鋼纖維部分增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁疲勞性能的試驗(yàn)研究

張 明，高丹盈，趙 軍

(鄭州大學(xué)，河南鄭州450002)

隨著鋼纖維的廣泛應(yīng)用，鋼纖維混凝土在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，在公路、鐵路、橋梁、工業(yè)民用建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛［1－2］.這些結(jié)構(gòu)形式在其服務(wù)期內(nèi)除了承受靜載作用外，還承受疲勞荷載的作用.在疲勞荷載作用下，由于疲勞累積損傷的影響，結(jié)構(gòu)功能退化，結(jié)構(gòu)變形及裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用甚至安全性.因此有必要對(duì)疲勞荷載作用下鋼纖維高強(qiáng)混凝土構(gòu)件及鋼纖維部分增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的疲勞變形性能及裂縫開展情況進(jìn)行研究.

筆者以疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁疲勞荷載作用下的變形及裂縫寬度隨鋼纖維摻入層厚變化的發(fā)展規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)共制作了1根普通高強(qiáng)混凝土梁(梁號(hào):L－0)和3根鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁(梁號(hào):L－1，L－2，L－3)，研究的目的是探求鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁在第一次靜載試驗(yàn)及經(jīng)歷一定疲勞循環(huán)次數(shù)重復(fù)加載后的變形及裂縫發(fā)展規(guī)律以及鋼纖維對(duì)其的影響，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁時(shí)主要考慮了鋼纖維摻入層厚的變化.試件設(shè)計(jì)見表1.

試驗(yàn)梁均采用跨中單點(diǎn)分級(jí)疲勞加載.為模擬試件實(shí)際工作情況，試驗(yàn)梁兩端采用平板橡膠支座.安置試驗(yàn)梁時(shí)要求幾何對(duì)中，保持兩支座等高，加載點(diǎn)與支座處均墊有鋼板，以預(yù)防發(fā)生混凝土局部壓壞.疲勞試驗(yàn)施加的疲勞荷載最大值為0.50Mu，最小值為固定值0.15Mu(根據(jù)試驗(yàn)機(jī)能夠控制的最小荷載選取)，Mu為試驗(yàn)梁的極限荷載.

表1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［3］，等幅疲勞試驗(yàn)加載程序包括靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)3個(gè)階段.靜載試驗(yàn)階段，按照靜力單調(diào)加載試驗(yàn)的加載程序進(jìn)行，首先進(jìn)行預(yù)加載，檢驗(yàn)設(shè)備是否正常后加載至疲勞上限、然后卸載;疲勞試驗(yàn)階段，進(jìn)行等幅疲勞試驗(yàn)，加載頻率為5 Hz，在保持加載頻率的基礎(chǔ)上反復(fù)調(diào)節(jié)，保持荷載穩(wěn)定，使誤差不大于±3%.在試驗(yàn)過程中，動(dòng)荷載循環(huán)到1萬、5萬、10萬、15萬、20萬、50萬、100萬、150萬和200萬次后停止，然后進(jìn)行一次加載至疲勞上限的靜載試驗(yàn)，量測(cè)各級(jí)荷載下的應(yīng)變、裂縫、撓度及其發(fā)展情況;在破壞試驗(yàn)階段，當(dāng)試驗(yàn)重復(fù)荷載達(dá)到要求加載的次數(shù)200萬次后，如果試驗(yàn)梁仍未發(fā)生破壞，則繼續(xù)進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)直至試驗(yàn)梁破壞.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 跨中撓度發(fā)展規(guī)律

2.1.1 靜載作用下?lián)隙劝l(fā)展規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程的要求，在疲勞試驗(yàn)前，要進(jìn)行一次加載至疲勞上限的靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中測(cè)量各級(jí)荷載下的撓度.筆者結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)變化，分析了鋼纖維摻入層厚對(duì)高強(qiáng)混凝土梁跨中撓度的影響.圖1給出了不同參數(shù)影響下第一次靜載試驗(yàn)的梁跨中撓度發(fā)展情況.

圖1 試驗(yàn)梁靜載試驗(yàn)的荷載－撓度曲線

從圖1中可以看出，不同參數(shù)下，鋼纖維部分增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁的撓度變化具有以下共同特征:在荷載較小時(shí)，梁基本處于彈性工作狀態(tài)，荷載－撓度曲線接近線性變化，表現(xiàn)出均質(zhì)彈性材料梁的特性.隨著荷載的逐步增大，截面開始出現(xiàn)裂縫后，梁的抗彎剛度下降，曲線偏離線性呈下降趨勢(shì).這和普通混凝土梁的撓度變化規(guī)律一致.但和普通混凝土梁相比，由于鋼纖維阻止裂縫開展和直接承擔(dān)拉力的作用，使得梁裂縫截面處的鋼筋應(yīng)變降低，裂縫寬度減小，增強(qiáng)了梁的整體性和剛度，所以加入鋼纖維后，荷載－撓度曲線彎曲程度減緩，在同級(jí)荷載下?lián)隙让黠@降低，表明鋼纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土梁靜載作用下的變形影響顯著.隨著鋼纖維摻入層厚的增加，其相同荷載下的撓度減小約19.0% ～69.0%，但摻加超過1/3梁高的鋼纖維后，對(duì)減小鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁撓度的效果并不明顯，說明在高強(qiáng)混凝土梁內(nèi)一定范圍內(nèi)摻加鋼纖維同樣能夠起到限制梁的剛度衰減的效果，與文獻(xiàn)［4］研究結(jié)果一致.

2.1.2 疲勞荷載作用下?lián)隙劝l(fā)展規(guī)律

不同影響因素下鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁在疲勞上限荷載作用下的跨中最大撓度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 撓度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

在重復(fù)荷載作用初期1萬次內(nèi)撓度增加比較迅速，在5萬～20萬次內(nèi)，撓度的增大速率變緩，超過20萬次后，撓度的變化基本趨于穩(wěn)定.撓度的增大速率隨著鋼纖維摻入層厚的增大而變小，但影響并不顯著，鋼纖維摻入層厚的變化主要影響第一次靜載作用下梁的跨中撓度.根據(jù)文獻(xiàn)［5］與［6］，混凝土梁疲勞荷載作用下?lián)隙炔粩嘣龃蟮闹饕驗(yàn)?在疲勞荷載作用下受拉區(qū)混凝土的疲勞裂縫寬度不斷增加，鋼筋和混凝土間的黏結(jié)不斷被破壞;受壓區(qū)混凝土由于疲勞荷載作用產(chǎn)生的累計(jì)損傷及徐變;截面削弱導(dǎo)致的混凝土構(gòu)件剛度降低.該原理同樣適用于鋼纖維混凝土及鋼纖維高強(qiáng)混凝土.

2.2 最大裂縫寬度的發(fā)展規(guī)律

2.2.1 靜載作用下最大裂縫寬度發(fā)展規(guī)律

在靜載試驗(yàn)中各級(jí)荷載作用下，不同鋼纖維摻入層厚的高強(qiáng)混凝土梁最大裂縫寬度與荷載的關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 最大裂縫寬度與荷載關(guān)系曲線

由圖3可知，隨著鋼纖維摻入層厚的增加，各級(jí)荷載下的鋼筋混凝土梁的裂縫寬度均有所降低，鋼纖維摻加1/3梁高時(shí)，裂縫寬度減小39% ～78%，摻加1/2梁高時(shí)，裂縫寬度減小45% ～89%.與梁全截面摻加鋼纖維的阻裂效果差別并不十分顯著，這說明在高強(qiáng)混凝土梁中部分摻加鋼纖維可達(dá)到顯著的阻裂效果，這與普通鋼纖維混凝土梁的研究結(jié)果［4］基本一致.

2.2.2 疲勞荷載作用下最大裂縫寬度發(fā)展規(guī)律

經(jīng)過一定疲勞循環(huán)次數(shù)后，疲勞上限荷載作用下的試驗(yàn)梁最大裂縫寬度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示.鋼纖維摻入層厚不同，在相同循環(huán)次數(shù)的情況下，鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的最大裂縫寬度隨著鋼纖維摻入層厚的增大而降低，但梁的疲勞裂縫寬度增大速率的變化受鋼纖維摻入層厚變化的影響并不顯著，裂縫寬度的增大速率隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致.

圖4 最大裂縫寬度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

文獻(xiàn)［2］和［6］的研究表明，疲勞荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度增大的主要原因是:重復(fù)荷載作用下受壓區(qū)混凝土內(nèi)部損傷增大，導(dǎo)致混凝土壓應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，混凝土開裂引起裂縫截面處鋼筋應(yīng)變?cè)龃螅摻顟?yīng)變和殘余應(yīng)變不斷增加，鋼筋與混凝土間黏結(jié)退化.對(duì)于鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁，鋼纖維減小了受壓區(qū)混凝土內(nèi)部損傷以及鋼筋與混凝土間黏結(jié)的退化，進(jìn)而減小了疲勞荷載作用下高強(qiáng)混凝土梁的裂縫寬度.

3 結(jié)語

1)鋼纖維加入高強(qiáng)混凝土梁對(duì)于增強(qiáng)梁的阻裂能力，優(yōu)化變形性能，即對(duì)于減小裂縫寬度和增加截面剛度非常有利.

2)在疲勞荷載作用下，鋼纖維部分增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁的跨中撓度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨鋼纖維摻入層厚的增加，鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的撓度增大速率有所降低.

3)在疲勞荷載作用下，鋼纖維部分增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁的最大裂縫寬度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨鋼纖維摻入層厚的增加，鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的裂縫有所減小，但裂縫寬度的增大速率并無明顯差別.

［1］高丹盈，趙軍，朱海堂.鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］趙國藩，彭少民，黃承逵.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］中國建筑科學(xué)研究院.GB 50152—1992混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［4］趙軍.鋼纖維增強(qiáng)部分混凝土構(gòu)件力學(xué)性能及設(shè)計(jì)方法的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2000.

［5］孟建偉，王海龍，鐘銘.用解析剛度法求解高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的疲勞剛度［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17(3):67－90.

［6］湯紅衛(wèi)，李士彬，朱慈勉.基于剛度下降的混凝土梁疲勞累積損傷模型的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(3):84－88.