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UHPC-T梁抗彎性能試驗研究與理論計算

2023-01-31 07:58葉力豪
關(guān)鍵詞:筋率鋼纖維彎矩

朱 琦,葉力豪,蔡 瑋,謝 文

(寧波大學(xué)土木工程與地理環(huán)境學(xué)院,浙江寧波 315211)

0 引 言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)是一種具有超高抗壓、抗拉強度和高韌性、高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料,將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中,可減輕結(jié)構(gòu)自重,提高承載力和耐久性,具有廣闊的應(yīng)用前景[1-6]。盡管目前中國尚未制定UHPC橋梁設(shè)計規(guī)范,但不少學(xué)者已進行了較深入的研究。鄧宗才等[7]研究表明:截面形式對UHPC梁的開裂荷載與延性影響甚大。傅元方[8]試驗研究表明:UHPC梁的屈服和極限荷載受縱向配筋率的影響較大。孫小凱等[9]通過四點彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn):縱筋配筋率不影響UHPC梁的開裂彎矩,但對其極限承載力的影響顯著。Yang等[10]研究了配筋率和鋼纖維體積摻量對梁受力性能的影響,結(jié)果表明:當(dāng)鋼纖維體積摻量不變時,縱向配筋率對UHPC梁的開裂性能無影響,對UHPC梁的極限承載力以及延性均有顯著影響。Turker等[11]研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)鋼纖維體積摻量一定時,配筋率越大,UHPC梁的極限承載力越大,延性也更強,但超過一定配筋率時,對延性性能的改善作用減弱。梁興文等[12]研究發(fā)現(xiàn):縱向配筋率對UHPC梁的開裂荷載影響不大,但縱向配筋率可大幅提升UHPC梁的屈服荷載和極限荷載。彭飛等[13]考慮了鋼纖維對UHPC受拉區(qū)的抗彎貢獻,結(jié)果表明:鋼纖維長度也是影響受拉區(qū)UHPC抗彎貢獻的主要參數(shù)。曹霞等[14]開展了6根高強鋼筋UHPC梁抗彎試驗,研究了不同配筋率、縱筋等級、縱筋直徑和受壓鋼筋直徑對UHPC受力性能的影響規(guī)律。林明暢[15]設(shè)計制作了6組18根不同配筋率UHPC試驗梁,探索了UHPC梁的適筋、超筋和少筋的破壞形態(tài)以及裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài),推導(dǎo)了UHPC梁的開裂彎矩、極限彎矩和抗彎剛度計算公式。徐海賓等[16]在現(xiàn)行規(guī)范公式的基礎(chǔ)上引入抗裂影響系數(shù)和裂縫修正系數(shù),給出了UHPC梁的開裂彎矩和最大裂縫寬度計算公式。劉超等[17]在平截面假定基礎(chǔ)上推導(dǎo)了配筋高應(yīng)變強化的UHPC-T梁抗彎承載力計算公式,并與國外提出的計算方法進行對比,結(jié)果表明,所提出方法的計算值與試驗值吻合度較高。李立峰等[18]進行了大比例預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁抗彎試驗,改進了開裂荷載和極限荷載計算方法。徐海賓等[19]試驗研究了6根預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁的抗彎性能,引入纖維長度修正系數(shù)和抗裂影響系數(shù),對截面抵抗矩塑性影響系數(shù)進行修正,得到了預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁的開裂彎矩計算公式。

綜上所述,目前的研究主要以矩形截面為主探討UHPC梁的力學(xué)性能,而以預(yù)應(yīng)力為主要影響因素研究其對T形截面抗彎性能的影響相對較少。本文以橋梁工程中的T梁為研究對象,制作4根UHPC-T梁(包括1根預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁)和1根普通混凝土T梁(對照梁),研究配筋率和預(yù)應(yīng)力對UHPC-T梁抗彎性能的影響;最后采用理論公式計算UHPC-T梁的開裂彎矩和極限彎矩等關(guān)鍵性能參數(shù)。

1 試驗概況

1.1 模型制作及加載測點布置

由于受經(jīng)費和試驗場地等條件限制,足尺模型試驗難以實現(xiàn),因此采用縮尺模型開展相關(guān)研究工作。結(jié)合自身試驗條件和研究目的,縮尺模型參照并改造了文獻[20]中的試驗?zāi)P?,即調(diào)整了模型截面翼緣和腹板尺寸,但試驗?zāi)P土旱目箯澓涂辜舻刃阅芫鶟M足設(shè)計規(guī)范要求。UHPC-T梁的設(shè)計長度為2 400 mm,為防止兩端發(fā)生錨固破壞,加載時兩邊預(yù)留了150 mm,計算跨度為2 100 mm,如圖1(a)所示;T形截面的腹板尺寸為120 mm×150 mm,翼緣尺寸為280 mm×100 mm,如圖1(b)所示。預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁的預(yù)應(yīng)力采用后張法施加,在距梁底下緣56 mm處布置1根直徑15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線,如圖1(c)所示;其中錨墊板采用10 mm厚鋼板以防止錨固區(qū)局部壓碎,張拉預(yù)應(yīng)力為110 kN。試驗T梁的具體分組見表1,試驗主要考慮配筋率和預(yù)應(yīng)力等影響,其中普通混凝土T梁為對照梁。

表1 T梁試驗分組Table 1 T-beam test group

UHPC-T梁的制作采用常規(guī)的施工工藝,即先支模、綁扎鋼筋、后澆筑UHPC和自然條件養(yǎng)護,現(xiàn)場作業(yè)如圖2所示;試驗采用的UHPC中水泥、硅粉、石英砂、水膠比的配合比為1∶0.5∶1.5∶0.18,且添加了2%的減水劑和體積摻量為2%的鋼纖維。

自然條件下養(yǎng)護28 d達到齡期后,采用三等分點進行抗彎加載試驗(圖3),通過分配梁將荷載對稱分配到梁的兩個三分點處,中間為純彎段。試驗加載儀器為結(jié)構(gòu)疲勞試驗系統(tǒng)PWS-250,試驗開 始前先預(yù)加載,如無異常,則卸載到0 kN再開始正式加載。試驗加載采用分級加載,在達到使用狀態(tài)試驗荷載值Fs之前,每級加載值不超過0.10Fs,接近開裂荷載時,每級加載值不超過0.05Fs。開裂后每級加載控制為10 kN,UHPC-T梁到80 kN后改用位移1 mm·min-1控制加載直至梁破壞;普通混凝土梁到20 kN后改用位移1 mm·min-1加載直至梁破壞。

測試內(nèi)容包括:豎向位移、混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、裂縫等。①位移測試:沿梁安裝5個豎向位移計(含兩端支座處位移計),如圖1(a)所示。②應(yīng)變測試:布置鋼筋應(yīng)變片用于測試箍筋和縱筋應(yīng)變,如圖1(d)所示;在梁跨中沿梁高布置5個混凝土應(yīng)變片測試混凝土應(yīng)變沿梁高的分布規(guī)律,如圖1(a)所示。③裂縫測試:利用裂縫觀測儀測量每個荷載步下最大裂縫寬度,并利用記號筆標記裂縫發(fā)展情況。

1.2 材料力學(xué)性能

1.2.1 UHPC力學(xué)性能

澆筑UHPC試驗簡支梁時,同時制作了3個邊長為100 mm的立方體試件以測試其抗壓強度,制備了3個100 mm×100 mm×300 mm長方體試件用于測試其彈性模量。澆筑了3個100 mm×100 mm×400 mm長方體試件以測試其抗彎折強度,加載裝置見圖4(a);加工了3個180 mm×25 mm×25 mm狗骨形試件用于測試軸心抗拉強度,測試裝置見圖4(b)。所有試件與UHPC試驗簡支梁的養(yǎng)護條件相同,測得的力學(xué)性能如表2所示。

表2 UHPC與C40混凝土力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of UHPC and C40 concrete

1.2.2 鋼筋力學(xué)性能

按照《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》[21]規(guī)定進行鋼筋拉伸試驗。所得的鋼筋物理力學(xué)性能指標如屈服強度、極限強度等見表3。

表3 鋼筋力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of reinforced rebars

2 配筋率對UHPC-T梁抗彎性能的影響

2.1 裂縫分布與抗裂性能

各模型梁的裂縫分布如圖5所示,其中裂縫中數(shù)字為裂縫發(fā)展位置對應(yīng)的荷載,單位為kN。由圖5可以看出,各試驗梁裂縫分布有如下特點:①相比SM4梁,SM1、SM2、SM3梁的裂縫出現(xiàn)較晚,且發(fā)展速度較慢;②SM1、SM2、SM3梁翼緣上裂縫較少,主要集中在加載點附近,而SM4梁翼緣上有較多裂縫且穿過翼緣向上發(fā)展;③SM1、SM2、SM3梁裂縫數(shù)量遠小于SM4梁,表明鋼纖維可阻礙裂縫發(fā)展,使裂縫分布更加均勻。從圖5還可看出,SM1、SM2、SM3梁的裂縫發(fā)展特征為:隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸變大,裂縫不斷向上擴展;當(dāng)荷載持續(xù)增加時,梁的裂縫數(shù)量和寬度逐漸增大,并能聽到受拉區(qū)混凝土內(nèi)鋼纖維被拔出的聲音,但直到試驗由于破壞而停止,其受壓區(qū)混凝土未被壓碎。

裂縫對結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性產(chǎn)生顯著影響,圖6給出了各模型梁的荷載與最大裂縫寬度關(guān)系。與SM3梁相比,SM1、SM2梁由于其配筋率較低,初裂過后它對裂縫寬度的限制作用有限,導(dǎo)致開裂過后裂縫發(fā)展迅速,比如SM1、SM2、SM3梁的開裂荷載對應(yīng)的最大裂縫寬度均為0.01 mm,而加載至80 kN時對應(yīng)的最大裂縫寬度分別為0.22、0.26、0.08 mm,表明提高配筋率可阻止UHPC-T梁裂縫的發(fā)展。當(dāng)配筋率從0.209%提高至0.744%,SM1梁和SM3梁極限荷載對應(yīng)的最大裂縫寬度從1.92 mm降至1.56 mm,表明提高配筋率可以增大梁的抗裂性能和安全性能。SM2梁和SM4梁最大裂縫寬度均為0.01 mm時,對應(yīng)的開裂荷載分別為46 kN和10 kN,當(dāng)SM4梁加載至20 kN時,其最大裂縫寬度已擴大至0.18 mm,表明UHPC可阻止T梁裂縫的發(fā)展和提升梁的抗裂性能和承載能力。

2.2 混凝土應(yīng)變

圖7為不同荷載下各模型梁混凝土應(yīng)變沿梁高的分布規(guī)律。由圖7可以看出:UHPC-T梁或普通混凝土T梁在開裂前處于彈性階段,中性軸位置基本保持不變,表明T形截面滿足平截面假定;UHPC-T梁或普通混凝土T梁開裂后,其中性軸位置出現(xiàn)逐漸上升。此外,部分測點出現(xiàn)突變,主要是由于該位置出現(xiàn)了裂縫所致。

2.3 荷載-跨中位移曲線

圖8給出了各模型梁荷載-跨中位移曲線。與SM4梁類似,SM1、SM2、SM3梁經(jīng)歷了彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段3個不同受力階段。SM1、SM2、SM3梁的開裂荷載分別為48、46、50 kN,表明配筋率對UHPC-T梁的開裂彎矩影響不大,兩者最大相差約8.7%,這是因為UHPC-T梁的開裂彎矩取決于UHPC水泥基體的抗拉能力。當(dāng)配筋率從0.209%增加至0.744%,相應(yīng)的極限荷載由92 kN提高至118 kN,增大了28.3%,表明配筋率的增加明顯提高了UHPC-T梁的極限承載力。此外,比較SM1梁和SM2梁可知,兩者的極限荷載非常接近,分別為92 kN和93 kN,表明UHPC-T梁為少筋梁時,提高配筋率不會提高其極限承載力,主要是因為少筋梁的極限承載力由受壓區(qū)混凝土控制。

3 預(yù)應(yīng)力對UHPC-T梁抗彎性能的影響

3.1 裂縫分布與抗裂性能

從圖5中SM2、SM5梁的裂縫分布可以看出,SM5梁(預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁)與SM2梁(UHPC-T梁)相比,裂縫分布有如下特點:①試驗梁首先在跨中部位出現(xiàn)第一條裂縫,隨著荷載繼續(xù)增加到80 kN,裂縫主要集中在加載點附近,非純彎曲段裂縫相對較少;②隨著荷載繼續(xù)增加到115 kN,除加載點外并未產(chǎn)生新的裂縫;③與SM2梁相比,SM5梁裂縫數(shù)量和主裂縫寬度都明顯減小,表明施加預(yù)應(yīng)力可以有效減少裂縫寬度和數(shù)量。從圖5(b)、(e)可以看出,SM5梁的裂縫發(fā)展特征為:隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸變大,裂縫不斷向上擴展,但是少有裂縫發(fā)展到翼緣部分;當(dāng)荷載持續(xù)增加時,梁的裂縫數(shù)量和寬度逐漸增多,裂縫中不斷有UHPC粉末掉下來,并伴隨有鋼纖維斷裂的聲音,但直到試驗由于破壞而停止,其受壓區(qū)混凝土未被壓碎。

從圖6給出的SM2梁和SM5梁的荷載與最大裂縫寬度關(guān)系可以看出,與SM2梁相比,SM5梁由于施加了預(yù)應(yīng)力,初裂過后其對裂縫寬度有限制作用,使得開裂過后裂縫發(fā)展緩慢,比如SM2和SM5梁的開裂荷載對應(yīng)的最大裂縫寬度均為0.01 mm,而加載至80 kN時對應(yīng)的最大裂縫寬度分別為0.26 mm和0.12 mm,表明施加預(yù)應(yīng)力可以阻止UHPC-T梁裂縫的發(fā)展。此外,SM2和SM5梁極限荷載對應(yīng)的最大裂縫寬度從1.85 mm降至1.41 mm,表明施加預(yù)應(yīng)力可以增大梁的抗裂性能和安全性能。

3.2 混凝土應(yīng)變

從圖7(b)、(e)給出的不同荷載下SM2梁和SM5梁混凝土應(yīng)變沿梁高的分布規(guī)律可以看出:UHPC-T梁和預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁在開裂前處于彈性階段,其中性軸位置基本保持不變,表明T形截面滿足平截面假定;UHPC-T梁和預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁開裂后,其中性軸位置出現(xiàn)逐漸上升。此外,部分測點出現(xiàn)突變,主要是由于該位置出現(xiàn)了裂縫所致。

3.3 荷載-跨中位移曲線

從圖8中的SM2、SM5梁荷載-跨中位移曲線可以看出,SM5梁與SM2梁類似,經(jīng)歷了彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段3個不同受力階段。SM2、SM5梁的開裂荷載分別為46 kN和50 kN,兩者相差約8.7%,表明施加預(yù)應(yīng)力對UHPC-T梁的開裂彎矩影響不大,這是因為UHPC-T梁的開裂彎矩取決于UHPC水泥基體的抗拉能力。由于SM5梁施加了預(yù)應(yīng)力,相應(yīng)的極限荷載由93 kN提高至132 kN,增大了42%,表明施加預(yù)應(yīng)力可以明顯提高UHPC-T梁的極限承載力。

4 理論計算

根據(jù)截面應(yīng)力分析法,分別計算普通混凝土和UHPC-T梁的開裂彎矩Mcr和極限彎矩Mu[16-17]。

開裂彎矩:

Mcr=(σp+γft)W0

(1)

(2)

λr=ρflf/df

(3)

式中:γ為截面塑性抵抗系數(shù);βf為抗裂影響系數(shù);λf為鋼纖維含量特征值;ρf為鋼纖維體積率;lf為鋼纖維長度;df為直徑;ft為UHPC軸心抗拉強度;W0為換算截面對截面受拉邊緣的彈性抵抗矩;S0為換算截面計算纖維以上或以下部分面積對截面重心軸的面積矩;σp為預(yù)應(yīng)力在構(gòu)件抗裂邊緣產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力。

根據(jù)公式(1)~(3)得到各T梁的理論開裂彎矩,列于表4中。

極限彎矩:

(1)若T形截面特性符合公式(4),中性軸在翼緣內(nèi),考慮腹板受拉區(qū)UHPC的抗拉作用,按公式(5)進行正截面抗彎承載力Mu計算。

(4)

(5)

UHPC受壓區(qū)高度應(yīng)按式(6)計算。

表4 各模型梁開裂彎矩理論值與試驗值對比Table 4 Comparisons between computational and experimental values of cracking-resistance moment of model beams

(hf-x)+fpyAp

(6)

(2)當(dāng)不符合公式(4)時,中性軸在腹板內(nèi),應(yīng)考慮截面中腹板的受壓作用,其正截面抗彎承載力應(yīng)按式(7)計算。

(x-hf)2+fpyAp(h0-ap-x)

(7)

UHPC受壓區(qū)高度按式(8)計算。

fyAs+βftdb(h-x)+fpyAp

(8)

式中:β為受拉區(qū)UHPC等效矩形應(yīng)力系數(shù);fcd為UHPC軸心抗壓強度設(shè)計值;fck為UHPC軸心抗壓強度標準值;ftd為UHPC軸心抗拉強度;As為受拉鋼筋總面積;fy為鋼筋屈服強度;fpy為預(yù)應(yīng)力筋抗拉強度設(shè)計值;AP受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋的截面面積;ap為受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋合力點至截面受拉區(qū)邊緣的距離;hf為翼緣高度;h為截面高度;h0為截面有效高度;bf為翼緣寬度;b為腹板寬度;x為受壓區(qū)高度。

通過計算,試驗梁受壓區(qū)高度x在翼緣hf內(nèi),適用于公式(4),根據(jù)公式(5)得到相應(yīng)的計算結(jié)果(表4)。由表4可知:UHPC-T梁的開裂彎矩試驗值與理論值的比值在0.81~0.89之間,相應(yīng)的比值均小于1,最大相對誤差為18.6%;其主要原因是本文計算公式采用的抗裂影響系數(shù)βf主要與鋼纖維摻量及種類有關(guān),且與鋼纖維摻量成正比,同時它是根據(jù)鋼纖維質(zhì)量分數(shù)為3%的試驗數(shù)據(jù)回歸得到[16],導(dǎo)致公式(1)針對本文鋼纖維質(zhì)量分數(shù)為2%的試驗?zāi)P偷挠嬎憬Y(jié)果偏大。UHPC-T梁(SM1~SM3)的極限彎矩試驗值與理論值的比值從1.054降至0.811,最大相對誤差為11.9%,其原因是本文公式計算采用的受拉區(qū)UHPC等效矩形應(yīng)力系數(shù)β取0.90,它主要與配筋率有關(guān),且隨著配筋率增大而逐漸減小,導(dǎo)致采用公式(5)計算的理論極限彎矩隨配筋率的增大而增大,即配筋率從0.209%(SM1)增大至0.744%(SM3),相應(yīng)的試驗值與理論值的比值從1.054降至0.811。因此,SM2和SM3的極限彎矩理論值大于相應(yīng)的試驗值。

5 結(jié)語

(1)在相同配筋率下,預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁裂縫寬度和數(shù)量比UHPC-T梁少,表明施加預(yù)應(yīng)力能提高構(gòu)件的抗裂性,可抑制裂縫生成與發(fā)展。與UHPC-T梁相比,普通混凝土T梁裂縫數(shù)量相對較多且寬度更大,表明UHPC-T梁具有更優(yōu)越的抗彎和抗裂性能。

(2)配筋率對UHPC-T梁開裂荷載的影響不大;相同配筋率下,預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁的極限承載力約為UHPC-T梁的1.4倍,UHPC-T梁的極限承載力約為普通混凝土T梁的2倍,表明預(yù)應(yīng)力和UHPC均可明顯提升T梁的承載能力。

(3)各試驗梁跨中正截面混凝土應(yīng)變與荷載基本呈正比例關(guān)系,表明平截面假定同樣適用于預(yù)應(yīng)力UHPC-T梁與UHPC-T梁。

(4)UHPC-T梁的理論開裂彎矩和極限彎矩與相應(yīng)的試驗結(jié)果吻合較好,試驗值與相應(yīng)理論值之間的相對誤差不超過20%,滿足工程設(shè)計要求,表明該理論計算公式可用于預(yù)測或設(shè)計UHPC-T梁的關(guān)鍵性能參數(shù)。

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