應(yīng)力水平對混合骨料鋼筋混凝土梁疲勞性能影響

劉登輝，陳永超

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003)

0 前 言

大量的鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受彎構(gòu)件經(jīng)常遭受反復(fù)荷載的作用，混凝土受彎結(jié)構(gòu)經(jīng)常承受反復(fù)循環(huán)荷載作用下保證其具有充分的疲勞壽命，對結(jié)構(gòu)正常使用的安全性具有重大的意義?；旌瞎橇陷p質(zhì)混凝土一方面克服普通混凝土自重大缺點，另一方面避免全輕混凝土的彈性模量較低的不足，且能克服再生混凝土耐久性差的問題，能夠很好地提高建筑承載力。在重點工程建設(shè)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，具有良好的市場應(yīng)用前景。但是混合骨料混凝土中配置鋼筋后在疲勞荷載作用下能否充分發(fā)揮其作用，仍然需要進(jìn)一步研究。

1 研究現(xiàn)狀

Williams[1]研究了在不同骨料類型下混凝土的彎曲疲勞強(qiáng)度性質(zhì)，研究表明：普通骨料混凝土的疲勞強(qiáng)度要比輕骨料混凝土的疲勞強(qiáng)度要大些。Warren等[2]研究了輕骨料混凝土圓柱體試件在25.5 MPa(或3 700 psi)和42.7 MPa(或6 200 psi)兩種強(qiáng)度下的抗壓疲勞性能，研究表明：靜載強(qiáng)度的高低對輕骨料混凝土的疲勞強(qiáng)度的影響不是太明顯，輕骨料混凝土的疲勞性能類似于普通骨料混凝土。Tepfers和Kutti[3]對比研究了輕骨料混凝土和普通混凝土的抗壓疲勞性能，研究表明：密度對混凝土疲勞性能的影響不是太顯著。Sparks[4]的試驗得出類似結(jié)論。Klaiber和Lee[5]研究了不同粗骨料類型、空氣含量對彎曲疲勞強(qiáng)度的影響。研究表明：隨空氣含量的不斷增加疲勞強(qiáng)度是逐漸減小，粗骨料的強(qiáng)度越高混凝土的疲勞強(qiáng)度相應(yīng)的就越高。Cornellissen[6]發(fā)現(xiàn)在波動拉荷載下普通骨料混凝與輕骨料混凝土的疲勞強(qiáng)度大致是相同的，但在波動拉-壓荷載下輕骨料混凝土疲勞強(qiáng)度相對較低；王賢磊[7]進(jìn)行了T 形預(yù)應(yīng)力輕骨料混凝土梁的疲勞受彎試驗，并通過與輕骨料纖維混凝土梁試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)前者抗疲勞性能更優(yōu)。張安安[8]研究了輕骨料混凝土空心板梁橋跨結(jié)構(gòu)的動載試驗，并與普通混凝土進(jìn)行對比。研究發(fā)現(xiàn)，輕骨料混凝土橋跨結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、結(jié)構(gòu)自振周期長、阻尼系數(shù)大的優(yōu)點；另外，在靜載和動載作用下，輕骨料混凝土橋跨的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)動力能滿足規(guī)范和安全要求。

本文對鋼筋-混合骨料混凝土梁抗彎疲勞性能進(jìn)行了試驗研究。通過對其在疲勞荷載作用下破環(huán)規(guī)律的系統(tǒng)總結(jié)并與普通混凝土比較分析，為輕骨料混凝土能在實際工程中應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件設(shè)計

1)配合比設(shè)計。試驗依據(jù)本課題組前期試驗結(jié)果和工程實踐，按照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T12—2019) 進(jìn)行試配，設(shè)計出強(qiáng)度等級為 LC40的全輕混凝土的最優(yōu)配合比，在全輕最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上河砂體積取代率(Ss)最佳值為10%，碎石體積取代率(Sa)最佳值為25%配制混輕混凝土的配合比。如表1所示。

表1 LWSCCs 的配合比

2)尺寸擬定和試驗梁設(shè)計。在設(shè)計鋼筋混凝土梁時，首先根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》確定梁的截面尺寸b×h=150 mm×300 mm，計算跨度l0=2100 mm配筋率為0.56。受力鋼筋采用HRB400，縱向受力配筋為2Φ12，配筋率為0.56%。

2.2 試驗方法

本試驗在電液伺服的疲勞試驗機(jī)上完成的。機(jī)器出自長春，500 kN是其所能承受的最大荷載。靜載試驗采用分級加載方式，初期5 kN為1級，裂縫產(chǎn)生后變?yōu)?0 kN。疲勞試驗采用等幅正弦波加載，頻率定為6 Hz。應(yīng)力水平選為0.55、0.65、0.75、0.85。在加載到0、1、5、10、20、50、100、150、200萬次的循環(huán)次數(shù)時，轉(zhuǎn)變加載方式，進(jìn)行一次靜力加載，當(dāng)試件達(dá)到 2×106次后，還具備承載能力且裂縫和撓度沒有達(dá)到極限值，則停止該試驗，記下相應(yīng)次數(shù)，施加靜力直到破壞同時記下該試件的極限荷載。

3 試驗結(jié)果

3.1 應(yīng)力水平對鋼筋-混合骨料疲勞變形的影響

不同應(yīng)力水平下循環(huán)次數(shù)-撓度曲線如圖1所示。從單個撓度-循環(huán)次數(shù)分析：曲線大致分兩個階段，在10萬次時出現(xiàn)拐點，初始階段撓度隨循環(huán)次數(shù)的增加，撓度迅速增長。這是因為前期循環(huán)試驗過程中不斷有新的裂縫產(chǎn)生，裂縫導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，故撓度變化比較明顯。在10萬次后由于主裂縫基本全部出現(xiàn)。撓度進(jìn)入了平穩(wěn)期，隨循環(huán)次數(shù)的增大沒有明顯變化。從整體進(jìn)行分析：應(yīng)力水平對試件撓度的影響是很大的，且其參與撓度隨著應(yīng)力水平的增加而變大。故高應(yīng)力水平下，構(gòu)件能否正常工作，還是值得研究的。

圖1 梁撓度-循環(huán)次數(shù)曲線

3.2 應(yīng)力水平對鋼筋-混合骨料裂縫的影響

試驗中測得輕骨料混凝土梁的裂縫情況如圖2所示。

圖2 不同應(yīng)力水平循環(huán)次數(shù)-裂縫最大寬度曲線

根據(jù)圖2可知，筋-混合骨料混凝土梁初始裂縫寬度比鋼筋混凝土梁的大，并且鋼筋-混合骨料混凝土梁縫寬度在整個循環(huán)過程中變化比較大，相比于鋼筋混凝土梁更加穩(wěn)定；隨著應(yīng)力水平在疲勞荷載作用不斷增大，裂縫開展的更迅速及裂縫寬度更大。相同配筋率的鋼筋-混合骨料混凝土梁與鋼筋混凝土梁在同等應(yīng)力水平下進(jìn)行對比，前者的裂縫寬度小于后者，但裂縫產(chǎn)生的數(shù)目大于后者，而且裂縫間距相對要小。因此，應(yīng)力水平對裂縫的發(fā)展有著顯著影響。

4 結(jié) 論

1)跨中撓度因為能體現(xiàn)混凝土裂縫的變化過程，也能反映構(gòu)件內(nèi)部間存在的粘結(jié)滑移性能。所以能更好地反映梁試件的疲勞性能。在循環(huán)荷載作用下，混合-骨料混凝土梁的最大撓度和殘余撓度在循環(huán)荷載作用下隨著應(yīng)力水平的增加而不斷增大，而撓度-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率是減小的。

2)疲勞作用下，鋼筋-混合骨料混凝凝土梁的撓度-循環(huán)次數(shù)的曲線關(guān)系大致滿足三階段發(fā)展規(guī)律：初始時由于裂縫的不斷產(chǎn)生，剛度隨疲勞次數(shù)的增加退化相對比較迅速。當(dāng)裂縫全部產(chǎn)生后剛度變化趨向穩(wěn)定。直到最后構(gòu)件疲勞破壞時。

3)鋼筋-混合骨料混凝土梁與鋼筋混凝土梁在不等應(yīng)力水平下進(jìn)行對比，前者的裂縫寬度小于后者，但產(chǎn)生的裂縫數(shù)目大于后者，而且裂縫間距相對要小。因此，應(yīng)力水平對裂縫的發(fā)展有著顯著影響。

4) 相同條件下，應(yīng)力比越低，疲勞壽命越短。

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