钢纤维混凝土韧性指数评价方法对比研究.pdf

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第37卷第l2期建筑结构2007年l2月钢纤维混凝土韧性指数评价方法对比研究卫明山李利莎郑全平丁巧爱（1总参工程兵科研三所洛阳471023；2太原理工大学030024）提要】综合分析了国内外几种常用的评价钢纤维混凝土韧性指数的定义及其计算方法，推导并分析了各种韧性指数计算公式的物理含义。

通过钢纤维混凝土标准受弯试件挠度试验结果的计算对比分析，指出各种计算方法的优缺点及适用范围，给出了实际工程中的使用建议。

关键词】钢纤维混凝土韧性指数对比研究ComparativeStudyofEvaluateMethodforToughlessFactorofSteelFiberReinforcedConcrete（SFRC）WeiMingshan，LiLisha2，ZhengQuanping，DingQiaoai（1TheThirdEngineerScientificResearchInstituteoftheHeadquaaersoftheGeneralStaff，Luoyang471023，China；2TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China）Abstract：

SeveraldefinitionsandcalculationmethodsofevaluationadoptedwidelytotoughnessfactorofSteelFiberReinforcedConcrete（SFRC）weresummarized，varioustoughnessfactorcalculationexpressionsphysicsmeaningwerededucedandanalyzedThoughthecontrastandanalysisofresultsofSFRCstandardmemberinbendingflexibilitytest，manycalculationmethodsmeritsanddrawbacksandscopeofapplicationwerepointedout，performancesuggestionsinpracticeengineeringwereofferedKeywords：

SFRC；toughnessfactor；comparativestudy0引言评价钢纤维混凝土的弯曲韧性，目前还没有统一的标准和方法u。

近年来各国主要学术机构相继提出了自己的标准和评价方法，有代表性的有美国混凝土协会（ACI）544委员会（弯曲韧性指数，）、美国材料与试验协会（ASTM）C1018（韧性指数法）、日本土木工程协会标准JSCEG552、日本混凝土协会标准JCISF4（同JSCEG552标准一致）、中国工程建设标准协会标准CECS13：

89等。

这些方法可以大致可分为能量法、能量比值法、特征点法、强度法。

通过钢纤维混凝土标准试件抗折试验结果的计算对比，综合分析了这些方法的优缺点及适用范围，给出了实际工程应用中的合理建议。

l韧性指数评价方法综述美国混凝土协会（ACI）544委员会提出的钢纤维混凝土试件弯曲韧性指数，_3的计算原理如图1所示。

其中A为初裂点，为初裂点挠度，为给定的特征挠度，】b=1160。

由于该方法规定的标准试件尺寸为100100350，故此时特征挠度】b=160=187519mm。

TI为OAB区域面积，为ABDC区域面积。

定义韧性指数，为跨中挠度为。

时变形能与跨中挠度为时变形能之比：

，=Tl+l

（1）美国材料与试验协会（ASTM）C1018韧性指数法l490图1ACI544计算图图2ASTMC1018韧性指数计算图的计算原理如图2所示。

其中A为初裂点，为初裂点挠度，OD，OF，OH分别为3，55和1O5。

以335，1053之前的荷载挠度曲线下面积分别与时荷载挠度曲线下面积的比值定义韧性指数，对应地用，5，l0，20表示，即鲁，l。

：

鲁，20：

鲁

（2）式中l，5，Tlos分别为区域OAB，0ACD，OAEF，OAGH的面积。

，5，l0，20实际上也是一种变形能量比值。

该方法规定的标准试件尺寸也是100100350。

日本的JSCEG552标准_56J提出的弯曲韧性指数的计算原理如图3所示。

设为试件加载至跨中挠度lb=150（Z：

450时，=3；Z=300时，：

2）时的平均荷载，则直线AB下面积等于挠度l时的荷载挠度曲线下的面积为：

lb（3）维普资讯http:

/由材料力学理论可知，在平均荷载P作用下试件下沿中心点的弯曲正应力为if,=tbh（4）将式（3）中P代人式（4）得if,=Tlbh占Ib由以上推导可知，JSCEG552标准将平均荷载作用下标准试件下沿中心点弯曲正应力定义为弯曲韧性系数，并用平均弯曲正应力表示=Tlbh占lb（5）式中b，h，f分别为试件的宽，高，跨度。

该方法规定的标准试件有两种，分别为100100350和150150550。

我国标准CECS13：

89l7计算原理如图4所示。

其中A为初裂点，WFcr为初裂点挠度，OD，OF，OH分别为3Fc，55Fc和155Fc。

以3Fcr，55Fc，155之前的荷载一挠度曲线下面积分别与时荷载挠度曲线下面积的比值定义为韧性指数，对应地用叩1l15，叩ml【l，qm30表示，即叩5=OACD面积OAB面积lo=OAEF面积OAB面积（6）叩栅=OAGH面积OAB面积上式计算所用的标准试件也规定有两种，分别为100100350和150150550。

图3JSCEG552韧性系数计算图图4CECSI3：

89韧性指数计算图2韧性指数评价方法对比分析为分析上述各种韧性指数的适用范围及其优缺点，进行了四组试验，每组测定三个试件取平均值。

试件按CECS13：

89要求制作，尺寸为150150550。

材料选用P0425水泥，河砂，碎石，碎石最大粒径25mm。

钢纤维采用赣州大业金属纤维有限公司的GSF0960，GSF0645，GSF0213弓形钢纤维，长径比分别为65，67，75，纤维长度分别为60，45，20mm，三种钢纤维按重量比1：

1：

1混合掺人混凝土基体中。

基体混凝土标号为C60，配合比为：

水泥：

水：

石子：

砂：

二氧化硅微粉：

粉煤灰=1：

044：

29：

19：

013：

021。

减水剂为FDN高效减水剂。

韧性指数试验采用三点弯曲试验（跨中单点加载）进行测试，此方法与三分点加载弯曲试验的荷载换算关系为2：

3l8J，文中荷载数据未经换算。

试验加载设备为500kN万能试验机，试验荷载由压力机表盘示数读出，在试件下沿中心设置挠度计以测量试件挠度，读出荷载同时记录跨中挠度。

试验得到四条典型的荷载挠度曲线见图5。

使用图5曲线根据JSCEG552及CECS13：

89分别计算了钢纤维混凝土的韧性指数。

ACIT，要求使用100100350的试件，但仍使用该方法计算了150150550尺寸试件的，值，与以上两种方法进行对比。

三种韧性指数的计算结果一并列于表1。

0l2345678挠度【mm）图5典型钢纤维混凝土荷载挠度曲线美国的ACIT，韧性指数和ASTMC1018韧性指数以及我国标准的韧性指数都是材料弹塑性变形能与弹性变形能的比值，均属于能量比值法。

其中ACIT，韧性指数是试件达到特征挠度占Ih=160时的变形能与初裂挠度时的变形能之比，应用比较方便。

由图5及表1的计算结果可以看出，荷载挠度曲线的下降段越平缓，值就越大，表示材料的塑性变形能力越强。

由于仅采用了占一个特征点，所以这种方法应用比较简单。

但也正是由于只有一个特征点，并且占的取值缺乏依据，所以此法不能反映材料在占。

后的塑性变形能力，使得其使用范围受到一定限制。

美国ASTMC1018韧性指数和我国CECS13：

89韧性指数采用了多特征点的变形能与初裂挠度变形能之比，这样做的好处在于：

采用3倍和55倍初裂挠度，和设计中常用的延性比接近，便于设计应用，同时可以在比较宽的范围内考察材料的增韧效果。

同时由于特征点挠度是初裂挠度的倍数，确定初裂点的偏离、测量挠度时的位置不准以及支座位移等误差因素对韧性指数值的影响较小。

对于理想弹塑性材料，由于其荷载挠度曲线在初裂点后为平行于挠度轴的直线，故容易得到PSTMC1018韧性指数，s，2o分别为5，10，20，CECS13：

89韧性指数叩1l15，叩m1【l，叩TIl3o分别为5，10，30；对于理想脆性材料，达到初裂点后材料立即失效，故上述系数均为1。

显而易见，钢纤维混凝土的韧性指数越接近理想弹塑性材料的值，则增韧效果越好。

所以这两种方法可以用来评价增韧效果。

91m如蛐如柏如加m0蚕v旃埠维普资讯http:

/韧性指数计算结果表1钢纤维掺量O123ACl544，l37l51826JSCEG552fo（MPa）153367672lO14rn5l4986Ol69CECSl3：

89mlOl734890972rT即ll290l568l664从表1可以看到，随着钢纤维掺量的增加，叩，ml0，0值有不同程度的提高，这反映了CECS13：

89方法可以通过三个特征点上的弹塑性变形能比值来评价材料的韧性，适用范围比较大。

并且通过计算结果与理想弹塑性材料韧性指数的比较，可以直观地得到材料的增韧效果，方便使用。

以上三种方法都与钢纤维混凝土的初裂挠度有关，因而确定初裂点位置的准确性直接影响韧性指数计算的准确程度及韧性的准确评价。

人们习惯把肉眼可见的裂缝（002mm）出现时作为初裂点。

但因肉眼观测的局限，实际上难以准确判断；另一种方法是将荷载挠度曲线上升段的斜率有明显变化（即由直线向曲线过渡点）的点定为初裂点。

但对混凝土而言，此点并不明显。

目前比较准确的方法是超声脉冲法和声发射法l8J，但这两种方法操作起来比较复杂，实际应用较少。

因此，初裂点难以准确判断，使得韧性指数的计算结果存在一定的偏差和随机性。

由图5的曲线也可以看出，曲线上升段由直线到曲线的过渡比较光滑，所以准确地确定过渡点并不容易，并且会产生不同的结果。

经验表明，用上述三种方法计算韧性指数时，确定的初裂荷载往往偏低。

日本的JSCEG552标准定义的弯曲韧性系数实质是给定挠度为时的折算平均抗弯强度。

其优点是可以直接与抗弯强度相比较来评价材料的增韧效果，与初裂强度无关，应用方便，适合评价形状不同的钢纤维对增韧效果的影响。

从表1中数据可以直接得到材料韧性随混凝土标号和钢纤维掺量及型号的变化，所以这种方法用来进行材料研究是比较合适的。

其问题在于其规定lb：

150的依据并不充分，由于lb和试件尺寸相关，其韧性系数不能避免尺寸效应的影响。

另外，lb：

1150一般相当于CECS13：

89标准的35倍初裂挠度，而此时材料尚有很大的变形能力，所以，根据JSCEG552标准无法评价材料在lb后的增韧效果。

3结论

（1）ACIT，韧性指数计算过程简单，适合于初步了解材料的增韧效果。

CECS13：

89韧性指数和ASTMC1018方法是能量比值方法，能反映钢纤维混凝土的实际工作状态，可以在较大的变形范围内评价材料的增韧效果，受试件形状，尺寸的影响较小，可在设计中采用。

（2）JSCEG552方法和JCISF4标准属于强度方法。

其韧性指数计算值可以与抗弯强度相比较从而直接评价材料的增韧效果，与初裂强度无关，应用方便，适合在材料研究中评价不同材料和配比对增韧效果的影响。

（3）由于试验和计算方法不同，对钢纤维混凝土韧性的判断和结果有很大差异。

所以，在评价钢纤维混凝土韧性时，应使用同一计算方法。

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同济大学，200510李志山，容柏生高层建筑结构在罕遇地震影响下的弹塑性时程分析研究J建筑结构，2006（6S1）维普资讯http:

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