預應力活性粉末混凝土梁疲勞性能試驗研究

覃春輝 苗建寶 余 敏

(西安公路研究院有限公司1) 西安 710065) (平利縣交通運輸局2) 安康 725599)

0 引 言

活性粉末混凝土(RPC)是由級配石英砂、水泥、活性礦物摻合料、高效減水劑、鋼纖維,以及水按級配攪拌成型后在一定養護條件下結硬的新型超高性能混凝土材料.與普通混凝土相比,具有高強度、高韌性、高耐久性特點[1-2],因此基于該材料設計的結構往往趨于輕薄化,導致結構中的動力荷載比例越來越高,疲勞問題不容忽視.目前,已有研究主要集中于結構靜力性能[3-4],也有部分學者進行疲勞研究,羅許國等[5]提出了鋼筋活性粉末混凝土梁全壽命周期疲勞應力計算方法并驗證,主要針對配置普通鋼筋的活性粉末混凝土梁疲勞應力計算方法.

施加預應力后結構疲勞性能下降,疲勞荷載的反復作用將引起材料退化并發生脆性破壞[6-7].目前尚不能完全通過理論方法來預測粉末混凝土構件在疲勞荷載作用下的力學性能[8].文中通過對6根具有相同截面及預應力鋼束的活性粉末混凝土梁等幅疲勞試驗,得到預應力活性粉末混凝土梁裂縫、跨中撓度、受壓區邊緣RPC應變和預應力鋼束應變隨疲勞加載次數的變化規律.

1 試驗概況

1.1 試驗梁設計

試件包括6根截面尺寸相同的預應力RPC梁,且僅在受拉區配置兩束公稱直徑為10 mm預應力筋(二股標準強度為1 860 MPa鋼絞線),試驗梁均未配置普通鋼筋,試驗梁的具體尺寸見圖1.

圖1 試驗梁尺寸圖(單位:mm)

1.2 試驗原材料

粉末混凝土基本配合比見表1,基本力學性能見表2.

表1 材料配合比 單位:kg/m3

表2 基本力學性能 單位:MPa

1.3 試驗參數

影響混凝土結構的疲勞性能的因素較多,本次試驗主要考慮如下因素.

1) 鋼纖維含量 RPC混凝土與傳統混凝土最大區別在于其材料組成變化較大,而其中的鋼纖維含量對結構與性能影響較大,因此重點以鋼纖維含量變化驗證其對結構抗疲勞性能的影響[9-10].

構件的抗疲勞性能與材料的性能有很大的關系[11],文中將RPC鋼纖維含量作為試驗的一個重要參數來探討由于材料差異對構件抗疲勞性能的影響.

2) 荷載水平 試件疲勞荷載上限定為65%靜力極限荷載,大于試件開裂荷載[12].作為對比,將另外一個試件疲勞荷載上限定為35%靜力極限荷載,小于開裂荷載.主要參數見表3.

表3 RPC試驗梁參數

2 試驗結果及分析

2.1 靜力試驗

T1-J靜載試驗采用三點式,模型梁的最終破壞形態見圖2a)[13].試件T2-J加載至P=61 kN時模型梁中間純彎段的下邊緣及集中加載區域產生了豎向彎曲裂縫,RPC梁摻入的鋼纖維對裂縫的產生和發展起到限制的作用,其裂縫寬度值較小;同時,截面開裂降低了截面剛度,結構變形速率加快.后續加載中,模型梁的裂縫量和裂縫寬度均增加,之后主裂縫發展快速,截面的中和軸向梁上緣移動,跨中區域頂部RPC混凝土壓裂而導致了主梁失效[14].模型梁的破壞情況見圖2b).試件T2-J荷載-撓度的關系曲線見圖3.

圖2 破壞形態

圖3 荷載撓度曲線

2.2 疲勞試驗

2.2.1疲勞模型試驗結果

對進行疲勞試驗的模型梁先按照靜載試驗要求加載,模型梁T1-1-1靜力試驗后,主梁跨中區域形成豎向裂縫,同時發現了斜向裂縫,對主梁進行疲勞循環加載,跨中區域變形增長發展較快,當進行到2.14萬次時,模型梁最終斜拉破壞.T1-1-2采用的是單點加載方法,同時控制與T1-1-1跨中彎矩一樣,但主梁剪力較小,當循環荷載達到12.38萬次時,該梁最終斜拉破壞.

模型梁T1-2-1,疲勞循環荷載加載至158.2萬次時,出現了剪切脆性破壞;主梁被分割為兩部分,但是主梁的另外一端未見明顯開裂.表明了RPC主梁剪切破壞疲勞問題較突出,應該予以重視.

根據以上問題,第二組模型梁增加了RPC中鋼纖維量含量,模型梁T2-1靜載試驗與T1-1-1同樣出現了豎向裂縫,但是未出現斜向裂縫.與T1-1-1相比,進行了200萬次的疲勞試驗后,模型梁沒有發生破壞.疲勞試驗后又進行了靜力試驗,加載后最終主梁頂板受壓延性破壞.表4為試件應力水平及破壞形態,主梁的承載能力與未進行疲勞試驗的模型梁T2-J基本一致,試驗結果表明除混凝土結構自身的差異性和不均勻性,疲勞試驗未破壞的主梁與正常靜載試驗的主梁承載能力基本一致.

表4 試件應力水平及破壞形態

2.2.2撓度變化

撓度反應主梁結構的剛度,模型梁在不同疲勞循環次數下荷載撓度曲線見圖4.

圖4 模型梁實測荷載撓度曲線

由圖4可知:疲勞模型梁T1-1-1和T1-1-2均為斜拉破壞,主梁在靜力試驗中產生了豎向裂縫及斜向裂縫,疲勞荷載作用下,模型梁撓度不斷發展,最大撓度見圖5a),結構的剛度顯著減小,模型梁T1-1-1在2萬次疲勞荷載作用下,結構剛度下降約63%,而模型梁T1-1-2在10萬次疲勞荷載作用下,結構剛度下降約62%,剛度下降較明顯.

另一個模型梁T1-2-1靜載試驗中加載值小于結構的開裂荷載,同時在150萬次的循環荷載作用下結構未出現新增裂縫,其荷載與撓度曲線見圖4c),撓度發展見圖5b).發展規律明顯呈現兩個階段:前期階段跨中撓度快速增加,大約疲勞荷載50萬次前,后期階段為穩定階段,跨中最大的撓度基本穩定,增量很小,但是破壞階段為脆性破壞.剛度下降約72%,根據實測值擬合撓度與疲勞荷載次數曲線方程如下.

y=0.189 7 lnx+3.660 2

(1)

式中:y為跨中撓度最大值;x為循環荷載次數.

模型梁T2-1,靜載試驗時,跨中區域產生豎向裂縫,荷載撓度曲線見圖4d),跨中最大的撓度發展規律見圖5b),跨中撓度發展可以分為三個階段,第一階段5萬次之前撓度快速發展,第二階段5萬到50萬次撓度發展較塊,達到較大水平;第三階段撓度基本按照比例關系緩慢發展.跨中區域撓度和疲勞荷載循環次數對數呈現線性關系,擬合如下:

圖5 模型梁跨中最大撓度與疲勞循環次數關系

y=0.085 9lnx+6.725 7

(2)

模型梁T2-1在200萬次疲勞荷載作用下未產生破壞現象,剛度的下降速率也較T1試驗梁組較慢,最終達到200萬次循環時剛度下降約75.6%.

2.2.3模型梁裂縫

疲勞試驗模型梁最大裂縫寬度與疲勞荷載循環次數關系見圖6.疲勞荷載上限值產生的彎矩遠大于模型梁的開裂彎矩,斜向裂縫明顯發展,當疲勞循環荷載達到2萬次時最大斜向裂縫的寬度為加載前的5倍左右,發展非常迅速.2.14萬次時,裂縫發展劇烈而引起結構的斜拉失效破壞.

圖6 模型梁裂縫寬度與疲勞循環次數關系

模型梁T1-1-2在疲勞循環荷載為12萬次時,裂縫寬度為加載前的2.5倍左右,而該梁在疲勞循環荷載達到12.38萬次時出現因為斜向裂縫急劇開展導致的斜拉失效破壞,表明在最后的0.38萬次循環荷載作用下斜向裂縫寬度迅速發展,突然脆性破壞.

模型梁T1-2-1經過150萬次疲勞荷載試驗未觀察到裂縫,但是疲勞試驗進行到158萬次出現脆性無征兆的斜拉破壞,裂縫未能觀察到具體過程.試驗結果表明對于無箍筋及彎起筋的RPC梁,疲勞荷載作用下,斜裂縫出現后急速發展,脆性破壞.

模型梁T2-1的裂縫發展與撓度發展過程類似,第一階段5萬次之前裂縫快速發展,第二階段5萬到50萬次裂縫發展較塊,達到較大水平;第三階段裂縫基本穩定,最終裂縫寬度與50萬次相比基本一致.

2.2.4混凝土應變

疲勞荷載試驗模型梁跨中RPC的荷載-應變曲線見圖7,RPC最大應變發展曲線見圖8.靜載試驗中模型梁T1-1-1和T1-1-2出現了斜向裂縫,疲勞試驗過程中應變發展較快,規律明顯.

圖7 跨中RPC荷載-應變曲線

圖8 RPC最大應變發展曲線

模型梁T1-2-1和T2-1斜向裂縫出現之前,模型梁跨中截面的應變50萬次疲勞荷載前應變增長較快.應變為加載前的1.26和1.16倍;50萬次疲勞荷載以后階段應變發展較慢,趨于穩定.

模型梁T1-2-1在150萬次循環荷載作用后較50萬次循環荷載作用時增加了5%;模型梁T2-1在200萬循環荷載作用后較萬次循環荷載作用時增加了3%,較T1-2-1增量小.

4 結 論

1) 對于PRC梁,僅配置預應力鋼束剪切破壞時,疲勞荷載作用下,出現斜裂縫達到臨界值后,主梁承受的循環荷載少,容易產生無預兆的脆性破壞,應注意該類問題.

2) RPC中鋼纖維含量又1.5%提升到3%,模型梁200萬次疲勞抗拉強度提升至極限強度的49%,性能整體提升.疲勞荷載試驗后靜力試驗承載能力高于僅進行靜力試驗的主梁.表明除混凝土結構自身的差異性和不均勻性,疲勞試驗未破壞的主梁與正常靜載試驗的主梁承載能力基本一致.故實踐中可適當提升鋼纖維含量,但鋼纖維提升過多后混凝土和易性較差,對RPC施工質量產生不利影響.

3) 疲勞試驗中主梁未出現斜向裂縫情況下,主梁撓度、跨中裂縫寬度、混凝土應變等基本呈現兩個階段,前50萬次循環荷載作用下各參數均增長較快;之后趨于穩定.試驗梁出現斜向裂縫后,試驗梁撓度、應力等變化隨疲勞次數增長發展迅速,結構疲勞壽命較短.