循環(huán)荷載作用下鋼纖維混凝土梁疲勞試驗(yàn)研究

馮仲仁， 呂爾燕， 郭蒙蒙

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

鋼纖維可以很好地改善混凝土的抗裂和抗疲勞性能，可以在一定程度上抑制鋼纖維混凝土梁在循環(huán)荷載作用下的裂紋擴(kuò)展。但是鋼筋和鋼纖維混凝土的材料性能有很大差別，只能采用簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行計(jì)算，這樣的計(jì)算得到的結(jié)果和實(shí)際情況有很大的差別，因此為了建立準(zhǔn)確的分析模型，進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究十分必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼纖維混凝土做了一些相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。Nanni A對(duì)摻入兩種不同類(lèi)型鋼纖維的混凝土進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)，探究其力學(xué)性能；Germano F對(duì)鋼纖維切口梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，探究鋼纖維對(duì)疲勞壽命的影響；S. Goel對(duì)100 mm×100 mm×500 mm的鋼纖維混凝土梁進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，得到不同荷載幅值作用時(shí)試驗(yàn)梁的S-N曲線，分析了鋼纖維對(duì)試件疲勞力學(xué)行為特征的影響；侯蔚峰對(duì)鋼纖維含量不同的混凝土梁進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，研究鋼纖維對(duì)彎曲性能的影響；楊潤(rùn)年設(shè)計(jì)了鋼纖維混凝土梁的彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)其損傷規(guī)律進(jìn)行研究；黃隆洋等設(shè)計(jì)了不同鋼纖維摻入率的混凝土梁疲勞試驗(yàn)，探究鋼纖維體積率對(duì)疲勞壽命的影響。既有研究主要針對(duì)鋼纖維混凝土的材料特性及鋼纖維的影響等方面，鮮有對(duì)尺寸較大的結(jié)構(gòu)疲勞特性、力學(xué)性能等進(jìn)行試驗(yàn)研究。該文設(shè)計(jì)10片不同鋼纖維摻入率的混凝土梁，在3種荷載狀況下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)鋼纖維混凝土梁在疲勞荷載作用下的受力變形、破壞形式等進(jìn)行研究，分析摻入鋼纖維對(duì)混凝土梁的抗疲勞性能的影響，以期充分發(fā)揮鋼纖維混凝土的優(yōu)越性，更好地解決鋼纖維混凝土的抗疲勞問(wèn)題。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

1.2 加載工況

對(duì)于靜載試驗(yàn)梁，以縱向受拉鋼筋屈服作為試驗(yàn)梁的屈服荷載Py，試驗(yàn)梁發(fā)生破壞時(shí)的荷載為極限荷載Pu，試驗(yàn)測(cè)得Py=150.4 kN，Pu=238.3 kN。疲勞試驗(yàn)荷載上限值分別為靜載試驗(yàn)確定的屈服荷載Py的45%、55%和65%，下限值取屈服荷載Py的10%。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中分別記錄第1條裂紋寬度達(dá)到0.2 mm時(shí)的循環(huán)次數(shù)為容許疲勞壽命N0.2，鋼纖維混凝土梁屈服時(shí)的循環(huán)次數(shù)為屈服疲勞壽命Ny，鋼纖維混凝土梁破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)為極限疲勞壽命Nu。疲勞加載直至鋼纖維混凝土梁發(fā)生破壞停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

鋼纖維混凝土梁在循環(huán)加載作用下，1片發(fā)生彎曲破壞，與靜力加載破壞形式相似；另外8片均發(fā)生剪切破壞，鋼纖維混凝土梁破壞形態(tài)如圖1所示。試驗(yàn)梁破壞前有明顯的征兆，試驗(yàn)梁跨中撓度、混凝土和受拉鋼筋應(yīng)變都快速增大，同時(shí)梁內(nèi)發(fā)出“咯吱”響聲。

圖1 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)梁疲勞壽命

試驗(yàn)梁疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從初步試驗(yàn)結(jié)果可以看出：大多數(shù)試驗(yàn)梁表現(xiàn)為斜截面破壞，最終裂紋的分布情況基本相同，在剪跨區(qū)有1條破壞主裂縫，其裂紋最終分布情況和鋼纖維的摻入量、施加的疲勞荷載大小均不相關(guān)。

表1 試驗(yàn)梁疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出：① 鋼纖維的摻入量對(duì)容許疲勞壽命N0.2有較大的影響。鋼纖維摻入量越大，其容許疲勞壽命N0.2越大，鋼纖維混凝土梁的初始裂紋出現(xiàn)也較晚，其發(fā)展速率也相對(duì)較慢。鋼纖維摻入量對(duì)屈服疲勞壽命Ny以及極限疲勞壽命Nu的影響相對(duì)較小。而疲勞荷載大小和幅值對(duì)裂紋出現(xiàn)的時(shí)機(jī)、裂紋出現(xiàn)的初始寬度以及裂紋發(fā)展的速率均有很大的影響，屈服疲勞壽命Ny和極限疲勞壽命Nu均由荷載大小以及荷載幅值決定；② 在最大荷載水平為0.45Py時(shí)，鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命高于200萬(wàn)次，滿足相關(guān)規(guī)范要求，而當(dāng)最大荷載水平高于0.45Py時(shí)，鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命低于200萬(wàn)次，并隨著荷載水平的增加而不斷減小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 跨中荷載-撓度曲線

疲勞荷載作用下，跨中撓度隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加不斷增加，圖2為試驗(yàn)梁B-11、B-33的荷載-撓度曲線。

(a) B-11試驗(yàn)梁

(b) B-33試驗(yàn)梁 圖2 荷載-撓度曲線

從圖2可以看出：荷載-撓度曲線隨著疲勞壽命的增加，不斷向撓度增大的方向移動(dòng)，加載初始階段和后期疲勞破壞階段，跨中撓度增長(zhǎng)相對(duì)比較迅速；加載中期，跨中撓度平穩(wěn)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度緩慢，從荷載-撓度曲線的疏密程度可以看出3個(gè)階段的曲線呈“疏-密-疏”的狀態(tài)。在疲勞加載的前中期，跨中撓度曲線斜率基本沒(méi)有變化，殘余撓度不斷增加，曲線不斷向右移動(dòng)；到了疲勞加載后期，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷不斷累積，鋼纖維混凝土梁的剛度不斷減小，變形增大，荷載-撓度曲線的斜率不斷減小，后期接近疲勞破壞之前，斜率減小更為明顯。

3.2 混凝土荷載-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)過(guò)程中，采集了跨中截面4個(gè)部位的混凝土應(yīng)變值，以試驗(yàn)梁B-11為例，如圖3所示。NO.Z-1、NO.Z-2分別為鋼纖維混凝土梁截面上部受壓區(qū)混凝土荷載應(yīng)變曲線，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?cè)诓粩嘧兇?，殘余?yīng)變不斷增加，曲線斜率基本保持不變；NO.Z-3為中性軸附近區(qū)域混凝土荷載應(yīng)變曲線，壓應(yīng)變曲線逐漸向拉應(yīng)變曲線變化，表明鋼纖維混凝土梁混凝土受壓區(qū)高度在不斷減小，其鋼纖維混凝土梁截面的中性軸也隨之不斷上升；NO.Z-4為受拉區(qū)混凝土荷載應(yīng)變曲線(350萬(wàn)次后應(yīng)變片被拉壞)，拉應(yīng)變曲線隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，不斷向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)，表明殘余拉應(yīng)變?cè)诓粩嘣龃?，拉?yīng)變曲線斜率也在不斷減小，說(shuō)明受拉區(qū)混凝土損傷在不斷積累，彈性模量在逐漸減小。

3.3 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖4為鋼纖維混凝土梁B-11的跨中鋼筋荷載-應(yīng)變曲線。鋼纖維混凝土梁在循環(huán)加載作用下的跨中鋼筋應(yīng)變變化幅值隨循環(huán)加載周期增加的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：鋼纖維的摻入率只在鋼纖維混凝土梁達(dá)到允許疲勞壽命之前，對(duì)受拉鋼筋的應(yīng)變有一定的影響，而疲勞荷載上限值決定了梁底受拉鋼筋應(yīng)變變化幅值的大小。而鋼纖維摻入率的大小決定了允許疲勞壽命的大小，疲勞荷載上限值決定了屈服疲勞壽命和極限疲勞壽命大小。鋼纖維混凝土梁的最終破壞形態(tài)以及主裂紋的寬度基本相同，梁底受拉鋼筋的應(yīng)變變化幅值也基本一致，荷載上限值越高，破壞時(shí)的疲勞壽命越低。

4 斜截面疲勞驗(yàn)算

對(duì)9片鋼纖維混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，其中8片疲勞試驗(yàn)梁發(fā)生斜截面破壞，而靜載試驗(yàn)梁發(fā)生正截面彎曲破壞。結(jié)果表明構(gòu)件在靜載和循環(huán)荷載作用下的破環(huán)形態(tài)有差異。在疲勞荷載反復(fù)作用下，試驗(yàn)梁的斜裂縫得到充分發(fā)展。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，斜裂縫處混凝土承擔(dān)的剪力逐漸降低；箍筋應(yīng)力、應(yīng)變急劇增加，發(fā)生明顯的內(nèi)力重分配。內(nèi)力重分配加重了箍筋的負(fù)擔(dān)，且箍筋的疲勞強(qiáng)度低于鋼筋本身的疲勞強(qiáng)度，從而使得箍筋首先發(fā)生疲勞破壞。在試驗(yàn)后期，疲勞試驗(yàn)梁的斜裂縫發(fā)展較快，箍筋在往復(fù)荷載作用下首先達(dá)到屈服或者斷裂，斜截面承載力逐漸下降，進(jìn)而發(fā)生斜截面破壞。表2為發(fā)生疲勞斜截面破壞試驗(yàn)梁的箍筋應(yīng)變和斜裂縫寬度實(shí)測(cè)值。與參考文獻(xiàn)[13]、[14]中計(jì)算公式求得的結(jié)果基本一致，由于試驗(yàn)過(guò)程中受應(yīng)變及裂縫寬度測(cè)量誤差的影響，個(gè)別數(shù)值相差較大，但總體試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)是相符的。

圖3 混凝土荷載-應(yīng)變曲線

圖4 B-11梁跨中鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖5 應(yīng)變幅值變化曲線

5 結(jié)論

(1) 鋼纖維摻入量對(duì)裂紋產(chǎn)生的時(shí)機(jī)有著直接的影響，而對(duì)鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命和極限疲勞壽命沒(méi)有太大影響；隨著鋼纖維摻入量的增加，鋼纖維混凝土梁的初裂裂紋也隨之出現(xiàn)較晚，鋼纖維混凝土梁的容許疲勞壽命隨之增大。

(2) 疲勞荷載水平越大，鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命和極限疲勞壽命越小，在荷載水平低于0.45Py時(shí)，鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命高于200萬(wàn)次，滿足相關(guān)規(guī)范的要求；在荷載水平高于0.45Py時(shí)，鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命低于200萬(wàn)次，并隨著荷載水平的增大逐漸減小。

表2 箍筋應(yīng)變與斜裂縫寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(3) 疲勞加載過(guò)程中，受壓區(qū)混凝土殘余應(yīng)變不斷增加，彈性模量沒(méi)有發(fā)生明顯減小；受拉區(qū)混凝土殘余應(yīng)變不斷增大，隨著加載次數(shù)的增加，彈性模量也不斷減?。讳摾w維混凝土梁跨中撓度在加載前期、中期殘余撓度增加，剛度基本保持不變，加載后期，剛度逐漸降低，彈性撓度不斷增大。

(4) 試驗(yàn)梁均發(fā)生斜截面疲勞破壞，在疲勞荷載反復(fù)作用下，試驗(yàn)梁的斜截面承載力逐漸下降，進(jìn)而發(fā)生斜截面破壞，箍筋應(yīng)變和裂紋寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。