混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算方法

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摘要：

采用正交试验法设计钢聚丙烯混杂纤维高性能混凝土（简称hpc）深梁试件，通过静力试验研究混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算方法。正交试验中考虑的因素主要有钢纤维特征参数（类型、体积率、长径比）、聚丙烯纤维体积率、水平及竖向分布钢筋配筋率等。结果表明：混杂纤维能改变无腹筋HPC深梁的受剪破坏形态；混杂纤维的掺入使得HPC深梁的剪切初裂强度和抗剪极限强度明显提高，其平均提高幅度分别为45.2%和25.6%。将塑性理论应用于混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算得到了很好的结果，分析表明水平及竖向分布钢筋配筋率的大小对混杂纤维HPC深梁抗剪强度的影响不显著，但水平分布钢筋的作用大于竖向分布钢筋。分析了混杂纤维的增强机理，提出了基于“拉杆拱”模型和劈裂破坏计算模式的混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算式。

关键词：

混杂纤维；高性能混凝土；深梁；正交试验；受剪承载力；计算方法

中图分类号：

TU375.1

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）01003305

钢纤维混凝土具有优良的抗拉、抗剪、抗震等力学性能，聚丙烯纤维混凝土韧性高、阻裂效果好，且价格便宜，而钢聚丙烯混杂纤维高性能混凝土兼具两者的优点，具有良好的正混杂效应[1]。随着城市经济的不断发展，愈来愈多的高层、超高层建筑、大跨度桥梁不断涌现，高性能混凝土和深梁在土木工程中的应用越来越广泛，常见的深梁有转换层大梁、地下室墙壁和墙式基础梁等[2]。深梁由于自身的受力特点，常常会发生受剪破坏。各国学者[35]已经探讨了钢纤维增强混凝土深梁和聚丙烯纤维增强混凝土深梁的受剪承载力计算方法，但有关混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算方法的研究还鲜有报道。《纤维混凝土结构技术规程》（CECS 38：2004）[6]还没有对混杂纤维高性能混凝土深梁的设计和施工提出相关规定。为建立混杂纤维高性能混凝土深梁受剪承载力计算公式，结合正交试验方法，制作20组HPC深梁试件，其中2组为不掺纤维的HPC深梁对比试件。

刘胜兵，等：混杂纤维HPC深梁受剪承载力计算方法

1试验概况

18组混杂纤维HPC深梁依照L18（21×37）正交表设计并制作，2组不掺纤维的HPC深梁作为对比试件同时制作。正交设计的因素及水平安排见表1。试验中对比深梁的混凝土强度为C50，采用标准试验方法测得其立方体抗压强度为52.1 N/mm2。试验中采用的6种钢纤维长度均为32 mm，聚丙烯纤维采用美国杜拉纤维，长度为19 mm。各组混杂纤维HPC的相关参数及强度试验结果详见文献[7]。

20组深梁均为简支深梁，采用跨中单点集中加载，剪跨比均为1，跨高比均取1.6，长1 040 mm，截面尺寸均为150 mm×500 mm。深梁部分参数及试验结果见表2，其他相关参数详见文献[8]。

2试验结果及分析

2.1破坏形态

全部深梁试件均发生剪切破坏，破坏形态详见表2。对比深梁C1、C2破坏形态均为劈裂破坏，见图1。混杂纤维HPC深梁典型的破坏形态见图2，分为斜压破坏和劈裂破坏2种形态。试验中，掺入混杂纤维的高性能混凝土无腹筋深梁BF121和DF232均发生斜压破坏，而无腹筋对比深梁C2发生劈裂破坏，可见混杂纤维的加入可改变无腹筋深梁的受剪破坏形态。

2.2剪切初裂强度及抗剪极限强度

由表2可知，混杂纤维的掺入显著提高了HPC深梁的剪切初裂强度和抗剪极限强度。剪切初裂强度平均提高45.2%，抗剪极限强度平均提高256%。

2.3增强机理分析

纤维对高性能混凝土基体的作用主要体现在阻裂、增强和增韧3方面。由于纤维能提高混凝土抗拉强度，使得以主拉应力控制的抗剪强度也同时提高。有限元分析表明，混杂纤维HPC深梁应力分布符合“拉杆拱”模型。深梁开裂的原因是由于混凝土主拉应力达到极限强度，开裂前拉力主要由混凝土承担，开裂后混凝土失去抗拉能力，此时跨越微裂缝的钢纤维和聚丙烯纤维开始承担拉力，随着微裂缝继续发展，混杂纤维承担的拉力越来越大。纤维使得深梁的整体性得以增强，从而也相应提高了深梁斜截面初裂强度。钢纤维的作用类似箍筋，能起到一定抗剪作用，从而降低跨越斜裂缝的分布钢筋应力。另外，纤维还能强化斜裂面骨料的咬合力和摩擦力，相应增强了钢筋的销栓作用，强化了深梁中的“拉杆拱”作用。混杂纤维高性能混凝土的极限应变也得到了提高，相应地提高了深梁斜截面受剪承载力。

3斜截面受剪承载力计算公式

3.1基于塑性理论的计算公式

各国学者利用塑性理论对混凝土构件及结构进行过很多分析，其中赵军等[9]利用塑性理论提出了与普通混凝土深梁相衔接的钢筋钢纤维混凝土深梁受剪承载力计算公式。笔者借鉴这一方法，采用塑性理论推导混杂纤维HPC深梁的受剪承载力计算公式。

屈服条件借鉴文献[10]中的钢纤维混凝土的屈服条件。屈服条件可表达为