胡強(qiáng)圣 ，杜向琴

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246003)

凍融后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度研究

胡強(qiáng)圣 ，杜向琴

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246003)

試驗(yàn)研究了5根預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受彎試件經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析及得到的荷載-撓度曲線，研究遭受凍融作用后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件使用階段最大裂縫寬度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，參考規(guī)范法，將試驗(yàn)得到的最大裂縫寬度值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，從而建立反映凍融影響的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度計(jì)算公式，在計(jì)算遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度時(shí)，受力特征系數(shù)取1.8更為合適。這一結(jié)果為我國(guó)寒區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算提供了參考。

凍融；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土；最大裂縫寬度；受力特征系數(shù)

與其他結(jié)構(gòu)一樣，由于遭受環(huán)境侵蝕(如氯鹽侵蝕、凍融、碳化、化學(xué)介質(zhì)腐蝕等)與外部荷載(包括靜載與疲勞荷載)的長(zhǎng)期共同作用，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)損傷并逐漸積累，這個(gè)過(guò)程是不可逆的，它的本質(zhì)其實(shí)是工程耐久性問(wèn)題。從地域和氣候條件來(lái)看，我國(guó)的東北地區(qū)屬于嚴(yán)寒地帶，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于寒冷環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，凍融損傷是影響結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)非常重要的因素[1]，其抗凍性已引起工程界的關(guān)注，對(duì)已經(jīng)存在的建筑物，因耐久性不足，失效問(wèn)題隨時(shí)都可能出現(xiàn)。受凍融循環(huán)后，混凝土的力學(xué)性能及變形性能會(huì)發(fā)生顯著的改變[2-6]?？墒悄壳皣?guó)內(nèi)外的規(guī)范、規(guī)程中所采用的預(yù)應(yīng)力混凝土正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算主要是針對(duì)普通混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的，都未考慮凍融環(huán)境的影響[7-8]，所以規(guī)范法對(duì)凍融環(huán)境中結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形驗(yàn)算并不適用。對(duì)于規(guī)范中所給出的最大裂縫寬度計(jì)算公式是否還適用于遭受凍融環(huán)境影響后的混凝土受彎構(gòu)件，目前鮮有研究，所以對(duì)遭受凍融作用后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件裂縫寬度的變化進(jìn)行探討分析是非常有必要的?；诖耍芯吭馐軆鋈谧饔煤箢A(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件使用階段最大裂縫寬度的變化規(guī)律，從而建立反映遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度計(jì)算公式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為我國(guó)寒區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算提供參考。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5根預(yù)應(yīng)力試件，對(duì)應(yīng)試件編號(hào)分別為L(zhǎng)1，L2，L3，L4，L5。先將試件L1，L2，L3，L4，L5分別凍融0次、50次、100次、150次、200次，之后進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)以考察凍融對(duì)試件受力性能的影響。

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試件截面采用100 mm×100 mm，長(zhǎng)度515 mm，配筋率為1.35%，預(yù)應(yīng)力度為0.59，試件配筋見(jiàn)圖1。試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，混凝土配合比采用水泥∶石子∶砂∶水=374∶1 164∶723∶184，混凝土采用普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強(qiáng)度大于52.5 MPa,粗骨料采用玄武巖碎石，最大粒徑為20 mm，細(xì)骨料為天然江沙，其細(xì)度模數(shù)為2.3～2.4，減水劑采用江蘇建筑科學(xué)JM系列高效FDN減水劑，摻量為0.2%，水為日常飲用水。預(yù)應(yīng)力筋采用單根φp5消除應(yīng)力鋼絲，直線型配筋。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁配筋圖

每根試件在澆筑的同時(shí)，預(yù)留3個(gè)混凝土立方體試塊150×150×150 mm3和3個(gè)棱柱體試塊150×150×300 mm3，試塊與試件進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，用于測(cè)定試驗(yàn)時(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量。混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

凍融試驗(yàn)采用快凍法，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82-85)執(zhí)行，凍融試驗(yàn)在圖2所示的DTR1型快速凍融試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 每?jī)鋈?5次停機(jī)，采用動(dòng)彈儀測(cè)量試件的動(dòng)彈性模量并觀察試件外觀形態(tài)的變化。

受彎性能試驗(yàn)在MTS809拉扭組合材料測(cè)試系統(tǒng)上完成，采用三分點(diǎn)加載，加載示意見(jiàn)圖3。荷載上升段采用力控制加載，當(dāng)加載超過(guò)0.8倍計(jì)算極限荷載后采用位移控制加載。受彎性能試驗(yàn)在各試驗(yàn)梁的跨中和支座截面均布置了位移計(jì)。整個(gè)受彎性能試驗(yàn)過(guò)程中荷載、應(yīng)變和位移等由動(dòng)態(tài)采集設(shè)備自動(dòng)采集，由此得到不同凍融次數(shù)下試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線。

圖3 加載示意圖

1.3 試件加載后的形態(tài)破壞

對(duì)構(gòu)件L2，L3，L4，L5分別在經(jīng)受50次、100次、150次、200次凍融后依次進(jìn)行靜力加載受彎試驗(yàn)直至構(gòu)件破壞，其中L1為未凍融直接進(jìn)行靜力加載受彎試驗(yàn)。各構(gòu)件加載至破壞的形態(tài)如圖4。

在靜力加載試驗(yàn)過(guò)程中，構(gòu)件跨中純彎段出現(xiàn)幾條豎向受力裂縫，隨著荷載增加，構(gòu)件的撓度也漸漸增加，裂縫發(fā)展愈來(lái)愈寬，沿著構(gòu)件高度逐漸向上發(fā)展，裂縫截面處的中和軸也跟著向上移動(dòng)，最終鋼筋屈服，構(gòu)件上部混凝土被壓碎，從而構(gòu)件宣告破壞。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，隨凍融次數(shù)的增加，L1，L2，L3，L4，L5各構(gòu)件加載至破壞的時(shí)間越短，構(gòu)件破壞越早，且L1，L2，L3，L4，L5受彎性能試驗(yàn)梁的破壞均始于受拉鋼筋屈服，而后受彎區(qū)上部邊緣混凝土被壓碎，所以各構(gòu)件均為適筋梁破壞。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到的荷載撓度曲線如圖5。比較圖5各構(gòu)件的荷載撓度曲線，可以明顯看出隨著凍融次數(shù)的增大，極限荷載減小，破壞時(shí)構(gòu)件撓度減小，這表明凍融循環(huán)使得構(gòu)件的極限承載能力和變形能力下降，構(gòu)件延性降低。究其原因，是由于凍融的影響使混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，彈性模量減小，導(dǎo)致壓區(qū)混凝土提前發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力和變形能力下降，延性無(wú)法得到充分發(fā)揮。據(jù)此可以合理推斷，繼續(xù)增加構(gòu)件凍融次數(shù)，當(dāng)凍融達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)將由延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程荷載-撓度曲線的分析，比較不同凍融循環(huán)次數(shù)后預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的開(kāi)裂彎矩，能夠得到，當(dāng)凍融次數(shù)增大時(shí)，構(gòu)件的開(kāi)裂彎矩會(huì)有所降低，說(shuō)明由于遭受凍融循環(huán)的作用，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的抗裂能力在減小。

2 凍融后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度研究

2.1 《規(guī)范》中預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度計(jì)算

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5010-2010)[9]規(guī)定，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件當(dāng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)永久組合或標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的最大裂縫寬度可通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

ep=yps-ep0

(8)

式中，αcr：構(gòu)件受力特性系數(shù)；

ψ：裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，0.2≤ψ≤1.0；

σs：按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋等效應(yīng)力；Es：鋼筋的彈性模量；

cs：最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離(mm)，20≤cs≤65 ；

ρte：按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率，在最大裂縫寬度計(jì)算中，當(dāng)ρte<0.01時(shí)，取ρte=0.01；

Ate：有效受拉混凝土截面面積，對(duì)受彎、偏心受壓和偏心受拉構(gòu)件，取Ate=0.5bh+(bf-b)hf，bf，hf分別為受拉翼緣的寬度、高度；

As：受拉區(qū)縱向普通鋼筋截面面積；

Ap：受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋截面面積；

deq：受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑(mm)；

di：受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的公稱(chēng)直徑；

ni：受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的根數(shù)；

vi：受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的相對(duì)粘結(jié)特性系數(shù)，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5010-2010)表7.1.2-2取用；

z：受拉區(qū)縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)至截面受壓區(qū)合力點(diǎn)的距離；

α1：對(duì)灌漿的后張法預(yù)應(yīng)力筋，取為1.0；

ep：計(jì)算截面上混凝土法向預(yù)應(yīng)力等于零時(shí)的預(yù)加力Np0的作用點(diǎn)至受拉區(qū)縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)的距離；

yps：受拉區(qū)縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)的偏心距；

ep0：計(jì)算截面上混凝土法向預(yù)應(yīng)力等于零時(shí)的預(yù)加力Np0作用點(diǎn)的偏心距。

2.2 最大裂縫寬度試驗(yàn)值與理論值的比較

對(duì)于本文預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用光面消除應(yīng)力鋼絲φp5，Ap=19.63 mm2，張拉控制應(yīng)力為0.75fptk，所以對(duì)于單根預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力Np0=23 108 N，已知構(gòu)件的偏心距ep0=8 mm；對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受力特征系數(shù)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(取αcr=1.5)，則由(1)式～(8)式計(jì)算凍融作用后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在極限荷載時(shí)的最大裂縫寬度，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2。

表2 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度對(duì)比

由表2可以看出，按照規(guī)范法計(jì)算的最大裂縫寬度與各構(gòu)件遭受凍融作用后的最大裂縫寬度的試驗(yàn)值差異較大，且試驗(yàn)值普遍偏大，這說(shuō)明按照現(xiàn)行規(guī)范法計(jì)算凍融作用后預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度值偏小，而且隨著凍融次數(shù)的增加，構(gòu)件L2，L3，L4，L5的最大裂縫寬度依次變大，這主要是因?yàn)橛捎趦鋈谧饔没炷習(xí)a(chǎn)生開(kāi)裂，同時(shí)凍融會(huì)使得鋼筋和混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度減小，粘結(jié)應(yīng)力降低，造成平均裂縫間距變大，所以凍融后構(gòu)件的最大裂縫寬度會(huì)增加。因此對(duì)于遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件最大裂縫寬度的計(jì)算，可以調(diào)整構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr，由(1)式得構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr為

(9)

當(dāng)分別按(2)式-(4)式確定ψ，deq,ρte及σs后，根據(jù)實(shí)測(cè)的構(gòu)件L2，L3，L4遭受凍融作用后預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件在各級(jí)荷載作用下的最大裂縫寬度的試驗(yàn)值wmax，由(9)式可以計(jì)算得到αcr的值，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可得，遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的受力特征系數(shù)αcr取1.8合適。

綜上所述，遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件短期最大裂縫寬度計(jì)算公式建議為

(10)

依據(jù)以上最大裂縫寬度的計(jì)算公式，再比較構(gòu)件L5在M/Mu(Mu預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件極限彎矩)分別為0.5，0.75，1.0時(shí)的跨中最大裂縫寬度計(jì)算值和試驗(yàn)值，見(jiàn)表3，其中在計(jì)算縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ時(shí)，應(yīng)取用對(duì)應(yīng)凍融作用后的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[10]。

表3 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件L5最大裂縫寬度對(duì)比

由表3可以得出，本次試驗(yàn)遭受凍融作用的預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件L5在正常使用狀態(tài)時(shí)，跨中最大裂縫寬度的試驗(yàn)值和計(jì)算值的比值WcrT/Wcru的平均值為1.11，標(biāo)準(zhǔn)差為0.020 1，變異系數(shù)為1.813%，可見(jiàn)遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的跨中最大裂縫寬度按(10)式計(jì)算時(shí)符合精度要求。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)遭受凍融作用后各預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件使用階段最大裂縫寬度試驗(yàn)結(jié)果隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律的研究，參考規(guī)范法中最大裂縫寬度計(jì)算公式，得出結(jié)論：對(duì)遭受凍融環(huán)境作用后允許出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，在計(jì)算遭受凍融作用后的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大裂縫寬度時(shí)，受力特征系數(shù)αcr取1.8更為合適。

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Research on the Maximum Crack Width for Flexural Member of Prestressed Concrete after Freeze-Thawing

HU Qiang-sheng , DU Xiang-qin

(Anqing Vocational & Technical College, Anqing 246003, China )

An experiment is carried out of five prestressed concrete beams after different times of freeze-thawing to investigate the change rule of prestressed concrete the maximum crack width along with the number of freeze-thawing cycles through the analysis of the experimental process and the load deflection curve. Referencing standard method and comparing the value of theoretical calculation and experimental results, the formula of the maximum crack width is established which can reflect the effect of prestressed concrete flexural member after freeze-thawing. It's more appropriate if take the force characteristic coefficientαcras 1.8 when calculate the maximum crack width of prestressed concrete structure after freeze-thawing. The research can provide reference for the deformation calculation of prestressed concrete structure in cold regions.

freeze-thawing, prestressed reinforced concrete, the maximum crack width, force characteristic coefficient

2015-03-06

安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目(2015jyxm540)。

胡強(qiáng)圣，男，安徽安慶人，碩士，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系教師，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究。

時(shí)間：2016-1-5 13:01 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.019.html

TU528

A

1007-4260(2015)04-0077-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.019