鋼筋活性粉末混凝土梁的疲勞性能試驗研究

羅許國，劉岱鑫

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡稱 RPC) 由于其具有超高的強度、高韌性和高耐久性等特點[1-2]，自 20世紀(jì) 90年代問世以來，國內(nèi)外研究人員對其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量的研究工作且多集中在靜力性能方面[3-5]． 然而，對于土木工程中的一些常見領(lǐng)域，如吊車梁、海洋平臺以及公路和鐵路橋梁等，都不可避免的面臨著疲勞荷載的作用． 疲勞荷載的作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的性能不斷退化． 最終在低于靜載強度的情況下發(fā)生脆性破壞[6]．因而，為了實現(xiàn)RPC材料的推廣應(yīng)用，了解鋼筋R PC結(jié)構(gòu)的疲勞性能非常重要． 筆者通過鋼筋RP C梁的靜力和疲勞試驗，研究了鋼筋RPC梁在疲勞荷載作用下的性能劣化過程．

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

整個試驗共設(shè)計、制作了 2根具有相同截面和配筋率的鋼筋 RPC梁，試驗梁采用受彎控制，依據(jù)文獻[4]進行配筋，截面實際配筋率為3.3 %，符合規(guī)范對適筋梁的要求．同時，在試件剪彎段內(nèi)配置足夠數(shù)量的箍筋防止試件發(fā)生斜截面破壞．鋼筋 RPC梁的實際外形尺寸和配筋情況如圖 1-2所示．試驗梁的制作采用現(xiàn)場人工攪拌成型的方法，成型 2 d后拆模，在室內(nèi)環(huán)境下灑水養(yǎng)護．所有試驗梁中，1根進行靜載試驗，用于確定疲勞加載荷載水平的參考值．另外1根進行疲勞試驗．

圖1 試件立面Fig.1 Facade of specimen

圖2 試件橫截面Fig. 2 Cross-section of specimen

1.2 試驗原材料

混凝土采用湖南大學(xué)研制的RPC，其基本配合比如表 1所示．每個試驗梁在澆筑期間分別制作 3個尺寸為 100 mm ×100 mm ×100 mm的試塊，用于測定鋼筋 RPC梁在試驗時的 RPC強度值． 棱柱體試塊尺寸為 100 mm ×100 mm ×300 mm，總計 6個，用于測定正式試驗時 RPC棱柱體的抗壓強度和彈性模量．試塊采用與試驗梁相同的制作和養(yǎng)護方法． 由于我國目前還沒有制定針對 RPC這種高強材料的力學(xué)性能試驗規(guī)程，因而暫參考普通混凝土力學(xué)性能試驗方法進行． RPC材料的試驗結(jié)果見表2．

表1 RPC配合比Tab. 1 Proportions of RPC mix (kg/m3)

表2 RPC實測力學(xué)性能Tab. 2 Measured value of RPC mechanical property

試驗梁內(nèi)的縱向受力鋼筋采用直徑為20 mm的 HRB400(Ⅲ級)鋼筋， 架立筋和箍筋采用直徑分別為 10 mm 和 8 mm 的 HPB235(Ⅱ級)鋼筋．實測的 HRB400縱向鋼筋的屈服強度為 473 MPa，極限強度為619 MPa．

1.3 疲勞試驗荷載選取

對于公路橋梁而言，疲勞荷載下限值Mmin通常為橋梁結(jié)構(gòu)自重以及橋面附屬設(shè)施等的靜荷載作用產(chǎn)生的彎矩值，而彎矩上限值Mmax與車輛類型及分布等情況有關(guān)． 在相同的疲勞荷載作用次數(shù)下，低應(yīng)力幅引起的橋梁損傷很小，隨著應(yīng)力幅的增長，橋梁損傷則約呈 3～5次方急劇增長． 然而由不同彎矩幅值下的車輛比例(如表 3所示)可以看出，低應(yīng)力幅的作用次數(shù)遠高于中高應(yīng)力幅值．因而，本次試驗選用低中彎矩幅水平的分界點 0.25Mu作為等幅疲勞加載的控制值． 疲勞荷載下限值取為Mmin=0.05Mu，疲勞荷載上限值Mmax取為0.3Mu，其中Mu為靜極限承載力．

1.4 試驗加載方案及測點布置

試驗均采用 3分點加載方式．靜載試驗梁采用千斤頂進行分級加載． 疲勞試驗梁采用疲勞機進行正弦波形加載，疲勞加載頻率取為4 Hz，先做 2次加卸載循環(huán)的靜載試驗，然后進行疲勞加載，當(dāng)疲勞加載次數(shù)達到 1、2、5、10、20、50、100、150和200萬次時，停機進行一次加卸載循環(huán)的靜載試驗(試驗方法與靜載試驗梁類似)．所有試驗梁在跨中沿截面高度方向均勻的布置 5片膠基箔式電阻應(yīng)變片，鋼筋應(yīng)變分別布置在跨中和加載點內(nèi)側(cè)，百分表布置于跨中、加載點和支座處，裂縫觀測位置為鋼筋附近．

表3 鋼筋混凝土橋梁彎矩幅水平等級劃分[7]Tab.3 Divided Bending moment amplitude

2 鋼筋RPC梁靜力和疲勞試驗結(jié)果與分析

2.1 靜力試驗結(jié)果與分析

鋼筋 RPC梁的靜載破壞屬于適筋梁破壞，破壞始于受拉區(qū)鋼筋的屈服，然后跨中位置的RPC被壓潰，典型的破壞形態(tài)如圖3所示．荷載撓度曲線如圖 4所示．試驗過程中，當(dāng)加載力達50 kN左右時，梁純彎段受拉區(qū)以及加載點附近開始出現(xiàn)豎向彎曲裂縫，然而由于鋼纖維的阻裂作用，其裂縫寬度值較小，僅為 0.02 mm左右． 同時，開裂導(dǎo)致截面剛度降低，荷載撓度曲線略微向撓度軸傾斜．此后繼續(xù)加載，新的裂縫不斷產(chǎn)生，并發(fā)出鋼纖維拔出的“啪啪”聲．當(dāng)加載力達到280 kN左右時，在跨中RPC應(yīng)變片粘貼位置的左右，1條主裂縫急劇開展，撓度急劇增大，中和軸高度迅速上升，導(dǎo)致受壓區(qū)RPC被壓潰，鋼筋 RPC梁喪失承載力，此時的主裂縫的最大寬度Wmax為1 mm，跨中撓度值f為25 mm，受壓區(qū) RPC的極限應(yīng)變值約εc為 3 154 με，縱向受拉鋼筋應(yīng)變值εs約為 3 406 με．實測的鋼筋 RPC梁的開裂彎矩Mcr和極限彎矩Mu分別為 15 kN?m 和 84 kN?m，二者的比值約為0.18，遠高于普通鋼筋混凝土梁的相應(yīng)比值0.1[8]．RPC梁的開裂彎矩Mcr和極限彎矩Mu的比值高于普通混凝土梁開裂彎矩和極限彎矩的比值主要是由于 RPC基體材料和摻入的鋼纖維具有較高的抗拉能力提高了 RPC梁的抗裂性能使得鋼筋 RPC梁開裂荷載較大，此外 RPC材料較高的彈性模量值使得鋼筋 RPC梁具有良好的抗變形能力．實測的鋼筋 RPC梁靜載破壞時相關(guān)物理參數(shù)的值見表4．

圖3 靜載試驗梁破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of the test beam

圖4 荷載撓度曲線Fig.4 Load-Deflection curve

表4 靜力和疲勞試驗相應(yīng)參數(shù)實測值Tab. 4 Measured values of static and fatigue tests

2.2 疲勞試驗結(jié)果與分析

鋼筋 RPC梁在疲勞荷載作用下未發(fā)生疲勞破壞．因而可以看出，按本文設(shè)計的鋼筋 RPC梁在以出現(xiàn)概率為 98.11 %的橋梁疲勞應(yīng)力幅值作用下，其疲勞壽命值至少 200萬次以上． 此外，文獻[9]指出：混凝土內(nèi)部微裂縫失穩(wěn)擴展時，其縱向總應(yīng)變與加載歷史無關(guān)． 與靜載破壞一樣，混凝土的疲勞破壞亦是由于材料內(nèi)部的微缺陷不斷擴展形成連續(xù)的不穩(wěn)定裂縫所引起的． 故，由表 4可看出，鋼筋 RPC梁疲勞結(jié)束時最大裂縫寬度、跨中撓度、受壓邊緣 RPC應(yīng)變和受拉鋼筋應(yīng)變分別為靜載破壞時的 12 %、25.8 %、32 %和24.3 %，遠未達到其破壞值． 鋼筋RPC梁能較好的滿足公路橋梁使用要求．

2.2.1 鋼筋RPC梁裂縫

等幅疲勞荷載作用下的鋼筋 RPC梁疲勞裂縫的分布與走向如圖5所示．

在前 2次靜力加卸載循環(huán)過程中，當(dāng)加載至50 kN左右，鋼筋RPC梁在加載點內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了豎向彎曲裂縫，在剪彎段靠近加載點處亦出現(xiàn)少量短細的豎向裂縫． 此后繼續(xù)加載，當(dāng)加載至疲勞最大荷載Fmax=67.2 kN時，梁上幾乎沒有新裂縫產(chǎn)生，此時的最大裂縫寬度僅為0.02mm．

在疲勞加載階段，不同疲勞加載次數(shù)下鋼筋的裂縫數(shù)量與前 2次靜力加載階段相比，并不見明顯增多． 而疲勞最大荷載作用下的裂縫寬度隨不同疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示． 由該圖可見，試驗梁裂縫寬度隨疲勞加載次數(shù)的增加不斷增大，裂縫寬度的發(fā)展速率不斷降低，表現(xiàn)為2階段發(fā)展規(guī)律． 實測的200萬次疲勞結(jié)束時的最大裂縫寬度約為0.12 mm，相比第1次靜力加載時的最大裂縫寬度值增加了約 6倍，但仍小于極限破壞時的裂縫寬度值1mm．

圖5 等幅疲勞試驗梁裂縫分布Fig.5 Crack distribution of constant-amplitude fatigue tests

圖6 不同加載次數(shù)下的最大裂縫寬度Fig.6 Maximum crack width under different loading times

2.2.2 鋼筋RPC梁撓度

撓度是梁剛度變化的反應(yīng)．不同疲勞加載次數(shù)下試驗梁跨中撓度隨加載荷載值的變化規(guī)律如圖 7所示，跨中最大撓度與殘余撓度隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示．

由圖可見，最大撓度和殘余撓度都隨著疲勞加載次數(shù)的增加而逐漸增大，且具有與梁最大裂縫寬度相類似的兩階段發(fā)展規(guī)律，在荷載撓度曲線上表現(xiàn)為先疏后密的形態(tài)．此外不同加載次數(shù)下的荷載撓度曲線逐漸向撓度軸傾斜，說明鋼筋RPC梁的剛度隨著加載次數(shù)的增加明顯降低． 當(dāng)200萬次疲勞結(jié)束時，殘余撓度值和最大撓度值分別為1.509 mm和6.438 mm．

圖7 不同加載次數(shù)荷載撓度曲線Fig.7 Load-deflection curve in different loading times

圖8 撓度隨N發(fā)展曲線Fig.8 Relationship between deflection and N

2.2.3 RPC應(yīng)變

等幅疲勞荷載作用下鋼筋 RPC梁受壓區(qū)邊緣 RPC累積殘余應(yīng)變和總應(yīng)變隨疲勞加載次數(shù)的變化規(guī)律如圖 9所示，不同加載次數(shù)下 RPC應(yīng)變隨加載荷載值的變化規(guī)律如圖 10所示．由圖可見：

鋼筋 RPC梁受壓區(qū)邊緣 RPC的殘余應(yīng)變和總應(yīng)變均隨著疲勞加載次數(shù)的增加而增大， 二者的發(fā)展均體現(xiàn)出 2階段規(guī)律，第一階段結(jié)束時的加載次數(shù)約為 50萬次左右，在該階段受壓區(qū)RPC的累積殘余應(yīng)變值和總應(yīng)變值均發(fā)展較快，增長速率隨著加載次數(shù)的發(fā)展逐漸降低．實測的該階段結(jié)束時的累積殘余應(yīng)變值為 223 με，總應(yīng)變值為 927 με分別約為靜載破壞時的 RPC極限應(yīng)變值(3 154 με)的 7.1%和 29.4%． 第二階段發(fā)展較慢，其增長速率基本為一定值，疲勞 200萬次結(jié)束時的累積殘余應(yīng)變值為 298 με，總應(yīng)變值為1 010 με，分別約為靜載破壞時的RPC極限應(yīng)變值(3 154 με)的9.4%和32%．而荷載應(yīng)變曲線的斜率隨加載次數(shù)的變化相對較小，表明受壓區(qū)RPC變形模量降低程度不大．

圖9 RPC應(yīng)變隨N發(fā)展曲線Fig.9 Relationship between RPC strain and N

圖10 不同加載次數(shù)后RPC應(yīng)變Fig.10 RPC strain in different loading times

2.2.4 鋼筋應(yīng)變

圖 11為等幅疲勞荷載作用下鋼筋應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，圖 12為不同疲勞加載次數(shù)后鋼筋應(yīng)變隨加載荷載的變化規(guī)律．

由這兩圖可以看出：在第一次加載時，當(dāng)荷載加載50 kN左右時，鋼筋的應(yīng)變突然增大，荷載應(yīng)變曲線的斜率降低，卸載完成時的鋼筋殘余應(yīng)變值約為 40 με．在疲勞加載過程中，鋼筋的殘余應(yīng)變和總應(yīng)變亦表現(xiàn)為2階段發(fā)展過程． 當(dāng)加載到 50萬次時，鋼筋的殘余應(yīng)變值比第一次加載的殘余應(yīng)變值約增加了 2.75倍，200萬次疲勞結(jié)束時，鋼筋的殘余應(yīng)變值比第一次加載的殘余應(yīng)變值增加了約3.675倍．

圖11 鋼筋應(yīng)變隨N發(fā)展曲線Fig.11 Relationship between steel strain and N

圖12 不同加載次數(shù)后鋼筋應(yīng)變Fig.12 The steel strain in different loading times

3 結(jié)論

（1）按本文設(shè)計的鋼筋 RPC梁，其靜載破壞形態(tài)為受彎破壞．鋼筋 RPC梁的開裂彎矩與極限彎矩值的比值達 0.18，遠高于普通鋼筋混凝土梁的相應(yīng)比值0.1，體現(xiàn)出較好的抗裂性能．

（2）鋼筋RPC梁以出現(xiàn)概率為98.11%的橋梁應(yīng)力幅值進行疲勞加載，其疲勞壽命達 200萬次以上．

（3）鋼筋 RPC梁裂縫寬度、跨中撓度、受壓區(qū)邊緣 RPC應(yīng)變以及鋼筋應(yīng)變隨著疲勞加載次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出 2階段發(fā)展規(guī)律，即快速發(fā)展階段和平穩(wěn)發(fā)展階段． 且疲勞200萬次結(jié)束時的相應(yīng)值分別約為靜載破壞的 12 %、25.8 %、32 %和24.3 %． 體現(xiàn)出較好的抗疲勞性能．

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