钢纤维钢筋混凝土受扭构件试验设计与数据分析

代洪伟 赵燕茹

1. 内蒙古建筑职业技术学院 内蒙古 呼和浩特 010070 2. 内蒙古工业大学土木工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051

在工程结构中，混凝土构件受扭现象普遍存在，例如悬挑结构雨篷梁等，受扭构件应力状态相对比较复杂，在结构设计时配筋与普通钢筋混凝土构件位置相反，受扭位置混凝土上部钢筋排布相对密集，一定程度上影响了混凝土的浇筑，同时混凝土由于施工浇筑等原因，使其内部具有一定的微裂缝，从而在外力作用下，降低了混凝土的力学性能。钢纤维对混凝土基体的增强作用，国内外学者对其进行了深入的研究，赵国藩等[1]系统研究了混凝土机体中合理的钢纤维掺入量，研究表明：混凝土中钢纤维掺入0.5%-2%为宜，掺入量低于0.5%，强度增加不明显，高于2%混凝土内部会出现蜂窝、孔洞等；高丹盈等[2,3]研究了钢纤维混凝土基本理论以及钢纤维混凝土设计与应用；代洪伟等等人研究了钢纤维混凝土配合比设计及抗压性能[4]；赵燕茹等对钢纤维钢筋混凝土受扭构件进行了强度试验与有限元模拟分析[5,6]。本文主要研究钢纤维的掺入对混凝土抗压强度与抗扭强度以及破坏形态的影响。

1 钢纤维混凝土试验设计

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥（42.5）；中砂，细度模数2.79，含泥量1.79%；粗骨料碎石粒径5mm-20mm,含泥量＜1%；钢纤维主要性能指标见表1。

表1 钢纤维性能指标

1.2 钢纤维混凝土配合比设计

钢纤维混凝土配合比设计应该考虑混凝土耐久性、和易性；同时钢纤维掺入量一定要经济合理，降低钢纤维混凝土成本。

本试验混凝土强度确定为C30，采用绝对体积法用钢纤维等体积替代部分骨料[8]，最终本试验的配合比见下表2。

表2 钢纤维混凝土配合比

1.3 抗压强度试验设计

抗压强度试验采用立方体标准试件，C30混凝土，试件共5组，各组试块按0%，0.5%，1%，1.5%，2%等体积钢纤维替代粗骨料，标准养护28天后，按规范要求进行抗压强度试验。

1.4 钢纤维钢筋混凝土抗扭试验

1.4.1 构件设计

本次试验共浇筑14根钢纤维钢筋混凝土矩形构件，各构件的支座约束方式、构件长度、截面尺寸、配筋率、构件材料机体强度及其加载方式完全相同；其中有6根对比矩形构件，既两根不掺钢纤维的梁，4根减少箍筋的矩形构件，其它8根梁按钢纤维体积掺量0.5%、1%、1.5%、2%每种制作2根；构件的实际长度L=1.2m，构件受扭段有效长度为1m；截面尺寸150mm×240mm,试验构件的混凝土设计强度等级为C30，纵筋和箍筋均采用HPB235钢筋[9]，构件制作按规定 执行。

试验构件配筋：图1为适筋梁配筋图；图2构件纵筋配筋与图1相同，与图1比较减少两根箍筋的梁配筋图。

图1 适筋梁配筋图

图2 减少箍筋构件配筋图

1.4.2 应变片的布置

（1）钢筋应变片的布置及编号

构件纵筋筋应变片主要布置在每根钢筋1/4、3/4位置钢筋上，箍筋应变片布置在约1/4、1/2、3/4位置箍筋上，见图3、图4。

图3 钢筋应变片编号

图4 钢筋应变片编号（少筋）

（2）混凝土应变片的布置及编号

混凝土应变片主要布置在受扭构件有效长度1/4、1/2、3/4位置混凝土构件表面正面与侧面上，见图5。

图5 混凝土应变片编号

1.4.3 加载装置设计

本试验设计了一个实现纯扭受力状态的加载装置[10]，图6（a）所示，两端按构件尺寸设计，并经加工焊接而成金属盒，左端金属盒与支架焊接而成固定端约束，右端金属盒焊接在加载圆盘上，加载盘图6（b）偏心位置安装钢丝绳，千斤顶拉动钢丝绳对构件轴心产生力矩，另一端支座约束处产生约束反力矩，两端形成一对力偶，图6（c）所示，从而在构件中间段产生扭矩。

图6 加载装置简图

采用静力加载方案，利用手动千斤顶分级进行加载，加载数值通过与传感器（已标定）连接的应变仪（型号：TS3860）来控制，从而采集记录到混凝土、钢筋的应变值。加载需先预载，待构件稳定确定无问题后，卸掉预载，然后分级加载，直至构件破坏。加载过程中，及时记录仪表数值，观察试验试件裂缝开展情况，并用记号笔详细绘出裂缝的开展顺序及分布情况。

2 试验结果与数据分析

2.1 抗压强度试验

2.1.1 受压构件破坏形态

图7分别为钢纤维含量为0%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维混凝土试块受压破坏形态图，从试验过程发现：普通混凝土标准立方体试件与掺入钢纤维的混凝土立方体试件破坏形态与过程有很大的不同，普通混凝土标准立方体试件在受压时，荷载达到强度极限值时，试件表面出现一条竖向主裂缝，立即破坏，荷载值迅速降低，失去抵抗破坏能力，具有混凝土脆性破坏特点；从图7（b）、（c）破坏形态可以看出，破坏面为45°斜裂缝，具有剪切破坏特征；为当混凝土中掺入钢纤维后，试块的极限抗压强度和极限应变都有所增长，特别是在荷载达到极限荷载后试件并不立即破坏，而是随着变形的增长，试块侧面出现45°斜裂缝，其它表面无明显裂痕，出现细微裂缝，承载力逐渐下降，当试验中继续加载，形成宏观裂缝而破坏；试块无明显碎裂，表现出钢纤维混凝土“裂而不散”的特点，见图7。

图7 不同体积率的钢纤维混凝土抗压试块破坏形态

2.1.2 受压试件试验结果

本次抗压强度试验强度计算方法按下式：

由以上计算方法计算试验结果见表3。

由表3可以看出：在混凝土基体中掺入钢纤维0.5%、1.0%、1.5%、2.0%体积率时，抗压强度分别提高了5.9%、9.3%、12.8%、14.3%。可以看出抗压强度随钢纤维掺量的增加有所提高，钢纤维掺入混凝土基体后，阻止了混凝土裂缝的扩展，从而提高了混凝土的抗裂能力，且随钢纤维含量的增加而增加。

由表3可以看出，随钢纤维含量的提高，抗压强度提高的幅度有所下降，说明在基体强度一定的情况下，钢纤维对混凝土的抗压性能的提高是有限的。当钢纤维体积率在1.0%-2.0%范围内时，钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用较好。

表3 试验处理结果

2.2 抗扭强度试验

2.2.1 构件破坏过程和破坏形态

图8与图9分别为为钢纤维含量为0%的对比构件L0与钢纤维含量为1.5%的试验受扭构件L1.5破坏形态图。

图8 L0最终破坏形态对比试件L0（1.5%）

图9 L1.5最终破坏形态对比试件（0%）

从图8试验过程和最终破坏形态可以看出：不掺入钢纤维混凝土受扭构件，在荷载12KN时出现0.1mm宽裂缝；荷载13KN时出现三条间距为30cm－35cm的45°斜裂缝，中部裂缝最宽，为0.5mm；荷载14KN时，裂缝变形增大，构件开始丧失承载能力，构件最终破坏，裂缝宽度达到1.9mm，肉眼能明显看出裂缝见出现混凝土碎块，如图8所示。

从图9试验过程和最终破坏形态可以看出：掺入钢纤维含量为1.5%的受扭构件，整个破坏过程与步掺入钢纤维的构件破坏形态有很大的不同；构件开裂荷载16KN、破坏荷载24KN，无明显主裂缝。构件出现分布密集的45°斜裂缝，裂缝窄而密，1mm以内的裂缝最多，最小0.1mm，局部有钢纤维被拔出；靠支座端局部最大1.2mm，非主裂缝，分析与端部集中荷载有关。

钢纤维混凝土与普通钢筋混凝土构件在破坏形态上的主要区别在于极限破坏时构件整体上的完整性。此外，钢纤维混凝土在破坏时不像普通混凝土那样突然，而是有一个相对平缓的应力平台，这也说明钢纤维混凝土具有很好的延性。

2.2.2 构件承载力

从加载装置示意图（图6）上可以计算出：构件所受的扭矩为0.31F，经计算构件的承载力见表4所示。

从表4可以看出，钢筋混凝土中掺入钢纤维后，构件的开裂扭矩和极限扭矩都有很大程度的提高，特别是极限扭矩提高幅度更大；构件LS0.5、LS1.0、LS1.0尽管减少了箍筋，但是开裂和极限扭矩仍有一定程度的提高，说明钢纤维对于提高钢筋混凝土的受扭性能还是很明显的。

表4 构件的承载力

2.2.3 钢筋荷载—应变曲线及其分析

图10为纵筋荷载—应变曲线图。

从图10纵向钢筋荷载—应变曲线可以看出：未掺钢纤维的混凝土受扭构件破坏过程主要包含两个阶段，第一阶段是开裂前的阶段，该阶段构件能抵抗破坏荷载；第二阶段为荷载达到受扭构件出裂荷载后，构件迅速失去抵抗能力，直到构件破环。

从图10可以看出掺入钢纤维的构件破坏过程也主要包含两个阶段，第一阶段与未掺钢纤维的混凝土受扭构件破坏过程类似，荷载应变线性变化，但出裂荷载随钢纤维含量的增加而显著提高，说明钢纤维对受扭构件的强度提高明显；第二阶段与未掺钢纤维的构件不同，受扭构件在出现裂缝后，钢纤维开始发挥抗裂作用，从而能持续抵抗荷载，随钢纤维的含量增加，破坏荷载也增加。这就表明混凝土构件中掺入钢纤维能有效提高构件的抗扭承载力。

图10 L0、L0.5、L1.0、L1.5、L2.0纵筋应变片13反映的荷载—应变

4 结论

（1）混凝土中掺入钢纤维对混凝土的抗压强度提高未超过20%，不如抗弯强度提高明显。

（2）抗扭构件受载第一阶段与未掺钢纤维的混凝土受扭构件破坏过程类似，荷载应变线性变化，但出裂荷载随钢纤维含量的增加而显著提高，说明钢纤维对受扭构件的强度提高明显；第二阶段与未掺钢纤维的构件不同，受扭构件在出现裂缝后，钢纤维开始发挥抗裂作用，从而能持续抵抗荷载，随钢纤维的含量增加，破坏荷载也增。

（3）混凝土中掺入钢纤维能有效的抑制钢筋混凝土受扭构件裂缝的过快发展，另一方面又能促进斜裂缝在更广的区域发展，使得开裂后的构件裂缝变细变密，这也是与不掺入钢纤维钢筋混凝土受扭构件破坏形态上的最大区别之处。