高性能混凝土梁受力性能试验研究Ξ

田洪臣1,肖建庄2,吕式孝3

(1.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018;

2.同济大学,上海200092;

3.莱芜钢铁集团公司,山东莱芜271104)

摘　要:通过6根模型梁的三分点加载试验,对高性能混凝土梁的正截面受力性能进行了试验研究,研究了掺加高效减水剂,粉煤灰、磨细矿渣的高性能混凝土梁的正截面受力性能,并将试验结果与有关混凝土结构设计规范的计算值对比分析,验证了混凝土结构设计规范(G B50010-2002)、高强混凝土设计与施工规程(CECS104:99)对高性能混凝土梁的正截面设计计算的适用性,为大掺量外掺料高性能混凝土在工程上的应用提供了试验依据。

关键词:高性能混凝土;梁;受力性能

中图分类号:TU52831　　文献标识码:B

Experimental R esearch on the Stress Behavior

of High Performance Concrete Beams

TIAN Hong2chen1,XIAO Jian2zhuang2,LΒShi2xiao3

(1.College of Water Conservancy and Civil Eng.,Shandong Agri.Univ.,Taian,Shandong271018,China;

2.Tongji University,Shanghai200092,China;

3.Laiwu Iron and Steel Group Co.,Laiwu,Shandong271104,China) Abstract:This paper expounds an experimental study on the stress behavior of high performance concrete beams with tests of6specimens and makes a detailed analysis and comparison of the stress behaviors of high performance concrete beams respectively mixed with superplasticizer,fly ash and blast furnace slag.A com2 parison is also made between the test results and the theoretical calculation.The com parison proves the ap2 plicability of the design norm for concrete structures[G B50010-2002]and the technical specification for high strength concrete structures[CECS104:99]to the design and calculation of the stress capacity of high perfor2 mance concrete beams,thus providing a basic test support for the employment of high performance concrete with large quantity of mineral admixtures.

K ey w ords:high performance concrete;beams;stress behavior

　　20世纪80年代末到90年代,国家对高强混凝土结构性能及设计方法等一系列研究,主要是针对高强混凝土的力学性能、高强混凝土结构性能及设计方法(C50～C80)等。《混凝土结构设计规范》(G B50010-2002)[1]在混凝土强度适用等级上,综合了旧规范(G BJ10-)[2]和《高强混凝土结构技术规程》(CECS104:99)[3],结合在混凝土材料性能方面的试验数据对一些系数进行了调整,但未反应出高性能混凝土在结构计算中与普通混凝土或与高强混凝土的不同之处。本试验主要是对高性能混凝土梁的受力性能进行试验研究,研究高性能混凝土单筋梁的正截面承载力计算和正常使用极限状态验算是否符合《混凝土结构设计规范》(G B50010-2002)的计算方法,也验证《高强混凝土结构设计规程》CECS104:99的修正值是否适用于高性能混凝土。

1　试验设计

Ξ收稿日期:2005-07-20

作者简介:田洪臣(19632),男,讲师,硕士,从事建筑结构、建筑施工及工程项目管理研究.

1.1　试件设计

试验梁数量为6根,编号为L1～L6。L1为未掺加任何外加剂和掺合料的普通混凝土梁,L2为仅掺加高效复合减水剂的梁,L3为掺加减水剂和矿渣的梁L4、梁L5和L6为掺加减水剂和粉煤灰的梁。试验梁截面尺寸为150mm ×100mm (高×宽),跨度1.0m ,截面配筋见图1。试验梁的其它参数见表1

。

图1　试验梁截面尺寸、加载和测点布置图

Fig.1Layout of section dimension ,loading and measuring points

of the testing beam

1.2　试验材料

试件高性能混凝土配合比见表2。受力钢筋采用Ⅱ级钢,箍筋采用Ⅰ级钢。受力钢筋的屈服强度365N/mm 2,弹性模量E 为2.1×105N/mm 2。预留混凝土试块,测得其28天的立方体抗压强度和抗折强度见表3。

表1　试验梁的基本参数

Table 1Basic parameters of testing beams

试件编号保护层厚度

(mm )

断面尺寸

(mm )长度

(mm )剪跨

(mm )主筋

箍筋

配筋率ρ(%)

L115100×155********<12 1.614L215100×150********<12 1.674L3

15100×155********<12 1.614L415100×155********<12 1.614L515100×152********<12 2.474L6

15

100×153

1000

360

2<10 1.138

2<12

表2　混凝土配合比

Table 2Blending ratio of concrete

试件编号

设计强度

水泥

kg/m 3石子

kg/m 3砂

kg/m 3粉煤灰

kg/m 3

磨细矿渣

kg/m 3

砂率

%外加剂

kg/m 3

坍落度

kg/m 3水胶比

L1L2L3L4L5L6

C40C60C60C60C60C60

415441339388388388

10921159960967967388

698680785729729729

///166166166

//146///

373745434343

/8.828.7311.3611.3611.36

3.5

4.52023.523.523.5

0.470.330.330.280.280.28

表3　混凝土的立方体抗压强度和抗折强度

Table 3Strengths of concrete cube

试件编号

混凝土设计标号

立方体抗压强度(MPa )

抗折强度

(MPa )L1C4045.5 5.70L2C6060.27.13L3C6063.57.57L4C6057.8 6.27L5C6057.8 6.27L6

C60

57.8

6.27

1.3　试验方法和加载制度

试验研究高性能混凝土梁的受力性能,研究的重点是正截面承载力及变形性能,因此试验梁

采用单筋梁,并采取三分点加载法,研究梁中部纯弯段的承载力与变形性能。鉴于上述要求,试验加载方案采用分级加载方式,以5kN 为一级,逐级往上加载直至梁破坏。1.4　测点布置和量测内容1.4.1　测点布置

测点布置及试验梁见图1。1.4.2试验测试项目

①测定试验梁的开裂弯矩及极限弯矩;②在纯弯段梁侧表面,粘贴5X100混凝土电阻应变片4条,测量混凝土的应变,以判定试验梁是否符合平面假定;

③在梁中心下部布置百分表,测量梁的跨中挠度,以绘制梁的M -f 曲线;

111第1期　　　　　　　　　　田洪臣等:高性能混凝土梁受力性能试验研究　　　　　　　　　　

④裂缝条数及平均裂缝间距;

⑤测量混凝土梁下部受拉钢筋水平面的裂缝宽度,确定平均裂缝宽度与最大裂缝宽度。

2　试验结果与分析

2.1　试验过程

在试验逐级加荷过程中,通过量测得到的跨中挠度、混凝土与钢筋应变值,绘制梁M -f 曲线(图2),看出高性能混凝土梁与普通混凝土梁同样具有正截面工作的3个工作阶段,

即可以将梁的受力和变形过程划分为弹性工作阶段、开裂阶段与极限阶段[4]。2.2　试验结果

①平截面假定

应变量测结果表明,所有试验梁平均应变沿梁高基本符合平截面假定,典型试件的平均应变沿截面高度分布情况如图3。

图2　试验梁L2的M -f 曲线图

Fig.2M -f curve of testing beam L2

　　②弯矩—挠度(M -f )曲线

所有试验梁的弯矩一挠度曲线,在开裂前曲线几乎是直线,开裂后,构件刚度降低。当受拉钢筋屈服后,构件刚度迅速降低。

③裂缝宽度试验梁的实测最大裂缝宽度和平均裂缝间距见表4。

图3　典型梁平均应变沿截面高度分布图

Fig.3Distributable figure of average strain along section height on typital beams

表4　梁的最大裂缝宽度Wmax 和平均裂缝间距Lm

Table 4Maximal crack width and average crack distace of beams

试

件编号

混凝土立

方体抗压强度(MPa )弯矩M (KN ・M )M/Mu

最大裂缝宽度

W max (mm )平均裂缝间距

L m (mm )L145.57.20.670.10256L260.27.20.630.10059L363.57.20.620.10262L457.87.20.600.09851L557.810.80.670.09656L6

57.8

3.6

0.54

0.082

130

2.3　试验结果分析

2.3.1　高性能混凝土粱与普通混凝土梁的正截

面承载力对比分析

试验梁的实测弯矩和理论弯矩见表5,从表5看普通混凝土梁、普通高强混凝土梁和高性能混

凝土梁的实测极限弯矩M μ实与理论计算弯矩M μ理的比值相差不是太大,且高性能混凝土梁的M μ实/M μ理大于普通混凝土梁的M μ实/M μ理,也即

高性能混凝土梁正截面承载力计算方法可采用现行混凝土结构设计规范(G B50010-2002)和高强混凝土结构技术规程(CECS104:99)所规定的取值和计算公式计算,计算结果偏于安全[5]。2.3.2　高性能混凝土梁与普通混凝土梁的抗裂

性能对比

在混凝土强度相近前提下,对普通混凝土梁与高性能混凝土梁的开裂弯矩Mcr ,平均裂缝间距L m ,最大裂缝宽度W max 的实测值与计算值进行对比,见表6。

从表6的对比中看到,由于掺加矿渣和粉煤灰,高性能混凝土梁的开裂弯矩有降低的趋势。而从掺加矿渣和掺加粉煤灰的对比中,掺加矿渣

2

11山东科技大学学报(自然科学版)　　　　　　　第25卷

一些研究表明[6],旧混凝土结构设计规范(G BJl0—)对混凝土受拉的塑性影响估计过高,认为规定的矩形截面的γm=1.75取值偏高,因此在高强混凝土结构技术规程(CECS104:99)混凝土结构设计规范(G B50010-2002)中,对高强混凝土的截面抵抗矩塑性系数γm调整为1.55(矩形截面)。在本次试验中,发现高强混凝土,尤其是掺加掺合料的高性能混凝土梁的开裂弯矩相对有所降低,如L2、L3、L4在理论计算中若取γm= 1.75,则其M cr实/M cr理别为1.20、1.16、1.13,小于L1的M cr实/M cr理,即上述高估现象确实存在,但对于C60级混凝土,为偏于安全,可以按照混凝土结构设计规范(G B50010-2002)设计。

表5　普通混凝土与高性能混凝土的极限弯矩对比表Table5Distributable figure of average strain along section height

on typital beams

试件编号实测极限

弯矩Mμ实

(kN・m)

对比梁间

实测极限

弯矩比

理论极

限变矩

Mμ理(kN・m)

Mμ实/

Mμ理

L1 L2 L3 L410.80

11.70

11.97

11.52

1.00

100

1.02

0.98

9.62

9.82

10.31

10.19

1.123

1.191

1.161

1.131

表6　普通混凝土梁与高性能混凝土梁开裂弯矩对比表Table6comparable table of crack moment on normal concret

and hight performance concret

试件编号实测开裂

弯矩M cr实

(kN・m)

对比梁间

实测开裂

弯矩比

理论开裂

弯矩M cr理

(kN・m)

M cr实/M cr理

L1 2.75 1.00 2.24 1.23 L2 2.82 1.00 2.08 1.36 L3 2.90 1.03 2.22 1.31 L4 2.740.97 2.15 1.273　结论

通过上述试验和分析,得到下述结论:

(1)普通混凝土梁和高性能混凝土梁的正截面极限抗弯能力在混凝土强度等级相同时差别不大,当混凝土强度增大时,其极限弯矩仅略有提高,这说明混凝土抗压强度对于适筋截面抗弯能力的影响不大。

(2)对比掺加高效减水剂、粉煤灰、磨细矿渣对混凝土梁的极限弯矩的影响,可知掺加高效减水剂对混凝土梁极限弯矩的贡献最大,原因是增加高效减水剂后,混凝土的和易性提高,混凝土梁在材料上的不均性等因素影响降低,以及密实度提高等。掺加磨细矿渣对混凝土强度的提高较掺加粉煤灰要明显,相对其梁的极限抗弯承载力也略有所提高。

(3)提高受拉钢筋的配筋率(在适筋梁范围内)可显著提高混凝土梁的极限弯矩,对混凝土梁的开裂弯矩也有一定的提高,但其变形性能有所降低。相对而言,高性能混凝土梁在较高的配筋率情况下,其受力性能优于普通混凝土梁。

(4)对于掺加外掺料的高性能混凝土梁,其开裂弯矩有下降趋势,尤其是掺加粉煤灰的高性能混凝土梁的开裂弯矩要略低于普通混凝土。对于抗裂验算中的截面抵抗矩塑性系数γm的取值,采用γm=1.55是安全合理的。

参考文献:

[1]混凝土结构设计规范(G B50010-2002)[S].

[2]混凝土结构设计规范(G BJ10-)[S].

[3]高强混凝土结构技术规程(CECS1049:99)[S].

[4]丁大钧.钢筋混凝土构件抗裂度、裂缝和刚度[M].南

京:南京大学出版社.1986.

[5]尹键.高强高性能混凝土极限拉应变性能研究[J].工

业建筑,2000,(7).

[6]将永生.高强钢筋混凝土受弯构件的性能试验研究

[J].建筑结构学报.1998,(2).

311

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