離心成型的粗骨料UHPC輸電桿受彎性能試驗(yàn)

黃福云,桂 奎,陸志軍,馬 宇,黃 偉

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福州 350108;2.福建瑞森水泥制品發(fā)展有限公司,福建 漳平 364400)

普通混凝土電桿存在自重大、抗拉強(qiáng)度較低、桿身易開裂、耐久性差、承載力低等問題[1-4]。難以滿足電桿更多功能、更高強(qiáng)度的要求。針對(duì)普通混凝土電桿易開裂、受彎承載力低等問題。文獻(xiàn)[5-8]開展了鋼纖維混凝土電桿力學(xué)性能試驗(yàn)研究,表明一定量的鋼纖維摻入并不會(huì)出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象;電桿的抗裂度得到了提高,裂縫寬度也有減小的趨勢(shì)。不過,這些方法對(duì)減小電桿自重、提高其耐久性方面仍有所不足。此外,在沿海地區(qū),普通混凝土或鋼纖維混凝土電桿會(huì)受到氯鹽等介質(zhì)腐蝕,常出現(xiàn)樁體過早開裂等問題,進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋和纖維銹蝕等質(zhì)量缺陷,影響結(jié)構(gòu)的正常使用[9]。

為提高上述電桿使用性能,采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)[10-12]替代普通混凝土和纖維混凝土是另一種較具應(yīng)用前景的選擇。相比傳統(tǒng)混凝土電桿,UHPC電桿不僅能提高其使用壽命以及耐久性能(高抗?jié)B性、抗凍融性及抗腐蝕性),還可充分發(fā)揮電桿中高強(qiáng)鋼筋抗拉性能和材料抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)[13-14]。然而,常規(guī)UHPC存在早期收縮和開裂等問題[15],并不能充分發(fā)揮其超高性能的特點(diǎn)。也有研究表明,加入一定量的粗骨料可以改善UHPC早收縮效果[16]、從而進(jìn)一步優(yōu)化其力學(xué)性能[17-19]。此外,文獻(xiàn)[20]表明,UHPC輸電桿需要添加一定量的粗骨料才能離心成型,但未給出具體配合比,并且該輸電桿壁厚過大,將其應(yīng)用在實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。遼寧某企業(yè)已研制出薄壁UHPC輸電桿[21],其電桿重量降低了一半,但成型方式為立式澆筑,成型效率低,且脫模工藝繁復(fù),成本較高。為改進(jìn)其成型工藝,文獻(xiàn)[22]在常規(guī)UHPC材料的基礎(chǔ)上優(yōu)化其配合比,通過離心成型方式制出UHPC環(huán)形管構(gòu)件。

綜上所述,現(xiàn)有研究僅限于UHPC材料自身,很少涉及將新材料(UHPC)和新工藝(離心成型)相結(jié)合下的應(yīng)用。為促進(jìn)UHPC輸電桿在國內(nèi)的推廣使用,了解基于離心成型的粗骨料UHPC電桿裂縫發(fā)展,以及承載力等力學(xué)性能較為重要。為此,本文在離心成型工藝基礎(chǔ)上,制作了6根2.0 m含粗骨料的UHPC電桿,并進(jìn)行了受彎試驗(yàn)研究,分析其不同鋼纖維摻量和不同配筋率下的破壞模式、跨中變形、應(yīng)變發(fā)展規(guī)律、剛度退化以及受彎承載力等力學(xué)性能,為基于離心成型含粗骨料的UHPC電桿設(shè)計(jì)和有關(guān)規(guī)范的制定提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

UHPC中的主要材料水泥、硅灰、粗砂、中砂、細(xì)砂、減水劑、石灰石粉的配合比為1∶0.3∶0.71∶047∶0.24∶0.025∶0.15。水泥采用福建“紅獅牌”P.O 52.5硅酸鹽水泥。硅灰產(chǎn)于西寧鐵合金廠,其SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于90%。石英砂分為3種不同粒徑,包括粗粒徑砂(1.25～0.63 mm)、中粒徑砂(0.63～0.315 mm)、細(xì)粒徑砂(0.315～0.16 mm)。減水劑采用聚羧酸類高效減水劑,減水率高達(dá)25%以上。石灰石粉主要成分為碳酸鈣。另外,以粒徑為5 mm的玄武巖碎石為粗骨料,摻量為800 kg/m3。鋼纖維采用贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的直線型冷拔鍍銅鋼絲纖維,其公稱粒徑為0.2 mm,公稱長度為13 mm,彈性模量為200 GPa,抗拉強(qiáng)度為2 850 MPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)預(yù)制并成功離心成型出6根含粗骨料的UHPC環(huán)形電桿。其設(shè)計(jì)長度均為2.0 m,外徑均為300 mm、內(nèi)徑均為220 mm、壁厚均為40 mm,試件編號(hào)分別為U-1～U-6。此外,參考文獻(xiàn)[23-24],將鋼纖維摻量和配筋率作為UHPC電桿的基本參數(shù)。U1～U4電桿鋼纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%,沿環(huán)形截面均布置12根Φ10的縱向鋼筋,配筋率為2.8%;U-5電桿的鋼纖維摻量為1.0%,沿環(huán)形截面布置12根Φ8的縱向鋼筋,配筋率為1.8%;U-6電桿的鋼纖維摻量為1.0%,沿環(huán)形截面布置12根Φ12的縱向鋼筋,配筋率為3.8%。同時(shí),各電桿沿桿長方向每100 mm設(shè)置一道Φ6的橫向箍筋。各電桿參數(shù)變化如圖1所示。

圖1 UHPC電桿截面

1.3 離心制度及成型效果

最佳的離心制度是保證混凝土在離心階段過程中盡可能排除多余水分,減少截面分層現(xiàn)象,從而達(dá)到最佳密實(shí)度。對(duì)于UHPC材料,由于高摻量減水劑的作用,以及離心振動(dòng)下使其流動(dòng)性較高,過長的拌和時(shí)間會(huì)造成UHPC組分離析。因此,普通混凝土輸電桿或管樁的離心制度并不完全適用于UHPC構(gòu)件。本次試驗(yàn)參照普通混凝土輸電桿離心制度和UHPC混凝土離心特點(diǎn),并經(jīng)過多次調(diào)整離心速度、時(shí)間、離心加速度參數(shù),確定了UHPC電桿離心制度,如表1所示。

表1 UHPC試件離心制度

由圖2(a)可知,對(duì)于摻加粗骨料UHPC電桿,離心后模邊合縫處無漏漿、無環(huán)向和縱向裂縫,且輸電桿合縫處的情況良好。外表面光滑透亮,無麻面、粘皮和蜂窩等現(xiàn)象,也未出現(xiàn)每米長度內(nèi)麻面或粘皮總面積大于相同長度外表面積5%的情況。總體上滿足《超高性能混凝土電桿》(T/CEC 143—2017)標(biāo)準(zhǔn)[24]的要求。由圖2(b)可知,離心成型的電桿壁厚均勻,無多余的凈漿堆積,截面鋼纖維分布均勻。說明骨料的摻加可明顯改善鋼纖維的分布形式,能防止鋼纖維“跑偏”,減少鋼纖維集中分布在最外層。

圖2 試件離心成型效果

1.4 材性力學(xué)性能

根據(jù)GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》[25],本試驗(yàn)制作了100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,用于測(cè)試含粗骨料的UHPC立方體抗壓強(qiáng)度fcu、劈裂抗拉強(qiáng)度ftk、抗折強(qiáng)度fcf和彈性模量Ec。另外,本試驗(yàn)也制作了基于離心成型的0.3 m環(huán)形試件,并將其沿截面均等分割為6份,分別對(duì)離心成型的含粗骨料的UHPC軸心抗壓強(qiáng)度fc和劈裂抗拉強(qiáng)度f′tk進(jìn)行測(cè)試,其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。由表2可知,隨著鋼纖維摻量由0%逐漸增加至1.5%,各試件的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均有不同程度的提高。離心后的環(huán)形試件軸心抗壓強(qiáng)度約為立方體抗壓強(qiáng)度的75%;環(huán)形試件劈裂抗拉強(qiáng)度則為立方體試件的73%～82%,平均為76%。

表2 含粗骨料的UHPC基本力學(xué)性能

此外,UHPC電桿分別采用Φ8、Φ10、Φ12的HRB400級(jí)縱向鋼筋,其屈服強(qiáng)度fy分別為456.9 MPa、462.5 MPa、456.9 MPa;彈性模量E分別為200.3 GPa、201.5 GPa、202.1 GPa。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

本文在試驗(yàn)中布置了兩種傳感器:位移計(jì)和應(yīng)變片,具體布置情況如圖3所示。其中,在電桿的跨中、三分力點(diǎn)位置以及支座兩端頂部安裝了5個(gè)位移傳感器,編號(hào)為D1～D5。在電桿跨中截面處沿環(huán)向布置了10片混凝土應(yīng)變片。為防止試驗(yàn)因素導(dǎo)致構(gòu)件底部應(yīng)變片過早失效,對(duì)構(gòu)件受拉區(qū)域測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了加密,編號(hào)分別為S1～S10。另外,在底部鋼筋布置了3片鋼筋應(yīng)變片,編號(hào)為B1～B3。

圖3 傳感器布置圖

1.6 加載裝置

本次試驗(yàn)中,由于沒有可直接適用于UHPC電桿標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩的規(guī)范。因此,本試驗(yàn)參照普通混凝土電桿規(guī)范進(jìn)行加載。其加載方式是:根據(jù)普通混凝土輸電桿極限承載力的計(jì)算方法初步估算出標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩(約為承載力檢驗(yàn)彎矩的50%),按照標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩的5%得到加載步長。每兩級(jí)加載之間靜停3 min,觀測(cè)并記錄各項(xiàng)讀數(shù)。當(dāng)跨中環(huán)向裂縫出現(xiàn)時(shí),每級(jí)加載步長取標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩的2.5%。加載至試件裂縫寬度大于0.04 mm時(shí),恢復(fù)原來的加載步長,隨后加載至試件破壞,觀測(cè)并記錄各項(xiàng)讀數(shù)。試驗(yàn)加載裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞模式

為了更好地描述含粗骨料的UHPC電桿試驗(yàn)現(xiàn)象,此處僅給出典型試件U-3的破壞特征,如圖5所示。電桿在荷載作用下可分為彈性、裂縫開展和破壞3個(gè)受力階段:

圖5 試件破壞形態(tài)

1)彈性階段。加載初期,構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài),未出現(xiàn)裂縫,僅電桿的豎向撓度緩慢增大。當(dāng)荷載增加至極限承載力的16.9%時(shí),構(gòu)件在跨中截面底部出現(xiàn)第一條細(xì)微裂縫,裂縫寬度為0.04 mm。

2)裂縫開展階段。隨著荷載的增加,不斷有新的裂縫產(chǎn)生,當(dāng)荷載增加至極限承載力的22.5%時(shí),在純彎區(qū)段新增6條細(xì)微裂縫,并均勻分布在跨中截面兩側(cè)。而已有的裂縫寬度和長度也逐漸發(fā)展,但已有裂縫的發(fā)展延伸則比較緩慢,主要是因?yàn)榭缭搅芽p的鋼纖維參與抗拉工作并起到橋接作用,同時(shí)對(duì)裂縫的發(fā)展形成一定的阻礙。另外電桿沿全截面均勻配置的縱向鋼筋對(duì)周圍混凝土的約束作用較強(qiáng),也進(jìn)一步限制了裂縫的發(fā)展。當(dāng)荷載增加至極限承載力的50.7%時(shí),彎剪區(qū)段出現(xiàn)了由支點(diǎn)指向加載點(diǎn)的斜裂縫,此時(shí)跨中截面處主裂縫的最大寬度發(fā)展至0.29 mm。

3)破壞階段。繼續(xù)加載至極限荷載的91.5%時(shí),跨中底部受拉鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變,純彎區(qū)不再產(chǎn)生新的環(huán)向主裂縫,彎剪區(qū)段也不再產(chǎn)生斜裂縫,僅是在原有裂縫的基礎(chǔ)上發(fā)展。此時(shí)斷裂截面鋼纖維裸露,并沒有出現(xiàn)混凝土脫落的現(xiàn)象。繼續(xù)加載,跨中撓度和裂縫寬度急劇增大,并伴隨有混凝土的斷裂聲及纖維的拉扯聲。當(dāng)荷載增加到極限承載力時(shí),頂面受壓區(qū)混凝土被壓碎,裂縫寬度超過2 mm,構(gòu)件宣告破壞。

此外,U-1～U-4電桿在純彎區(qū)分別產(chǎn)生了14條、11條、10條和9條環(huán)向主裂縫,主裂縫沿環(huán)形截面呈現(xiàn)出非貫通的分布形態(tài),沿桿長方向?yàn)殚g斷分布,其裂縫長度由跨中向兩側(cè)逐漸減小。主裂縫間距為6～10 mm,分布較為均勻,鋼纖維的摻入對(duì)電桿的主裂縫間距基本沒有影響。而鋼纖維含量最低的U-1電桿在主裂縫之間產(chǎn)生短細(xì)的次裂縫較少。隨著鋼纖維含量的提高,U-2～U-4電桿產(chǎn)生短細(xì)的次裂縫逐漸增多。由此說明,鋼纖維的摻入在一定程度上阻礙裂縫的發(fā)展,而且鋼纖維含量越多,電桿主裂縫數(shù)量越少,短細(xì)的次裂縫越多,其阻裂效果越明顯,電桿的抗裂性能越強(qiáng)。

對(duì)于配筋率不同的電桿,U-5、U-3和U-6電桿產(chǎn)生的環(huán)向主裂縫數(shù)量相差不大,但U-5電桿環(huán)向主裂縫長度較長,最長可達(dá)61 cm,而U-3電桿最大主裂縫長度為42 cm、U-6構(gòu)件則為31 cm。說明隨著配筋率的提高,構(gòu)件裂縫長度逐漸減小,較高的配筋率可以延緩裂縫開展。

圖6(a)為不同鋼纖維含量的UHPC輸電桿荷載-裂縫寬度曲線。由圖可知,加載初期,構(gòu)件未開裂,隨著荷載增加,各構(gòu)件裂縫寬度逐漸增大,但裂縫開展較慢。當(dāng)最大裂縫寬度為0.4 mm時(shí),各曲線出現(xiàn)了較為明顯的拐點(diǎn),此時(shí)曲線斜率變小,裂縫開展速率加快。比較U-1～U-4電桿各曲線可知,相同荷載下,鋼纖維含量越多,裂縫寬度越小。如當(dāng)荷載為225 kN時(shí),U-1～U-4跨中截面裂縫最大寬度分別為0.67、0.37、0.32、0.28 mm。主要是因?yàn)榭缭搅芽p的鋼纖維參與抗拉工作,同時(shí)也起到橋接作用,對(duì)裂縫的延伸形成阻礙。說明鋼纖維可以起到良好的抗裂作用,鋼纖維含量越多,其阻裂效果明顯。尤其是鋼纖維摻量為1.5%時(shí),阻裂效果最好。

圖6 試件裂縫發(fā)展

圖6(b)為不同配筋率的UHPC輸電桿荷載-裂縫寬度曲線。由圖可知,各電桿曲線斜率先增大后減小,裂縫先緩慢開展,隨后開展速率加快。U-3和U-6電桿曲線趨勢(shì)基本一致,而配筋率較小的U-5電桿出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),隨后斜率明顯下降,裂縫急劇開展。主要原因是電桿縱向配筋率較小,鋼纖維混凝土與鋼筋的黏結(jié)力不足,截面一旦開裂后,部分鋼纖維退出工作。說明較低的配筋率不能充分發(fā)揮兩者的協(xié)同工作。當(dāng)加載到210 kN時(shí),U-5、U-3和U-6電桿的裂縫寬度分別為0.56、0.29、0.26 mm。由此說明,相同荷載下,較高的配筋率能減小裂縫開展速度,阻礙電桿裂縫發(fā)展。

2.2 荷載-跨中撓度

圖7(a)為不同鋼纖維摻量的UHPC電桿荷載-跨中撓度曲線。由圖可知,加載前期,各電桿的曲線近似線性增長,此時(shí)為彈性變形階段,曲線斜率較大。隨著荷載增加,電桿跨中位移逐漸增大,各電桿曲線均有明顯的拐點(diǎn),隨后曲線斜率均減小,變形增長速率加快。其中U-1電桿曲線斜率明顯低于U2～U4電桿,這是因?yàn)閁-1電桿跨裂縫的截面沒有鋼纖維參與工作,截面抗拉強(qiáng)度小。U-1～U-4電桿的最大承載力分別為297、374、390.5、423.5 kN,后三者比前者分別提高了25.9%、31.5%、42.6%。說明鋼纖維摻量越高,電桿的承載能力也越強(qiáng)。另外,U-1～U-4電桿破壞時(shí)跨中撓度分別為17.6、33.82、32.79、32.48 mm,后三者比前者分別提高了92.2%、86.3%和84.5%,但U-2～U-4三者相差不大。由此說明,電桿中摻入鋼纖維可顯著提升其延性性能。由圖還可知,當(dāng)荷載達(dá)到360 kN時(shí),U-2～U-4電桿跨中撓度為25.1、20.1、16.0 mm。由此說明,相同荷載下,隨著鋼纖維摻量增多,試件抵抗荷載變形的能力也越強(qiáng)。

圖7 荷載-跨中撓度曲線

圖7(b)為不同配筋率UHPC電桿荷載-跨中撓度曲線。由圖可知,加載前期,各電桿的荷載-撓度曲線幾乎重合,且呈線性關(guān)系,此時(shí)為彈性變形階段,曲線斜率較大。隨著荷載增加,各曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),構(gòu)件進(jìn)入裂縫開展階段,此后,3根電桿的曲線斜率明顯減小,變形增長速率加快。其中,U-5電桿荷載-撓度曲線明顯低于U-3和U-6電桿,且極限荷載值和跨中撓度值均明顯小于U-3、U-6電桿。而三者的最大荷載分別為258.5、390.5、423.5 kN,后兩者比前者分別提高了51.1%和63.8%。說明配筋率的增大可顯著提高UHPC電桿的承載能力。另外,U-5、U-3和U-6電桿破壞時(shí)的跨中撓度分別為21.37 mm、32.79 mm和34.02 mm,后兩者比前者分別提高了53.4%、59.2%。這表明配筋率的增大也可提升UHPC電桿的延性性能。由圖還可知,當(dāng)荷載達(dá)到253kN時(shí),U-5和U-6電桿跨中撓度分別為17.1、6.4 mm,后者比前者降低了1.67倍。由此說明,相同荷載下,隨著配筋率的提高,電桿跨中位移逐漸減小,其抵抗荷載變形的能力也越強(qiáng)。

2.3 應(yīng)變分析

2.3.1 混凝土壓應(yīng)變

圖8(a)為不同鋼纖維摻量的UHPC電桿混凝土荷載-壓應(yīng)變曲線。由圖可知,加載初期,U-1～U-4的荷載-應(yīng)變曲線大致呈線性增長,曲線基本重合且應(yīng)變值較小。當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入裂縫開展階段,荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),各電桿的跨中截面應(yīng)變均快速增長。其中U-1截面壓應(yīng)變?cè)鲩L最快,U-2～U-4應(yīng)變?cè)鲩L較為緩慢。在相同荷載下(p=165 kN),U-1～U-4的壓應(yīng)變?chǔ)與分別為1.538×10-3、0.85×10-3、0.768×10-3和0.58×10-3,后三者比前者分別降低了44.7%、50.1%、62.3%。由此說明,提高鋼纖維摻量可以延緩電桿裂縫的開展速度,降低混凝土壓應(yīng)變值,且鋼纖維摻量越高,效果越明顯。

圖8 荷載-壓應(yīng)變曲線

圖8(b)為不同配筋率的U-3、U-5和U-6電桿荷載-壓應(yīng)變曲線。由圖可知,在彈性階段時(shí),各電桿的應(yīng)變曲線基本重合。隨著裂縫開展,各電桿跨中截面應(yīng)變出現(xiàn)了不同程度的增長。其中U-5截面應(yīng)變?cè)鲩L最快,U-3和U-6應(yīng)變?cè)鲩L相對(duì)緩慢。當(dāng)荷載增加至170.5 kN時(shí),各構(gòu)件的壓應(yīng)變?chǔ)與值分別為1.462×10-3、0.788×10-3和0.543×10-3,后兩者比前者分別降低了46.1%和62.9%。由此說明UHPC電桿配筋率越大,其壓應(yīng)變值越小。較高的配筋率既能提高構(gòu)件抗裂性能和抵抗變形的能力,又可發(fā)揮UHPC材料超高抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)。

2.3.2 鋼筋拉應(yīng)變

圖9(a)為不同鋼纖維摻量的UHPC電桿跨中鋼筋荷載-拉應(yīng)變曲線。由圖可知,加載初期,U-1～U-4的荷載-拉應(yīng)變曲線大致呈線性增長,曲線基本重合且應(yīng)變值較小。當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入裂縫開展階段,荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),各電桿的鋼筋拉應(yīng)變均快速增長。其中U-1鋼筋拉應(yīng)變?cè)鲩L最快,U-2～U-4應(yīng)變?cè)鲩L較為緩慢,且在相同荷載下(p=187 kN),U-1～U-4的拉應(yīng)變?chǔ)舤分別為1.447×10-3、1.03×10-3、0.892×10-3和0.739×10-3,后三者比前者分別降低了28.8%、38.4%和48.9%。說明鋼纖維摻量較高的UHPC可以先承擔(dān)一部分的荷載,此時(shí)鋼筋承擔(dān)的荷載就小,進(jìn)而有效地阻礙鋼筋應(yīng)變的增長。

圖9 荷載-拉應(yīng)變曲線

圖9(b)為不同配筋率的UHPC輸電桿跨中鋼筋荷載-拉應(yīng)變曲線。由圖可知,加載初期,各電桿跨中截面應(yīng)變均較小,應(yīng)變發(fā)展隨著荷載增加呈線性增長。在裂縫開展階段時(shí),曲線斜率減小,應(yīng)變?cè)鲩L加快。其中,U-3和U-6鋼筋荷載-拉應(yīng)變曲線的斜率明顯高于U-5電桿。當(dāng)U-5跨中鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變3.5×10-3時(shí),U-3和U-6應(yīng)變分別為1.248×10-3、0.905×10-3。由此說明UHPC電桿配筋率越大,相同荷載下的鋼筋拉應(yīng)變值越小,較大的配筋率不僅能顯著降低鋼筋拉應(yīng)變的增長速率,又能充分發(fā)揮與鋼纖維阻裂和抗拉增韌作用。

2.4 剛度退化

圖10(a)為不同鋼纖維摻量的UHPC電桿抗彎剛度退化曲線。由圖可知,曲線大致表現(xiàn)為:加載初期,構(gòu)件剛度迅速下降;接著繼續(xù)加載,剛度退化幅度逐漸變小,曲線逐漸平緩并趨于穩(wěn)定地下降。在加載前期,各電桿剛度變化基本一致,而U-2～U-4電桿的初始剛度比U-1電桿分別提高了7.1%、7.1%和10.3%。加載后期U-1電桿的剛度退化幅度較大,而U-2～U-4電桿剛度相差不大。由此說明,摻加鋼纖維的UHPC電桿截面抗彎剛度顯著提高,其整體抗彎能力也相應(yīng)增強(qiáng)。

圖10 剛度退化曲線

圖10(b)為不同配筋率的UHPC電桿抗彎剛度退化曲線。由圖可知,曲線大致表現(xiàn)為:加載初期,構(gòu)件剛度迅速下降;當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入開裂階段時(shí),剛度退化幅度逐漸變小,并趨于穩(wěn)定地下降。加載前期,U-3電桿下降幅度稍快,U-5和U-6電桿剛度退化曲線基本一致,并且U-6比U-3、U-5的初始剛度略大。加載后期,U-3和U-6電桿剛度退化曲線相差不大,而配筋率最小的U-5電桿曲線下降幅度最為明顯。當(dāng)荷載為70 kN·m時(shí),U-5電桿的剛度為2 905 kN·m2,U-6為4 360 kN·m2,后者比前者提高了50.1%。說明配筋率的提高可減緩電桿截面剛度退化速率,且增強(qiáng)截面抗彎剛度和承載能力。

3 承載力計(jì)算

本文較為系統(tǒng)地收集了管樁或電桿受彎承載力計(jì)算方法:

(1)

αtfyAs=α1αfcA+αfyAs

(2)

αt=0.45(1-α)

(3)

(4)

αt=1-1.5α

(5)

(6)

αt=1.25-2α

(7)

(8)

圖11 電桿截面應(yīng)力分布圖

(9)

αfcA+αfyAs=αtfyAs+αffteA

(10)

(11)

αt=1-1.5α

(12)

αf=1-1.18α

(13)

fte=ftβteλf

(14)

fte=(1+βt)ftβteλf

(15)

式中:α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值;α為等效受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積比值;αt為受拉縱筋面積與全部縱筋面積的比值;αf為受拉區(qū)截面面積與全截面面積比值;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度值,取試件離心后的軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值;fy取縱筋受拉或受壓屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度,取試件離心后的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值;fte為受拉區(qū)鋼纖維混凝土等效矩形應(yīng)力圖形的抗拉強(qiáng)度;βte為鋼纖維對(duì)正截面受彎輸電桿受拉區(qū)抗拉作用的影響系數(shù),根據(jù)規(guī)范[29]選取;λf為鋼纖維含量特征值,根據(jù)規(guī)范[29]選取;βt為混凝土抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù);As為縱筋截面面積;A為UHPC輸電桿截面面積;r1、r2分別為輸電桿的外徑和內(nèi)徑;rs為縱筋至輸電桿圓心的半徑。

表3 受彎承載力計(jì)算值

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了6根基于離心成型的粗骨料UHPC輸電桿受彎試驗(yàn)研究,分析比較了構(gòu)件的破壞模式、荷載-撓度曲線、應(yīng)變、剛度退化以及受彎承載力,得到了以下主要結(jié)論:

1)含粗骨料的UHPC輸電桿破壞方式可分為彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段,呈現(xiàn)出一定的延性破壞特征。電桿主要在彎剪區(qū)產(chǎn)生受拉破壞的環(huán)向主裂縫,以及在支座處產(chǎn)生的斜裂縫,而頂部混凝土產(chǎn)生受壓破壞。

2)鋼纖維的摻入在一定程度上阻礙了裂縫的發(fā)展,電桿表面主裂縫數(shù)量較少,短細(xì)的次裂縫較多,而且鋼纖維摻量越多,阻裂效果越明顯,電桿的抗裂性能也越強(qiáng)。隨著鋼纖維含量由0%增至1.5%,電桿截面的抗彎剛度和承載能力顯著提高,抵抗荷載變形的能力也越強(qiáng)。其正截面抗彎承載力由297 kN增至423.5 kN,提高了42.6%。

3)隨著配筋率由1.8%增至3.8%,電桿的主裂縫數(shù)量相差不大,但裂縫長度和寬度卻明顯減小。截面抗彎剛度和受彎承載力也大幅提高,其正截面承載力由258.5 kN也增至423.5 kN,提高了63.8%。配筋率的提高可增強(qiáng)UHPC電桿的抗裂性能和抵抗變形能力,截面應(yīng)變和剛度退化速率也有所降低。較大的配筋率既可充分發(fā)揮鋼纖維阻裂與抗拉增韌作用,也可發(fā)揮UHPC材料超高抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)。

4)采用普通混凝土電桿受彎承載力計(jì)算方法,其計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較大,不適用于UHPC電桿。采用鋼纖維混凝土和活性粉末混凝土電桿受彎承載力計(jì)算方法與試驗(yàn)值較為接近,但偏于保守,不過隨著UHPC電桿的配筋率和鋼纖維摻量的提高,其理論計(jì)算值與試驗(yàn)值越接近。