图10给出在四种配筋率下不同配筋形式的荷载-跨中挠度曲线对比图。由图7至图10可知，配筋率较低的L-1、BL-1、L-2、BL-2四根梁中，BL型梁较同配筋率的L型梁拐点荷载低，曲线进入非线性早，说明BL型梁较L型梁先出现初始裂纹，裂纹数略多，且BL型梁的荷载位移曲线变化过程较为连续平滑，说明BL型梁的裂纹扩展时无主裂纹产生，且裂纹扩展较为均衡，而L型梁的荷载位移曲线有突变，突变后曲线上升较为平缓，L-2梁甚至可以看成一段接近水平的直线，可能是由于L型梁在突变点附近钢筋进入塑性屈服阶段，因此荷载没有明显上升，钢筋屈服后裂纹迅速发展，导致试验梁跨中挠度持续增大。

随着配筋率提高，L-3梁和BL-3梁的曲线变化非常接近，但BL-3梁有明显的斜率变化点，这可能是由于试验梁中有新裂纹产生造成的，说明BL-3梁裂纹数较L-3梁多， BL-3梁和L-3梁在突变点附近有主裂纹产生，突变后BL-3梁较低配筋率时曲线波动小，说明突变后曲线的发展由斜主裂纹主导，很少再有新裂纹产生，表现为明显的斜截面剪压破坏形式，即当试验梁加载到一定阶段时，多条斜裂缝中的一条成为主裂缝，随着弯曲挠度的增大主斜裂缝不断向加载位置扩展，裂缝宽度增大，混凝土剪压区高度逐渐减小，最后梁因混凝土被压碎而发生破坏。当配筋率再增大时，BL-4梁的拐点荷载已经明显大于L-4梁，但在拐点后荷载却迅速下降。对比BL-4梁的破坏形态，可见其剪跨区有大量腹剪型斜裂缝，纵筋与临界斜裂缝交点附近的混凝土和加载点下方受压区混凝土均出现压碎，且跨中挠度很小，有脆性破坏特征，呈现斜压破坏。

图7 L-1及BL-1梁荷载-跨中挠度曲线Fig.7 Load-displacement curves of beam L-1 and beam BL-1

图8 L-2及BL-2梁荷载-跨中挠度曲线Fig.8 Load-displacement curves of beam L-2 andbeam BL-2

图9 L-3及BL-3号梁荷载-跨中挠度曲线Fig.9 Load-displacement curves of beam L-3 and beam BL-3

图10 L-4及BL-4号梁荷载-跨中挠度曲线Fig.10 Load-displacement curves of beam L-4 and beam BL-4

在高配筋率下，呈斜截面破坏的四根梁表现为受压区混凝土压碎和斜裂缝破坏竞争机制。L-3、BL-3和L-4梁均呈现出较为安全的剪压破坏形态，临界斜裂缝贯穿梁体和受压区混凝土压碎几乎同时发生。但BL-4在与L-4相同的纵筋配筋率下使用更细的纵筋，增加了纵筋与混凝土的粘结力，反而使剪跨区纵筋位置出现更多的粘结裂缝，与之前产生的弯剪斜裂缝交汇，加速了斜裂缝间混凝土的碎裂，令构件最终呈现脆性斜压破坏。

3.3 纵筋应变分析

图11和图12给出了各试验梁纵筋跨中处的荷载-应变关系。由图11和图12可知，当试验梁配筋率较小时，可大致将钢筋应变变化分成3个阶段。第一阶段为完全弹性阶段，曲线呈线性状态，此时试验梁还未开裂，梁下部拉力由混凝土和钢筋共同承担。第二阶段为混凝土开裂后，梁下部拉力主要由钢筋承担，但仍有部分混凝土起到了一定的抗拉作用。此阶段钢筋应变曲率明显加大，但曲线仍基本呈直线状态。第三阶段为加载后期，试验梁下部混凝土基本退出工作，梁下部纵向钢筋应变超过3 000με开始屈服，荷载-钢筋应变曲线由线性直线迅速转变为曲线，表现为荷载的微小增大便能引起钢筋应变的极大增加。随着试验梁配筋率的提高，钢筋应变的变化情况在前中期与低配筋时无异。当荷载增大至极限荷载时，纵筋应变集中于2 500με至3 500με之间，随后试验梁破坏、荷载和钢筋应变迅速下降，卸载段曲线斜率仅略低于破坏前的加载段，这表明直至试验梁破坏纵筋也没有进入屈服阶段，试验梁是由于混凝土的斜截面破坏而丧失了承载能力。

图11 L型梁荷载-钢筋应变曲线Fig.11 Load-steel strain curves of L-type beams

图12 BL型梁荷载-钢筋应变曲线Fig.12 Load-steel strain curves of BL-type beams

3.3 剪跨区混凝土应变分析

图13和图14给出了试验梁的剪跨区混凝土荷载-应变关系，该曲线表征的是剪跨区混凝土在支座与加载点连线中点处、并垂直于连线的拉应变随荷载的变化情况，可用以反映试验梁剪跨区斜裂缝开裂发展的过程。从图13和图14中可知，试验梁在受荷初期混凝土主拉应变变化小，在斜裂缝发展之前，应变均小于500με。当斜裂缝开始沿支座与加载点连线发展，混凝土应变迅速增大，该时刻对应的荷载值与实际试验观察到的斜裂缝开裂荷载符合。且对应于同一荷载时随着试验梁配筋的增加，混凝土的主拉应变逐渐减小，这也与实际情况相符。例外地，L-3梁在荷载约为26 kN时，斜裂缝已发展到应变片附近，导致荷载应变曲线的拐点过早出现。对比各曲线的特征，得知L-3、L-4、BL-3三根梁的曲线形状较为相近，纵筋配筋率更大的L-4梁应变荷载曲线在拐点之前接近线性段的部分斜率显然大于L-3梁和BL-3梁。对比L-4和BL-4两根梁的曲线，可见BL-4梁曲线更为圆滑，说明其在此方向上的应变增长更为均匀，这与BL-4梁表面出现大量腹剪型、粘结型裂纹的现象相吻合。

图13 L-3及BL-3梁荷载-混凝土应变曲线Fig.13 Load-concrete strain curves of beam L-3 and BL-3

图14 L-4及BL-4梁荷载-混凝土应变曲线Fig.14 Load-concrete strain curves of beam L-4 and BL-4

4 结论

本文对适筋范围内不同配筋率和配筋形式的钢筋混凝土梁进行了四点弯曲试验研究，得到的主要结论有：

① 配筋形式不同导致的钢筋与混凝土粘结面积不同，对四点弯加载下的钢筋混凝土梁破坏特征有很大影响。在正截面破坏时，粘结面积更大的试验梁跨中纯弯段裂缝密度更大，同时裂缝宽度变小，加载过程中的刚度衰减也更为平滑。在斜截面破坏时，粘结面积更大的试验梁整体裂缝密度更大，裂缝宽度变小，但粘结面积最大的试件梁出现斜压脆性破坏。

② 在较低的纵筋配筋率下，试验梁极限荷载较低但变形能力更好。采用粘结面积较小的配筋形式时，试验梁的极限荷载随配筋率提高而提高，而变形能力未有明显下降。采用粘结面积较大的配筋形式时，试验梁的变形能力则随配筋率提高而显著下降。采用粘结面积更大的配筋形式可以大幅减小试验梁破坏时的跨中挠度。

③ 当试验梁呈现正截面破坏，梁底纵筋已经屈服。当试验梁呈现斜截面破坏，梁底纵筋基本处于弹性阶段并会在卸载后收缩，几乎没有残余应变。无论梁底纵筋是否屈服，粘结面积更大的试验梁底部纵筋最大拉应变会略高一些。

④ 呈现斜截面破坏的试验梁剪跨区混凝土应变最大值是呈现正截面破坏的试验梁应变的数倍。此外，粘结面积更大的试验梁剪跨区混凝土应变增长更加平滑，表明其剪跨区的裂缝发展更为均匀。