裝配式混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失試驗研究

張建， 王永光， 黃義濤， 孔祥韶， 吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在中國橋梁工程中已被廣泛使用，其有效預(yù)應(yīng)力大小及剩余承載力變化直接關(guān)系到橋梁在使用期間的安全性和可靠性。預(yù)制T梁在服役期間除了承受永久作用外，還要長期承受可變荷載作用，例如汽車荷載、風(fēng)荷載等，隨著可變荷載作用次數(shù)的增加，材料內(nèi)部將產(chǎn)生累積疲勞損傷及剛度退化，進而引發(fā)梁體出現(xiàn)開裂及過度下?lián)系炔『Α?/p>

由于預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身組成材料的復(fù)雜性及預(yù)測結(jié)果的離散性，目前尚不能完全通過已有理論計算模型及數(shù)值模擬方法分析預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞損傷，對此中國相關(guān)學(xué)者開展部分試驗，但針對反復(fù)荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失及剩余承載力的研究相對較少。馮秀峰、李進洲等根據(jù)疲勞載荷作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗裂計算指出，在反復(fù)加載過程中受拉區(qū)混凝土抗拉強度和預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低;周履等根據(jù)CEB-FIP 1990模式規(guī)范關(guān)于重復(fù)荷載下混凝土疲勞應(yīng)變計算公式，對文獻[10]算例進行了計算，發(fā)現(xiàn)疲勞載荷作用下預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力損失約為張拉控制應(yīng)力的5.4%;鐘明全等開展了預(yù)應(yīng)力混凝土試驗梁的靜力及疲勞加載試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)力接近0.4fc(fc為混凝土抗壓強度)時，靜力強度可能會降低，而當(dāng)最大應(yīng)力小于0.4fc時，靜力強度反而有所提高;曾丁等通過等幅疲勞試驗發(fā)現(xiàn)相對于張拉錨固后有效預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力累積損失值隨循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)關(guān)系增加;康建強分別對全預(yù)應(yīng)力混凝土梁及A類預(yù)應(yīng)力混凝土梁進行了疲勞試驗研究，發(fā)現(xiàn)不同預(yù)應(yīng)力度下預(yù)應(yīng)力混凝土梁在疲勞加載過程中均存在預(yù)應(yīng)力損失，兩者在前70萬次加載過程中預(yù)應(yīng)力損失值差別較小，70萬次后存在差異，在200萬次循環(huán)加載后，A類預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失值為全預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失值的1.47倍。

在上述研究中，雖對預(yù)應(yīng)力混凝土梁在反復(fù)荷載作用下預(yù)應(yīng)力損失進行分析，并未明確預(yù)應(yīng)力混凝土梁在重復(fù)荷載作用下預(yù)應(yīng)力損失值。基于此，該文根據(jù)九站松花江特大橋引橋和前撫松花江特大橋檢測結(jié)果，基于相似理論設(shè)計并制作兩根相同配筋形式的后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力模型梁，通過靜力和疲勞加載試驗分析預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在反復(fù)加載過程中有效預(yù)應(yīng)力損失及剩余承載性能，為在役橋梁結(jié)構(gòu)性能評估及加固措施研究提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 模型設(shè)計及制作

根據(jù)中國公路典型橋梁分布，選取高速公路上常見的30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁為原型，按照1∶5比例縮尺，設(shè)計并制作兩片模型梁，分別進行靜力和疲勞加載試驗。靜力加載試驗用以驗證模型梁設(shè)計合理性及確定疲勞加載試驗中荷載值。疲勞加載試驗用以確定反復(fù)加載過程中預(yù)應(yīng)力筋受力情況。

混凝土采用澆筑沌口長江大橋T梁C50商用混凝土。預(yù)應(yīng)力筋采用兩根標(biāo)準(zhǔn)強度1 860 MPa低松弛高強度鋼絞線，按照直線及圓弧線相結(jié)合方式進行布置，張拉控制應(yīng)力為1 258.70 MPa，采用單孔穿心式千斤頂兩端對稱張拉，張拉控制應(yīng)力主要通過與千斤頂相連油壓表和預(yù)埋電阻應(yīng)變片讀數(shù)進行監(jiān)控，同時采用游標(biāo)卡尺對張拉伸長量進行校核。張拉結(jié)束后，采用高壓灌漿泵進行壓漿封閉，灌漿材料內(nèi)摻適量的膨脹劑及高效減水劑。受力鋼筋為直徑12 mm的HRB400級熱軋帶肋鋼筋及直徑10 mm的HPB300光圓鋼筋，箍筋及水平縱向鋼筋均為直徑6.5 mm的HPB235鋼筋，其中箍筋間距在加載點區(qū)段為150 mm(區(qū)間長度為900 mm)，支座附近加密到70 mm(區(qū)間長度為350 mm)，其余區(qū)段為100 mm(區(qū)間長度為1 700 mm)，鋼筋具體布置形式如圖1所示。

圖1 模型梁示意圖

1.2 模型材料性能參數(shù)

為了獲得更為準(zhǔn)確的材料參數(shù)用于檢驗梁體澆筑質(zhì)量和有限元建模，該文選取與模型梁相同材料開展相關(guān)力學(xué)性能試驗。對于混凝土材料，以3個立方體試塊為一組，采用與模型梁相同養(yǎng)護條件，參考GB/T 50010-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測得預(yù)應(yīng)力筋張拉時對應(yīng)立方體強度分別為73.80、71.24 MPa，滿足設(shè)計要求。對于預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)，參考JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定取值。對于普通鋼筋，以3根為一組，參考GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，測得不同類型鋼筋對應(yīng)屈服及極限強度，具體試驗值見表1。

表1 鋼筋實測材料參數(shù)

1.3 預(yù)應(yīng)力筋初始應(yīng)力

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言，預(yù)應(yīng)力筋是關(guān)鍵受力部件，其有效預(yù)應(yīng)力大小直接關(guān)系到模型梁在靜力及疲勞加載過程中梁體受力性能。該文根據(jù)預(yù)埋應(yīng)變傳感器和規(guī)范中關(guān)于正式使用階段預(yù)應(yīng)力損失規(guī)定值，對于預(yù)加力和試驗前兩階段有效預(yù)應(yīng)力進行分析。

預(yù)加力階段有效預(yù)應(yīng)力，主要通過布置在預(yù)應(yīng)力筋上的電阻應(yīng)變片監(jiān)測并進行相關(guān)換算。根據(jù)實測應(yīng)變數(shù)據(jù)及文獻[10]中張拉階段預(yù)應(yīng)力損失規(guī)定，張拉錨固后跨中有效預(yù)應(yīng)力理論值為969.00 MPa，而兩根梁實測有效預(yù)應(yīng)力分別為962.68、963.86 MPa，理論計算值及實測值誤差分別為0.65%和0.53%，滿足張拉要求。

試驗前有效預(yù)應(yīng)力主要參考JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋松弛及混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失規(guī)定，將預(yù)加力階段實測的初始應(yīng)力和存梁階段預(yù)應(yīng)力損失規(guī)定的計算值疊加。根據(jù)規(guī)范中使用階段預(yù)應(yīng)力損失規(guī)定(由于加載前存梁期均在半年以上，混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失近似按照混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)終極值計算)，加載前兩根梁有效預(yù)應(yīng)力分別為852.38、853.36 MPa。

1.4 加載制度及測試內(nèi)容

對于靜力試驗梁，試驗包括預(yù)加載和逐級加載兩部分，采用100 t千斤頂加載。在逐級加載階段，采用重復(fù)加載方式簡化模擬在役橋梁受車輛荷載反復(fù)作用，每級荷載等級下重復(fù)5次，最終加載到梁體破壞。試驗過程中，采用布置在兩端臺座、L/4、L/2及3L/4位置處的百分表進行撓度測量，并采用TDS-530靜態(tài)應(yīng)變儀對混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

對于疲勞試驗梁，試驗包括靜力加載、疲勞加載和破壞加載三部分，采用MTS液壓伺服加載系統(tǒng)進行，所有試驗參考GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定。加載過程分別采用TDS-530靜態(tài)應(yīng)變儀及TMR-211動態(tài)應(yīng)變儀對混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

2 靜力試驗分析

2.1 靜力試驗結(jié)果

靜力試驗梁最終破壞形式為典型受彎破壞，試件破壞始于受拉鋼筋屈服，最終在純彎段受壓邊緣形成三角形破壞區(qū)域，破壞形式如圖2所示。梁體對應(yīng)的開裂荷載為68 kN，屈服荷載為120 kN，極限荷載為160.9 kN。

圖2 靜力試驗梁破壞形態(tài)

對于不同區(qū)間內(nèi)跨中撓度、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋對應(yīng)荷載-應(yīng)變曲線分別如圖3～5所示。

圖3 靜力試驗梁跨中截面荷載-撓度曲線

從圖3可知:在不同加載區(qū)間內(nèi)，隨著荷載提高，裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展，對應(yīng)抗彎剛度逐漸減小，在相同荷載下跨中撓度不斷變大。在達到屈服荷載前，撓度增量不明顯，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，表明反復(fù)加載對梁體剛度影響較小。到荷載增加到屈服荷載時，裂縫寬度及高度出現(xiàn)較大的增長，梁截面剛度明顯減小，對應(yīng)撓度變化較大。荷載繼續(xù)增加到極限荷載過程中，主要裂縫(純彎段豎向裂縫和剪彎段斜裂縫)基本出現(xiàn)，裂縫發(fā)展相對緩慢，撓度增量相對較小。達到極限荷載時，維持荷載不變撓度急劇增加，梁體失去承載能力。

圖4 靜力試驗梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖5 靜力試驗梁預(yù)應(yīng)力筋荷載-應(yīng)變曲線

由圖4、5可知：普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋荷載-應(yīng)變趨勢較為接近，由于鋼筋屈服后，截面應(yīng)力發(fā)生重分布，鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變增量較大，造成測點位置處的應(yīng)變片損壞，該文重點對屈服荷載前的受力情況進行分析。根據(jù)圖4，不同加載區(qū)間內(nèi)相同荷載對應(yīng)的受拉鋼筋應(yīng)變逐漸增大，在屈服荷載前應(yīng)變增量不明顯，屈服荷載附近應(yīng)變增量明顯。根據(jù)圖5，由于預(yù)應(yīng)力筋在整個加載過程中處于彈性范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力筋上測點的應(yīng)變在不同階段基本呈線性變化。屈服荷載前，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變變化不大，屈服荷載后，由于剛度損失導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變明顯增加。

根據(jù)上述分析結(jié)果，梁體在整個加載過程中表現(xiàn)出適筋梁的受力特性，驗證了模型設(shè)計的合理性。根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變情況，發(fā)現(xiàn)反復(fù)加載對預(yù)應(yīng)力筋受力存在影響，因此需要進一步開展疲勞試驗明確預(yù)應(yīng)力筋的性能。

2.2 靜力有限元結(jié)果

為了進一步驗證靜力試驗結(jié)果的有效性，該文借助有限元程序Ansys，采用分離式模型完成建模，其中混凝土采用實體Solid65單元模擬，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋均采用Link8單元模擬，混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋采用節(jié)點耦合方式連接形成整體，采用初始應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力。

混凝土單元選用多線性等向強化模型(MISO)，參考GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給出混凝土單軸本構(gòu)關(guān)系；鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋選用雙線性隨動強化模型(BKIN)，其中鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，預(yù)應(yīng)力筋采用Romberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系，相關(guān)材料參數(shù)按照1.2節(jié)實測值，考慮到結(jié)構(gòu)及加載方式對稱性特點，該文只建立一半模型。開裂荷載和極限荷載對應(yīng)實測值及有限元計算特征荷載值如表2所示。

表2 試驗梁開裂荷載及極限荷載

由表2可知：開裂荷載計算值為81.6 kN，試驗值為68 kN，計算值偏大，是因為在建模過程中采用初始應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力，忽略了由于預(yù)應(yīng)力筋與管道摩擦等引起的預(yù)應(yīng)力損失，使得跨中截面有效預(yù)應(yīng)力相對較大，造成開裂荷載值偏高。對于極限荷載，根據(jù)極限承載力計算公式，其數(shù)值只與鋼筋、混凝土材料參數(shù)及受壓區(qū)高度有關(guān)，數(shù)值計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，計算值約為試驗值的1.06倍，表明重復(fù)加載對梁體承載力存在一定影響。

3 疲勞試驗分析

3.1 疲勞試驗結(jié)果

為了明確反復(fù)加載下預(yù)應(yīng)力筋受力情況，進行模型梁疲勞加載試驗。根據(jù)靜力試驗結(jié)果，疲勞加載試驗荷載上限值為40 kN，荷載下限值為8 kN，按照正弦波形式施加，加載頻率控制在3 Hz。加載過程中每隔15×104次停機進行一次靜力加載，并在循環(huán)加載中每隔1×104次進行一次動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。200×104次循環(huán)加載結(jié)束后，梁體未觀察到裂縫，加載過程中受拉區(qū)混凝土應(yīng)變不斷增長而預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變不斷減小。

由于梁體未開裂，預(yù)應(yīng)力混凝土梁各組成材料協(xié)調(diào)工作，梁體剛度基本保持不變，梁體處于彈性工作階段，因此不同循環(huán)次數(shù)后靜力加載過程中曲線基本重合并呈線性關(guān)系，不同循環(huán)次數(shù)后靜力加載過程中鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋荷載-應(yīng)變曲線如圖6、7所示。混凝土和鋼筋應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加無明顯增長趨勢，應(yīng)變幅值波動較小，對應(yīng)應(yīng)變幅值變化曲線如圖8所示。

圖6 疲勞試驗梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖7 疲勞試驗梁預(yù)應(yīng)力筋荷載-應(yīng)變曲線

圖8 疲勞試驗梁應(yīng)變幅值變化曲線

200×104次循環(huán)加載過程中預(yù)應(yīng)力累積損失曲線如圖9所示。

圖9 疲勞試驗梁預(yù)應(yīng)力累積損失

由圖9可知：預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的增加存在累積損失，在200×104次循環(huán)加載過程中預(yù)應(yīng)力損失大體可以分為3個階段：前40×104次循環(huán)加載過程中，預(yù)應(yīng)力損失幅度較大；40×104～180×104次循環(huán)加載過程中，預(yù)應(yīng)力基本保持不變；后20×104次循環(huán)加載過程中，預(yù)應(yīng)力損失幅度加快，但下降速率小于第一階段。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋實測數(shù)據(jù)，200×104次循環(huán)加載結(jié)束后，40 kN對應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失為175 με，約為張拉錨固后跨中截面有效預(yù)應(yīng)力的3.52%，8 kN對應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失為232 με，約為張拉錨固后跨中截面有效預(yù)應(yīng)力的4.67%。

3.2 疲勞加載后靜力破壞

為了驗證疲勞加載對梁體承載力的影響，循環(huán)加載后進行靜力破壞試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，疲勞試驗梁破壞現(xiàn)象與靜力加載梁的情況相同。構(gòu)件的破壞始于底緣混凝土開裂，隨后受拉鋼筋屈服，最終純彎段受壓邊緣混凝土壓碎，破壞時受拉鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

根據(jù)2.2節(jié)，靜力加載梁極限承載力的試驗值和計算值分別為160.9 kN和170.0 kN，疲勞加載后靜力破壞得到試驗梁的極限荷載為167 kN。從對比結(jié)果可知：梁體在未疲勞開裂前，反復(fù)加載對梁體承載力影響不大，極限承載力基本保持不變。

根據(jù)文獻[10]中關(guān)于T形截面受彎構(gòu)件正截面承載力計算公式，材料參數(shù)按照規(guī)范規(guī)定取值，得到模型梁規(guī)范計算值為122.18 kN，兩片梁極限荷載試驗值分別為規(guī)范計算值的1.32倍及1.37倍，相比于現(xiàn)行規(guī)范均具有一定安全儲備。

4 結(jié)論

該文對模型梁靜力和疲勞試驗過程進行詳細闡述，并根據(jù)試驗結(jié)果對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力性能及預(yù)應(yīng)力損失進行了分析，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及有限元計算結(jié)果，討論了梁體承載性能變化，得到如下結(jié)論：

(1) 梁體未開裂前，重復(fù)荷載對梁體剩余承載力影響不大，相比于現(xiàn)行混凝土設(shè)計規(guī)范仍有一定的安全儲備。

(2) 預(yù)應(yīng)力混凝土梁在反復(fù)荷載作用下存在預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失隨循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)3階段變化規(guī)律，在200×104次循環(huán)加載過程中，加載前期和后期預(yù)應(yīng)力損失相對較大，在中期預(yù)應(yīng)力基本保持不變。

(3) 不同荷載下預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力損失存在差別，疲勞上限對應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失約為錨固后張拉控制應(yīng)力的3.52%，疲勞下限對應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失約為錨固后張拉控制應(yīng)力的4.67%。

(4) 該文僅通過單片梁的重復(fù)加載試驗，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力損失及承載性能變化進行初步討論，下一步還需開展不同荷載限值的疲勞試驗，討論不同荷載條件下重復(fù)加載對預(yù)應(yīng)力損失及承載性能的影響程度。