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剪跨比对高强混凝土牛腿破坏形态影响的试验研究

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解伟王昊坤李树山

摘要：本文依据3个小剪跨比高强混凝土牛腿构件在竖向荷载作用下的受剪破坏试验结果，对不同剪跨比条件下牛腿构件的破坏过程和破坏形态进行了对比分析，总结了剪跨比对牛腿构件承载能力的影响规律。结果表明，小剪跨比牛腿的破坏形态可具体分为斜剪破坏和斜压破坏两种，剪跨比增大会导致牛腿的承载能力减小。

关键词：牛腿;剪跨比;破坏形态;承载力

中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0111-03

Abstract： Based on the shear failure test results of three high-strength concrete corbel members with small shear span ratio under vertical load， the failure process and failure mode of the corbel members with different shear-span ratio were compared and analyzed， and the influence law of shear-span ratio on the bearing capacity of the corbel members was summarized in this paper. The results show that the failure modes of the corbel with small shear-span ratio can be divided into two kinds， namely diagonal shear failure and diagonal compression failure， the increase of shear-span ratio will lead to the decrease of the bearing capacity of the corbel.

Keywords： corbel;shear-span ratio;failure mode;bearing capacity

钢筋混凝土牛腿作为一种悬臂支撑结构，是桥梁、水工结构中重要的竖向承重构件，一旦出现开裂或破坏，将有可能造成严重的工程质量事故。因长牛腿（剪跨比>1）受力情况近似于悬臂梁，其承载能力可参照悬臂梁计算，而小剪跨比牛腿（剪跨比<1）多为非受弯构件，承载能力分析和计算相对复杂，小剪跨比牛腿破坏形态的研究对其配筋及尺寸设计、受剪机理分析以及承载能力预测的合理性至关重要。国内外的许多专家学者针对牛腿的破坏形态和受力性能进行了大量的试验和理论研究[1-8]，但其中大多数以普通混凝土为研究对象，小剪跨比高强钢纤维混凝土牛腿的破坏形态则有待进一步研究。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

参照我国现行的《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）和《纤维混凝土结构技术规程》（CECS 38—2004），本试验共设计制作3个剪跨比（剪跨段长度）分别为0.2（170 mm）、0.3（260 mm）、0.4（340 mm）的小剪跨比牛腿构件，其中配置了4C25、配筋率为0.55%、实测屈服强度为525 MPa的HRB400纵向受拉钢筋和A14@100、配筋率为0.77%、实测屈服强度为276 MPa的HPB300水平箍筋，构件尺寸、钢筋及其应变片布置情况如图1所示。所有试件混凝土基体设计强度为C60，骨料采用级配均匀、最大粒径为20mm的碎石和中粗砂，水泥则采用42.5级普通硅酸盐水泥，钢纤维采用长为32 mm、直径为0.75 mm、长径比为42.7、抗拉强度≥600 MPa的铣削型钢纤维，混凝土配合比及实测力学性能如表1、表2所示。

1.2 试验方法及内容

如图2所示，试验采用量程为10 000 kN的四柱液压试验机，通过自动调平支座在牛腿肩部对称位置同步施加集中力，支座宽度为160 mm，正式加载前先对试件进行预加载。正式加载阶段的加载速度为1kN/s，其中，试件开裂前的每级所加荷载为240 kN，开裂后每级所加荷载为400 kN，每级加载完成后持荷2 min，记录试验现象和数据。试验主要测试和记录在各级荷载作用下牛腿构件的跨中挠度，正裂缝和斜裂缝可能出现处的混凝土应变和钢筋应变，正截面开裂荷载、斜截面开裂荷载和极限荷载，裂缝出现的位置、发展变化情况和最大宽度。

2 破坏形态及过程

2.1 破坏形态

下面对3个牛腿试件的最终破坏形态进行对比分析。

当剪跨比[ah0]=0.2时，牛腿的破坏形态为斜剪破坏。如图3（a）所示，在斜裂缝产生之前，其裂缝形态及裂缝发展情况与剪切破坏的特征基本吻合，斜裂缝出现后，裂缝延伸至立柱后并未向立柱内部大幅延伸，而是倾向于沿竖直方向发展。

当剪跨比[ah0]≥0.3时，牛腿的破坏形态表现为典型的斜压破坏。如图3（b）所示，在弯矩作用下，牛腿肩部与立柱交接处出现第一条正裂缝，并向立柱内侧缓慢延伸。随著荷载不断增大，第一条斜裂缝在加载垫板内侧与牛腿立柱下部交接点的连线方向上出现。随后，在连线方向上又陆续出现多条细微密集的斜裂缝，此时，正截面裂缝不再有明显发展。当加载值接近极限荷载时，斜裂缝加速汇聚并伴随表层混凝土脱落，进而形成一条贯通的主斜裂缝，试件达到极限状态而破坏。

2.2 破坏过程

小剪跨比牛腿构件的破坏过程大致可分为四个阶段。第一阶段，无裂缝。加载伊始，混凝土未开裂，此阶段主要由混凝土承担外部荷载。第二阶段，正截面开裂，正裂缝逐渐发展。当加载至极限荷载的15%～20%时，在牛腿肩部与立柱交接处会出现第一条正裂缝，随着荷载的增加，正裂缝不断产生和发展，部分试件立柱上部中间位置也会出现一条竖向裂缝。第三阶段，斜截面开裂。当加载至极限荷载的20%～35%时，在主拉应力作用下，纵向受拉钢筋下部区域出现第一条斜裂缝，大致沿加载板内侧与牛腿下部立柱交接点连线方向。第四阶段，随着荷载的不断增加，混凝土内部应力重分布不断进行，正裂缝发展趋缓，斜裂缝不断出现，沿与主裂缝平行的方向发展，加载至极限荷载的90%左右时，斜裂缝迅速扩展连通，试件沿斜裂缝破坏。

3 结果分析

试件的破坏过程表明，相同配筋条件下，牛腿上部纵筋形成的拉杆强度和加载点与牛腿下部连线方向混凝土所形成的斜压杆强度是影响牛腿承载能力的关键因素。而剪跨比反映的是截面正应力（弯矩）与剪应力（剪力）的比值，相同荷载条件下，剪跨比越大，正截面弯矩越大，试件破坏后的最大裂缝宽度也随之增大。同时，随着剪跨比的增大，荷载所产生的与斜压杆方向垂直的拉应力也逐渐增大，导致斜压区混凝土抗压强度降低，试件更易被破坏。

从图3（a）和图3（b）可以看出，当剪跨比由0.2增大至0.3时，裂缝的产生和发展情况有较大差异，破坏形态也由斜剪破坏转为斜压破坏。如表3所示，与试件LC-01相比，随着剪跨比的增大，试件LC-02、LC-03的极限承载力分别减小了8.2%和25.5%。

4 结论

小剪跨比牛腿的破坏形态总体表现为剪切破坏，剪跨比由0.2增大到0.3时，破坏形态由斜剪破坏转为斜压破坏。剪跨比是影响牛腿承载能力的重要因素。相同条件下，剪跨比越大，牛腿构件的承载能力越小。

参考文献：

[1]Foster S J，Powell R E，Selim H S.Performance of high strength concrete corbels[J].ACI Structural Journal，1996（5）：555-563.

[2]Hwang S J，Lu W Y，Lee H J.Shear strength prediction for reinforced concrete corbels[J].ACI Structural Journal，2000（4）：543-552.

[3]高俊峰，邱洪兴，蒋永生.钢纤维高强混凝土牛腿计算方法的探讨[J].东南大学学报，1993（4）：41-46.

[4]高丹盈，赵军，朱海堂.钢筋钢纤维混凝土牛腿受剪承载力试验研究[J].建筑结构学报，2006（2）：100-106.

[5]李树山，王晖，张锋剑，等.纵筋焊接锚固型钢纤维高强混凝土牛腿受剪性能试验研究[J].混凝土，2018（10）：43-46.

[6]解偉，王晖，李树山.基于拉压杆模型的牛腿承载力试验研究[J].人民黄河，2018（3）：98-101.

[7]解伟，王小兵，李树山，等.钢筋混凝土牛腿拉压杆模型受剪承载力分析[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2016（1）：55-59.

[8]李树山，高丹盈，解伟.钢筋混凝土牛腿结构拉压杆模型及配筋设计[J].土木建筑与环境工程，2013（1）：36-39.

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