張 明，高丹盈，趙 軍

(鄭州大學，河南鄭州450002)

隨著鋼纖維的廣泛應用，鋼纖維混凝土在混凝土結構中的應用得到了迅速發(fā)展，在公路、鐵路、橋梁、工業(yè)民用建筑等領域的應用也越來越廣泛［1－2］.這些結構形式在其服務期內除了承受靜載作用外，還承受疲勞荷載的作用.在疲勞荷載作用下，由于疲勞累積損傷的影響，結構功能退化，結構變形及裂縫會影響結構的正常使用甚至安全性.因此有必要對疲勞荷載作用下鋼纖維高強混凝土構件及鋼纖維部分增強高強混凝土構件的疲勞變形性能及裂縫開展情況進行研究.

筆者以疲勞試驗為基礎，分析了鋼纖維高強混凝土梁疲勞荷載作用下的變形及裂縫寬度隨鋼纖維摻入層厚變化的發(fā)展規(guī)律.

1 試驗概況

試驗共制作了1根普通高強混凝土梁(梁號:L－0)和3根鋼纖維高強混凝土梁(梁號:L－1，L－2，L－3)，研究的目的是探求鋼纖維高強混凝土梁在第一次靜載試驗及經(jīng)歷一定疲勞循環(huán)次數(shù)重復加載后的變形及裂縫發(fā)展規(guī)律以及鋼纖維對其的影響，在設計試驗梁時主要考慮了鋼纖維摻入層厚的變化.試件設計見表1.

試驗梁均采用跨中單點分級疲勞加載.為模擬試件實際工作情況，試驗梁兩端采用平板橡膠支座.安置試驗梁時要求幾何對中，保持兩支座等高，加載點與支座處均墊有鋼板，以預防發(fā)生混凝土局部壓壞.疲勞試驗施加的疲勞荷載最大值為0.50Mu，最小值為固定值0.15Mu(根據(jù)試驗機能夠控制的最小荷載選取)，Mu為試驗梁的極限荷載.

表1 試件設計

根據(jù)混凝土結構試驗方法標準［3］，等幅疲勞試驗加載程序包括靜載試驗、疲勞試驗和破壞試驗3個階段.靜載試驗階段，按照靜力單調加載試驗的加載程序進行，首先進行預加載，檢驗設備是否正常后加載至疲勞上限、然后卸載;疲勞試驗階段，進行等幅疲勞試驗，加載頻率為5 Hz，在保持加載頻率的基礎上反復調節(jié)，保持荷載穩(wěn)定，使誤差不大于±3%.在試驗過程中，動荷載循環(huán)到1萬、5萬、10萬、15萬、20萬、50萬、100萬、150萬和200萬次后停止，然后進行一次加載至疲勞上限的靜載試驗，量測各級荷載下的應變、裂縫、撓度及其發(fā)展情況;在破壞試驗階段，當試驗重復荷載達到要求加載的次數(shù)200萬次后，如果試驗梁仍未發(fā)生破壞，則繼續(xù)進行一次靜載試驗直至試驗梁破壞.

2 試驗結果分析

2.1 跨中撓度發(fā)展規(guī)律

2.1.1 靜載作用下?lián)隙劝l(fā)展規(guī)律

根據(jù)試驗規(guī)程的要求，在疲勞試驗前，要進行一次加載至疲勞上限的靜載試驗，試驗過程中測量各級荷載下的撓度.筆者結合試驗參數(shù)變化，分析了鋼纖維摻入層厚對高強混凝土梁跨中撓度的影響.圖1給出了不同參數(shù)影響下第一次靜載試驗的梁跨中撓度發(fā)展情況.

圖1 試驗梁靜載試驗的荷載－撓度曲線

從圖1中可以看出，不同參數(shù)下，鋼纖維部分增強高強混凝土梁的撓度變化具有以下共同特征:在荷載較小時，梁基本處于彈性工作狀態(tài)，荷載－撓度曲線接近線性變化，表現(xiàn)出均質彈性材料梁的特性.隨著荷載的逐步增大，截面開始出現(xiàn)裂縫后，梁的抗彎剛度下降，曲線偏離線性呈下降趨勢.這和普通混凝土梁的撓度變化規(guī)律一致.但和普通混凝土梁相比，由于鋼纖維阻止裂縫開展和直接承擔拉力的作用，使得梁裂縫截面處的鋼筋應變降低，裂縫寬度減小，增強了梁的整體性和剛度，所以加入鋼纖維后，荷載－撓度曲線彎曲程度減緩，在同級荷載下?lián)隙让黠@降低，表明鋼纖維對高強混凝土梁靜載作用下的變形影響顯著.隨著鋼纖維摻入層厚的增加，其相同荷載下的撓度減小約19.0% ～69.0%，但摻加超過1/3梁高的鋼纖維后，對減小鋼纖維高強混凝土梁撓度的效果并不明顯，說明在高強混凝土梁內一定范圍內摻加鋼纖維同樣能夠起到限制梁的剛度衰減的效果，與文獻［4］研究結果一致.

2.1.2 疲勞荷載作用下?lián)隙劝l(fā)展規(guī)律

不同影響因素下鋼纖維高強混凝土梁在疲勞上限荷載作用下的跨中最大撓度與循環(huán)次數(shù)的關系曲線如圖2所示.

圖2 撓度與循環(huán)次數(shù)的關系曲線

在重復荷載作用初期1萬次內撓度增加比較迅速，在5萬～20萬次內，撓度的增大速率變緩，超過20萬次后，撓度的變化基本趨于穩(wěn)定.撓度的增大速率隨著鋼纖維摻入層厚的增大而變小，但影響并不顯著，鋼纖維摻入層厚的變化主要影響第一次靜載作用下梁的跨中撓度.根據(jù)文獻［5］與［6］，混凝土梁疲勞荷載作用下?lián)隙炔粩嘣龃蟮闹饕驗?在疲勞荷載作用下受拉區(qū)混凝土的疲勞裂縫寬度不斷增加，鋼筋和混凝土間的黏結不斷被破壞;受壓區(qū)混凝土由于疲勞荷載作用產(chǎn)生的累計損傷及徐變;截面削弱導致的混凝土構件剛度降低.該原理同樣適用于鋼纖維混凝土及鋼纖維高強混凝土.

2.2 最大裂縫寬度的發(fā)展規(guī)律

2.2.1 靜載作用下最大裂縫寬度發(fā)展規(guī)律

在靜載試驗中各級荷載作用下，不同鋼纖維摻入層厚的高強混凝土梁最大裂縫寬度與荷載的關系曲線如圖3所示.

圖3 最大裂縫寬度與荷載關系曲線

由圖3可知，隨著鋼纖維摻入層厚的增加，各級荷載下的鋼筋混凝土梁的裂縫寬度均有所降低，鋼纖維摻加1/3梁高時，裂縫寬度減小39% ～78%，摻加1/2梁高時，裂縫寬度減小45% ～89%.與梁全截面摻加鋼纖維的阻裂效果差別并不十分顯著，這說明在高強混凝土梁中部分摻加鋼纖維可達到顯著的阻裂效果，這與普通鋼纖維混凝土梁的研究結果［4］基本一致.

2.2.2 疲勞荷載作用下最大裂縫寬度發(fā)展規(guī)律

經(jīng)過一定疲勞循環(huán)次數(shù)后，疲勞上限荷載作用下的試驗梁最大裂縫寬度與循環(huán)次數(shù)的關系曲線如圖4所示.鋼纖維摻入層厚不同，在相同循環(huán)次數(shù)的情況下，鋼纖維高強混凝土梁的最大裂縫寬度隨著鋼纖維摻入層厚的增大而降低，但梁的疲勞裂縫寬度增大速率的變化受鋼纖維摻入層厚變化的影響并不顯著，裂縫寬度的增大速率隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致.

圖4 最大裂縫寬度與循環(huán)次數(shù)關系曲線

文獻［2］和［6］的研究表明，疲勞荷載作用下鋼筋混凝土構件裂縫寬度增大的主要原因是:重復荷載作用下受壓區(qū)混凝土內部損傷增大，導致混凝土壓應變隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，混凝土開裂引起裂縫截面處鋼筋應變增大，鋼筋應變和殘余應變不斷增加，鋼筋與混凝土間黏結退化.對于鋼纖維高強混凝土梁，鋼纖維減小了受壓區(qū)混凝土內部損傷以及鋼筋與混凝土間黏結的退化，進而減小了疲勞荷載作用下高強混凝土梁的裂縫寬度.

3 結語

1)鋼纖維加入高強混凝土梁對于增強梁的阻裂能力，優(yōu)化變形性能，即對于減小裂縫寬度和增加截面剛度非常有利.

2)在疲勞荷載作用下，鋼纖維部分增強高強混凝土梁的跨中撓度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨鋼纖維摻入層厚的增加，鋼纖維高強混凝土梁的撓度增大速率有所降低.

3)在疲勞荷載作用下，鋼纖維部分增強高強混凝土梁的最大裂縫寬度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨鋼纖維摻入層厚的增加，鋼纖維高強混凝土梁的裂縫有所減小，但裂縫寬度的增大速率并無明顯差別.

［1］高丹盈，趙軍，朱海堂.鋼纖維混凝土設計與應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］趙國藩，彭少民，黃承逵.鋼纖維混凝土結構［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］中國建筑科學研究院.GB 50152—1992混凝土結構試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［4］趙軍.鋼纖維增強部分混凝土構件力學性能及設計方法的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2000.

［5］孟建偉，王海龍，鐘銘.用解析剛度法求解高強鋼筋混凝土梁的疲勞剛度［J］.石家莊鐵道學院學報，2004，17(3):67－90.

［6］湯紅衛(wèi)，李士彬，朱慈勉.基于剛度下降的混凝土梁疲勞累積損傷模型的研究［J］.鐵道學報，2007，29(3):84－88.