水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

张洋

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610000

摘要：HRBF500型钢筋是我国自主研发的基于温控技术的高强度细晶粒钢筋，采用控轧控冷技术获取细晶结构，在合金含量保持不变的前提下有效提高了钢筋硬度。在材料要求上，混凝土材料选择水平的高低直接决定着工程质量的好坏。对于合格的混凝土建筑工程，其强度必须符合要求。而在水工结构中，HRBF500型钢筋应用实例较少，尤其是在恶劣环境下如何控制适用环境，如何对强度进行取值，如何有效放大其强度优势又理想地控制裂缝，都需要一定的实验数据支持。本文首先对试验方案进行研究，其次对试验结果进行观测与分析，然后对受剪承载力进行计算，并得出所要的结论。

关键词：钢筋混凝土；水工结构；受剪性能

1.引言

当前社会经济高速发展背景下，面对持续增加的用水量，水工工程中钢筋混凝土需要大量的在施工过程中加以运用。钢筋混凝土受剪性能否合格，在根本上会影响整个水工结构高强钢筋混凝土梁工程的施工质量。在对工程质量进行抽查、平行检验、了解堤坝混凝土质量、调查工程投诉纠纷等方面也许要混凝土梁受剪性能检测。近年来，混凝土试验技术越来越高，试验设备不断升级，为混凝土梁受剪性能试验工作提供了有益条件。

2.试验前的准备

在混凝土梁受剪性能试验前，需要实现知晓工程项目名称和施工、设计以及监理人员基本信息。要通过查阅相关资料，构件名称、尺寸、混凝土标示受剪性能有大致了解。知晓水泥品种、强度等级、稳定性、生产厂家；确定砂石品种、粒径和外加剂品种及加入量；掌握混凝土生产供应方式，查阅设计图纸和施工记录。将试验原因弄清。

3.试验方案

3.1构建加载

采用500t压力试验机，根据试验方案专门设计铰接，对其强度进行检测，以符合试验设计要求。在支座和加荷处加设宽100mm、厚25mm的钢板，以避免混凝土边缘部位破损。准备工作主要是将台座和支座衔接处用润滑油擦拭，以确保最佳受力性能。侧面设置吊环两组，用以配合试验天车进行吊装。借助水准尺对两支点位置准确定位，确保两支点保持水平。试件、支座、台座三者之间应保持严丝合缝，并填入高强度水泥砂浆确保不留缝隙。为便于缝隙观测，可在构件两侧均匀涂抹一层白浆，并均匀划分成单元格。

3.2试验构件设计

本次进行12根主尺混凝土梁的受剪力试验，变化参数主要包括强度、配箍率、剪跨比、箍筋强度、纵筋率等，其中11根矩形梁（10根简支梁，1根悬臂梁），1根T型梁，现场配比并浇筑，每个试件预留标准尺寸试件3组，与构件在相同环境下养护，选取直径各不相同的钢筋的中间部位进行拉伸，测定其剪力强度。实测混凝土及钢筋强度参数见表1。

3.3数据采集

根据构件参数，初步计算受剪极限。根据行业标准，按照10-15%极限承载力分级加载，在接近极限承载力时按5%承载力加载。全部设备就绪后开始预加载试验，试验应变计、压力机等工作性能。加载过程中要保持均匀施加直到接近预设负载值，当达到预设负载值时保持该状态1/2h后采样。根据剪跨比的差异，构件4个面分别对称贴入4组电阻应变计，来采集斜缝部位可能会产生的箍筋应变，应变计应采用防水胶进行粘贴，用树脂材料在外侧密封，强度设置符合标准后用万用表对应变计逐一测试，都符合标准后浇灌混凝土。为避免混凝土胀列，可交叉设计5道方木用以支撑，钢筋绑扎和混凝土浇筑在现场完成。为测试混凝土应变情况，可在剪跨区中点部位贴入4组应变计，采用应变测试仪进行数据收集。

4.结果与分析

4.1构件变形规律

通过试验发现，在外负荷加载作用力下，构件的受力形态以裂缝为界限分成了两个区域——斜向开裂前和斜向开裂后。加载初期并未产生裂缝，当构件处在弹性受力状态时，挠度较小。此次试验中HRBF500构件剪力受到了显著的破坏，构件斜向开裂时，其挠度为1.25mm，而从挠度形成趋势来看，裂缝左右边界处的挠度并未剧烈变化，斜率大致保持不变，挠度在开裂前后大致呈上升趋势，幅度很小，增幅在0.5mm以内。随着负载缓慢增加，挠度也随之增加，且挠度与负载不再成比例上升，即挠度增加的速度要高于负载增加的速度，特别是在后期，即使负载增加幅度不大的情况下挠度却仍然显著上升，在临界点时负载不再增加，挠度仍旧上升，直到破坏。

4.2构件箍筋力及裂缝扩张规律

构件斜向撕裂前，构件变形不大，这时的构件外部负载微弱，构件尽在弯曲部位产生个别90度角裂缝，高度和宽度都比较小。随着负载的提升，90度角裂缝高度随之上升，但宽度没有随之增加。试验显示，当负载上升至约为25%以上极限负载时，裂缝会突然产生，且一出现就形成了较高的延展性，延长度在72mm至146mm之间，但裂缝出现时宽度不大，为0.02mm至0.05mm。

通过测试构件在负载范围内对应的箍筋应变数据可以得出，随着箍筋应力突然提高会产生显著拐点，拐点形成后箍筋应变缓慢增加。因此可以得出，当斜裂缝开始产生以后原来由混凝土负载的剪应力转由箍筋承载。但我们发现，斜裂缝在初期产生时箍筋应力虽然突发形成，但幅值变化不明显，且其上升的速度不高于斜裂缝陆续出现后箍筋应力的增加速度。随着负载的逐渐增加，构件进入斜裂缝缓慢扩大阶段，挠度随之不断提高，新的斜裂缝也陆续产生。加载到极限时，构件发出异常响声，斜裂缝加快向两侧分开，使整个构件显著变形，因此施加的负载也难以保持稳定，有快速减少的趋势。上半部分减压区混凝土表层出现脱落现象，负载持续降低，结果是构件上半部分混凝土被压碎破坏。

5.受剪承载力计算分析

本试验采用《水工混凝土结构设计规范》规定的公式进行计算，根据试验结果可得VS1/Vu、VS2/Vu对比曲线图，由图数据可得，这些试验构件按实际测出的强度测算的剪力VS1与实际测量的破坏剪力Vu的比值呈现一定规律，所有构件的VS1/Vu比值均在0.5-1之间，实测值均大于计算结果，VS1/Vu均值为0.621，小于1，变异系数为0.186。所有构件的VS2/Vu比值均在0-0.5之间，实测值均大于计算结果，VS1/Vu均值为0.397，小于1，变异系数为0.169。因此，按照上述设计规范计算的结果均不高于试验实测结果，说明安全储备较好。

6.提升试验水平的建议

6.1健全法律法规体系

工程质量管理法规体系是实施钢筋混凝土梁受剪性能试验的重要依据，也是维持工程质量检验有序开展的基本保障。因此，要高度重视检测行业法律法规制度建设，对检测机构及检测行为做出全面、详细的规定，完善法律监督机制。

6.2严格执行检测市场准入制度

在经济社会体制下，比较成功的工程试验经验是投入大量精力、建立严格的试验人员市场准入制度和第三方检测机构的资质审批管理，有效约束从业组织和从业个人。只有钢筋混凝土试验检测人员达到了必备的条件要求，才能够获较好的试验效果。

6.3确保试验费用和试验技术

检测费用的专项投入是钢筋混凝土梁受剪性能试验结果无误性和有效性的有力保障。在实际工作中，概、预算必须将该项费用开列，专款专用，不得挤占，以确保试验所必备的材料达到完备。及时运用新工艺、新方法、新材料，对检验技术进行更新，最大化实现钢筋混凝土受剪性能质量的提高。

7.结束语

配置HBRF500高强箍筋混凝土梁的开裂规律和受力特征与普通箍筋混凝土梁一致，其受剪承载力可按照现行有效规范公式进行测算，且安全储备性能较高。综合上述试验，通过对正常使用极限状态进行测算，得出此种型号混凝土梁的抗拉强度设计为360MPa时，斜裂缝宽度满足正常使用极限要求。

参考文献：

[1]林双平.建筑高强抗震钢筋[J].金属热处理，2012，（37）.

[2]李朋.水工结构高强钢筋混凝土梁受剪性能试验研究[J].实验力学，2016，（02）.

[3]黄勇.钢管混凝土短柱（剪力键）受剪性能试验研究[J].建筑结构学报，2011，（12）.

作者简介：张洋男（1979-01）本科高级工程师主要从事水工设计工作。