朱 琦 徐茂虎 葉力豪 蔡 瑋 謝 文

(1.寧波大學土木工程與地理環(huán)境學院, 浙江寧波 315211; 2.中國建筑第八工程局有限公司, 上海 200112; 3.江西工程學院土木工程學院, 江西新余 338000)

0 引 言

超高性能混凝土(UHPC)是目前最具創(chuàng)新性的土木工程材料之一,具有高強度、高韌性及高耐久性等特點,在土木工程中應用越來越廣泛[1-2]。在橋梁、鐵路和飛機跑道等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)中,由于重復荷載作用,混凝土結(jié)構(gòu)往往發(fā)生低于其極限承載力的疲勞破壞[3-4],因此如何提高橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的疲勞性能具有重要意義。采用新型材料UHPC建造橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)是提高其疲勞性能的重要手段,而目前對UHPC橋梁等結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究略顯不足,因此開展UHPC結(jié)構(gòu)疲勞試驗研究,了解其疲勞性能顯得至關(guān)重要。目前,有學者開展了相關(guān)方面的研究工作,如張世貴的研究表明:靜載和疲勞荷載下高強鋼筋纖維混凝土梁的試驗破壞形態(tài)差異顯著[5];馮仲仁等研究表明:鋼纖維摻入量直接影響裂紋產(chǎn)生時機,而對鋼纖維混凝土梁的屈服疲勞壽命和極限疲勞壽命影響不大[6];謝業(yè)鵬對9根鋼纖維混凝土梁進行了不同應力水平下彎曲疲勞試驗[7],結(jié)果表明:相同纖維摻量的梁,疲勞應力水平越高,梁的疲勞壽命越短;高丹盈等通過14根高強混凝土梁的疲勞試驗,分析了應力水平、鋼纖維體積率、鋼纖維類型、鋼纖維摻入、截面高度和鋼筋等級等不同因素對高強混凝土梁受壓區(qū)混凝土累積殘余應變的影響[8];呂爾燕對9根不同鋼纖維摻入率的鋼纖維混凝土梁分別進行靜載及疲勞試驗,研究了鋼纖維摻入率對鋼纖維混凝土梁疲勞壽命及破壞形式的影響,總結(jié)了疲勞荷載作用下鋼筋及混凝土的應力、應變發(fā)展規(guī)律[9];Yan等研究了鋼纖維體積摻量對UHPC疲勞裂紋擴展行為的影響[10],結(jié)果表明:裂紋擴展穩(wěn)定階段的裂紋擴展速率隨著鋼纖維摻量的增加而降低;Germano等對鋼纖維切口梁進行三點彎曲疲勞試驗,探究了鋼纖維對疲勞壽命的影響[11],結(jié)果表明:試件破壞時的疲勞變形與單調(diào)應力-應變曲線吻合較好,纖維能明顯改善混凝土的疲勞壽命;Parvez對12根鋼纖維混凝土梁進行了等幅疲勞試驗[12],結(jié)果表明:鋼纖維通過降低受拉鋼筋中的應力,延長了鋼纖維混凝土梁的疲勞壽命;李書群等設(shè)計了在不同應力水平下鋼纖維混凝土梁的彎曲疲勞試驗[13],根據(jù)Miner損傷準則以及Corten Dolan公式對鋼纖維混凝土梁的疲勞損傷累積規(guī)律以及裂紋擴展規(guī)律進行了討論;周宏宇等對3組不同尺寸鋼筋混凝土簡支梁分別進行靜載試驗和等幅疲勞加載試驗[14],結(jié)果表明:疲勞臨界狀態(tài)下,小尺寸試件的剛度、剩余承載力比大尺寸試件下降更明顯且裂縫發(fā)展速度更快,試件尺寸越大,其抗變形性能越強。

綜上所述,國內(nèi)外學者主要以鋼纖維混凝土梁為研究對象,研究了鋼纖維摻量和加載應力水平等因素對梁疲勞性能的影響,而以預應力和配筋率為主要影響因素開展UHPC梁疲勞性能的研究相對較少。鑒于此,本文以橋梁工程中的常見T梁為研究對象,以配筋率和預應力作為主要影響因素,制作6根UHPC-T梁(包括2根預應力UHPC-T梁)和2根普通混凝土T梁,其中4根T梁采用三等分點抗彎靜載試驗測量其極限承載力,以確定其疲勞試驗荷載;余下4根T梁采用三等分點抗彎疲勞試驗研究其抗彎疲勞性能,重點研究配筋率和預應力筋等對其變形、應變、剩余承載力等抗彎疲勞性能的影響。

1 試驗概況

1.1 模型制作及加載測點布置

受經(jīng)費和試驗場地等因素限制,足尺模型試驗難以實現(xiàn),本文采用縮尺模型試驗開展相關(guān)研究。結(jié)合試驗條件和研究目的,本縮尺模型參考借鑒文獻[15]的試驗模型,即調(diào)整了模型截面翼緣和腹板尺寸,其中試驗模型梁的抗彎與抗剪等性能滿足設(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,加載時兩邊預留150 mm,計算跨度為2 100 mm,如圖1a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1b所示。預應力UHPC-T梁的預應力采用后張法施加,距梁底下緣56 mm處布置1根15.2 mm預應力鋼鉸線,如圖1c所示,其中錨墊板采用10 mm鋼板以防止錨固區(qū)局部壓碎,張拉預應力為110 kN。試驗T梁的變化參數(shù)主要考慮配筋率和預應力等影響,具體分組見表1,其中“S”和“F”分別表示靜力加載和疲勞加載,M1～M4為試件梁編號,普通混凝土T梁作為對比方案。

表1 UHPC-T梁試件分組

表2 梁的剩余承載能力

a—UHPC-T梁構(gòu)造及測點布置; b—UHPC-T梁橫截面; c—預應力UHPC-T梁橫截面; d—鋼筋應變布置。

a—模板制作; b—鋼筋綁扎; c—UHPC澆筑; d—模型養(yǎng)護。

圖3 試驗加載裝置及加載過程

UHPC-T梁的制作加工過程如圖 2所示,即先支模、綁扎鋼筋、后澆筑UHPC和自然條件養(yǎng)護。采用水泥∶硅粉∶石英砂∶水膠之間的配合比為1∶0.5∶1.5∶0.18來制作試驗用UHPC,其中添加2%的減水劑和2%的鋼纖維。

試件養(yǎng)護28 d后,分別開展三等分點抗彎靜載和疲勞試驗(圖 3)?？箯濎o力試驗加載機制:試驗前進行預加載,若無異常卸載至1 kN;試驗正式開始時采用分級加載,即試件開裂前每級加載不超過0.10Fs(Fs為極限荷載),試件開裂后每級加載不超過0.05Fs,達到開裂荷載后,每級加載不超過0.10Fs?？箯澠谠囼灱虞d機制:采用正弦波周期加載,加載頻率為5 Hz,疲勞試驗加載下限值取0.1Fs,上限值為0.3Fs,幅值為0.2Fs,如圖4所示。當疲勞加載至特定次數(shù)(1萬次、3萬次、5萬次、10萬次、20萬次、30萬次、40萬次、50萬次、60萬次、70萬次、80萬次、90萬次、100萬次、120萬次、140萬次、160萬次、180萬次、200萬次)時,進行一次靜力測試;若試驗T梁疲勞加載200萬次后未發(fā)生破壞,則進行剩余承載能力靜載試驗,直至試驗T梁達到峰值荷載的85%時停止試驗。本文著重介紹UHPC-T梁抗彎疲勞試驗結(jié)果,其抗彎靜力試驗結(jié)果參見文獻[16]。

圖4 疲勞試驗加載波形

測試內(nèi)容包括:撓度、混凝土應變、鋼筋應變、裂縫等。1)撓度測試:沿T梁縱向(含兩端支座處)布置5個位移傳感器,如圖1a所示。2)應變測試:布置鋼筋應變測試箍筋、縱筋應變(圖1d);在T梁跨中布置5個應變片測試混凝土應變沿梁高分布規(guī)律(圖1a )。3)裂縫測試:采用裂縫觀測儀測量每級荷載下的裂縫寬度,并標記出第一次裂縫位置,保證每次測量位置相同;選取5條主要裂縫,用鋼尺測量每級荷載下的裂縫發(fā)展情況。

1.2 材料力學性能

澆筑試件時,制作了3個邊長為100 mm的立方體試件以測試其抗壓強度[17],UHPC和C40混凝土的平均抗壓強度分別為120.1 和32.7 MPa。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[18],UHPC和C40混凝土的平均彈性模量分別為4.83×104和3.26×104MPa。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,UHPC的平均抗折強度為15.2 MPa。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[19],UHPC的平均軸心抗拉強度為11.4 MPa。

按照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》[20]規(guī)定開展了鋼筋拉伸試驗,直徑6,8,14 mm的平均屈服強度分別為431.5,427.9,438.2 MPa;其平均極限強度分別為466.5,530.7,443.9 MPa;其彈性模量分別為2.26×105,1.91×105,2.21×105MPa。

2 配筋率對UHPC-T梁抗彎疲勞性能的影響

2.1 混凝土應變

FM1、FM2和FM4梁混凝土最大壓應變、最大拉應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖 5a和圖5b所示。歷經(jīng)200萬次循環(huán)后,與FM1梁比較,FM2和FM4梁混凝土最大壓應變和最大拉應變明顯小于FM1梁,表明UHPC可有效降低混凝土應變,阻止T梁開裂;FM2和FM4梁最大壓應變和最大拉應變接近,表明提高配筋率對T梁混凝土應變影響不大,因為混凝土應變只與其材料本身有關(guān),而與縱向配筋率無關(guān)。

a—混凝土最大壓應變; b—混凝土最大拉應變;c—受壓區(qū)混凝土殘余應變; d—受拉區(qū)混凝土殘余應變。

FM1、FM2和FM4梁的受壓區(qū)、受拉區(qū)混凝土殘余應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖 5c和圖5d所示。分析可知,混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)殘余應變的變化規(guī)律相似,即隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)增加,受壓區(qū)和受拉區(qū)殘余應變呈遞增趨勢。由圖可知,經(jīng)歷120萬次循環(huán)后,FM2和FM4梁殘余應變接近,表明配筋率對T梁殘余應變同樣影響不大;經(jīng)歷100萬次循環(huán)后,FM2和FM4梁殘余應變的斜率遠小于FM1梁的,表明疲勞荷載作用下FM2和FM4梁的殘余應變累積比FM1梁緩慢,表現(xiàn)出良好的抗壓與抗拉性。

2.2 鋼筋應變

FM1、FM2和FM4梁縱向鋼筋應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化如圖6所示。由圖可見,FM1、FM2和FM4梁的鋼筋應變呈“慢-快”變化規(guī)律,分界點出現(xiàn)在T梁發(fā)生第一條裂縫時。其主要原因是梁開裂前應力由混凝土和鋼筋共同承擔,開裂后混凝土逐漸退出工作,導致鋼筋應力變大;加載次數(shù)不斷增加,裂縫逐漸向上延伸,梁中性軸逐漸上移,因此開裂荷載之前鋼筋應變曲線斜率較平緩,開裂之后其斜率變大。FM1、FM2和FM4梁的鋼筋最大拉應變均小于其屈服應變,因此,FM1、FM2和FM4梁未發(fā)生鋼筋脆斷而引起的疲勞破壞現(xiàn)象,這可能與應力水平較低有關(guān)。

a—鋼筋應變; b—鋼筋殘余應變。

FM1梁的縱向鋼筋應變及其殘余應變均高于FM2和FM4梁。主要是因為普通混凝土開裂后,其受拉區(qū)的拉應力全部由鋼筋承擔,而FM2和FM4梁即使UHPC開裂后,其UHPC中的鋼纖維可承受部分拉力,有效減少了縱向鋼筋應變,表明鋼纖維可提高鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力,減小混凝土與鋼筋間的滑移。與FM2梁相比,FM4梁的縱向鋼筋應變及其殘余應變均要小,其主要原因是縱向鋼筋配筋率的增大可有效降低其應變響應。

圖 6b為FM1、FM2和FM4梁跨中鋼筋殘余應變與疲勞次數(shù)的關(guān)系。3根T梁在疲勞試驗加載過程中其鋼筋殘余應變很小,表明縱向受力鋼筋處于彈性受力階段,不像混凝土一樣發(fā)生明顯殘余應變。

2.3 撓度和最大裂縫寬度

FM1、FM2和FM4梁跨中撓度及其殘余撓度隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。分析可得:FM1、FM2和FM4梁跨中撓度及其殘余撓度隨疲勞荷載作用次數(shù)的增加而增大;疲勞荷載作用前期其撓度增加較緩慢,中期撓度快速增長,后期撓度增長變緩,此時梁進入疲勞階段,但均未表現(xiàn)出疲勞破壞特征。FM2和FM4梁的跨中撓度及殘余撓度均小于FM1梁,如歷經(jīng)120萬次循環(huán)荷載后,FM1、FM2和FM4梁的跨中撓度分別為7.3,6.2,4.6 mm,相應的殘余撓度為3.2,1.6,1.5 mm,表明UHPC提高了T梁剛度,可抑制T梁損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。歷經(jīng)200萬次疲勞加載后,FM4梁的跨中最大撓度及殘余撓度分別為FM2梁的87.5%和70.3%,表明提高縱向配筋率可有效降低疲勞荷載作用下T梁的撓度和殘余撓度。

a—跨中最大撓度; b—跨中殘余撓度。

FM1、FM2和FM4梁的最大裂縫寬度隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖8所示。分析可得:隨疲勞次數(shù)的增加,最大裂縫寬度不斷發(fā)展而變寬,疲勞循環(huán)前期(疲勞循環(huán)40萬次前),梁體裂縫寬度增加緩慢,上升趨勢不明顯;隨后,裂縫進入快速發(fā)展階段,其原因是T梁疲勞損傷累積引起的梁體剛度退化,即普通受拉縱筋截面處有微裂紋產(chǎn)生,且微裂紋在整個疲勞過程中不斷發(fā)展,使得鋼筋的有效截面面積在不斷下降,導致該截面的鋼筋應力隨之增大,形成不利的受力狀態(tài)。經(jīng)歷200萬次疲勞循環(huán)后,配筋率從0.372%增至1.14%,相應的最大裂縫寬度由0.52 mm降至0.28 mm,下降了約46%,可見增大縱向配筋率可有效降低疲勞荷載作用下T梁的最大裂縫寬度。

2.4 剩余承載能力

疲勞加載200萬次后,FM1、FM2和FM4梁抗彎靜載的荷載-撓度以及荷載-裂縫寬度如圖9、10所示。分析可得,與FM1梁相比,FM2梁的跨中最大撓度由18.3 mm降至16.1 mm,下降了約12%,最大裂縫寬度由1.62 mm降低至1.57 mm;表明UHPC提高了T梁的疲勞抗彎剛度和疲勞抗裂性能。當配筋率從0.372%(FM2-T梁)增大至1.14%(FM4-T梁)時,T梁的跨中最大撓度由16.1 mm下降至15.2 mm,最大裂縫寬度由1.57 mm降至1.46 mm;表明增大縱向配筋率可有效提高T梁的疲勞抗彎剛度和疲勞抗裂性能。

FM1、FM2和FM4梁的剩余承載能力試驗結(jié)果列于表 2,為方便對照,SM1、SM2和SM4梁的抗彎靜載試驗結(jié)果也列于表 2中,更多的抗彎靜載試驗結(jié)果參見文獻[16]。隨著材料的提升和配筋率的增大,UHPC-T梁的剩余承載力逐漸上升,如FM1、FM2和FM4的剩余承載力分別為40,80,140 kN,與相應的未經(jīng)疲勞加載的極限承載力之比增大。歷經(jīng)200萬次后,3根試驗T梁的剩余承載力低于未經(jīng)疲勞加載的極限承載力,如對于配筋率相同的SM4和FM4梁,其承載力從150 kN降到140 kN,下降了約6.7%;對于配筋率相同的SM1和FM1梁,其承載力從47 kN降到40 kN,下降了14.9%;表明疲勞加載降低了T梁的承載能力。

3 預應力筋對UHPC-T梁抗彎疲勞性能的影響

3.1 混凝土應變

FM2和FM3梁混凝土最大壓應變、最大拉應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖 11a和圖11b所示。由圖可見,FM2和FM3梁混凝土最大壓應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)基本呈線性遞增趨勢,表現(xiàn)出良好的抗壓性能。與壓應變不同,混凝土最大拉應變在100萬次循環(huán)荷載前呈增長趨勢,但隨后逐漸趨于平緩,其原因是在梁體下邊緣混凝土開裂前,由混凝土全截面受力,梁體開裂后,受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作,應力完全由受壓區(qū)混凝土承擔。

a—混凝土最大壓應變; b—混凝土最大拉應變;c—受壓區(qū)混凝土殘余應變; d—受拉區(qū)混凝土殘余應變。

a—鋼筋最大拉應變; b—鋼筋殘余應變。

FM2和FM3梁的受壓區(qū)、受拉區(qū)混凝土殘余應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖 11c和圖11d所示。經(jīng)歷200萬次循環(huán)后,FM3梁的殘余應變與FM2梁接近,表明施加預應力對混凝土殘余應變影響很小。

3.2 鋼筋應變

FM2和FM3梁鋼筋應變及殘余應變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化如圖 12所示。由圖可見,在等幅疲勞荷載作用下,鋼筋應變和殘余應變隨循環(huán)次數(shù)的增加呈遞增趨勢。循環(huán)200萬次后,FM3和FM2梁的鋼筋應變接近,表明施加預應力對T梁鋼筋應變影響很小。與混凝土應變比較,鋼筋應變變化更為敏感,可以預見鋼筋在疲勞試驗中占據(jù)主導地位,即鋼筋的疲勞性能是影響結(jié)構(gòu)疲勞破壞的重要因素。由圖 12b可看出,FM3梁和FM2梁鋼筋殘余應變接近,其原因是預應力對試件的抗裂性產(chǎn)生重要影響。

3.3 撓度和最大裂縫寬度

FM2和FM3梁跨中最大撓度及其殘余撓度隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖13所示。從圖中可看出,FM2和FM3梁跨中撓度的變化趨勢大致相同,即疲勞荷載循環(huán)作用下,試件初期撓度增長緩慢,中期撓度急劇增長。FM3跨中撓度均小于FM2梁,但兩者之間的殘余應變接近,如歷經(jīng)120萬次循環(huán)荷載后,FM2和FM3梁的跨中撓度分別為6.2 mm和3.9 mm,但相應的殘余撓度為1.6 mm和1.4 mm。這表明施加預應力提高了T梁剛度,但對其殘余撓度影響較小,這可能與卸載后UHPC-T梁仍具有良好變形能力有關(guān)。

a—跨中最大撓度; b—跨中殘余撓度。

FM2和FM3梁的最大裂縫寬度隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖14所示。分析可得,其最大裂縫寬度發(fā)展過程大致可分為三個階段:緩慢增長、快速發(fā)展和穩(wěn)定增長,即疲勞荷載作用前期,梁最大裂縫寬度增加較緩慢,其腹板開始出現(xiàn)細微裂縫,上升趨勢不明顯;隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)不斷增加,裂縫發(fā)展開始進入快速發(fā)展階段,與FM2梁比較,FM3梁的斜率明顯較小,由于施加了預應力;隨后裂縫發(fā)展進入穩(wěn)定增長階段,直至試驗結(jié)束。經(jīng)歷200萬次循環(huán)荷載后,最大裂縫寬度由FM2梁的0.43 mm降至FM3梁的0.32 mm,下降了約26%,可見施加預應力亦可有效降低T梁的最大裂縫寬度。

3.4 剩余承載能力

疲勞加載200萬次后,FM2和FM3梁抗彎靜載試驗的荷載-撓度以及荷載-裂縫寬度如圖15、16所示。分析可得,與FM2梁相比,FM3梁的跨中最大撓度由16.7 mm降至15.5 mm,降低約7.2%;最大裂縫寬度由1.59 mm下降到1.53 mm;表明預應力提高了T梁的疲勞抗彎剛度和抗裂性能。

FM2和FM3梁的剩余承載能力及SM2和SM3的抗彎靜載試驗結(jié)果列于表3。歷經(jīng)200萬次循環(huán)后,配筋率相同的SM3和FM3梁,其承載能力由132 kN降至110 kN,下降了約16.7%;配筋率相同的SM2和FM2梁,其剩余承載能力由93 kN降至80 kN,降低了約14.0%,表明疲勞加載降低了T梁的承載能力。

表3 梁的剩余承載能力

4 結(jié) 論

1)增大配筋率和施加預應力對T梁混凝土疲勞應變影響較小,增大配筋率可有效降低鋼筋疲勞應變,施加預應力對鋼筋疲勞應變影響不大。

2)混凝土T梁、配筋率為0.372%和1.14%的UHPC-T梁及預應力UHPC-T梁疲勞試驗后的剩余承載能力與其相應的靜載承載能力相比,分別下降了14.9%、14.0%、6.7%和16.7 %,表明疲勞荷載作用降低了其承載能力。

3)隨著材料的改善和縱向配筋率的增大,UHPC-T梁的剩余承載力逐漸上升,其撓度及殘余撓度降低,表明UHPC和增大配筋率可有效提升T梁的剩余承載能力和降低其撓度。

4)疲勞荷載作用下,施加預應力顯著提升了T梁的剩余承載能力,降低了最大裂縫寬度;疲勞試驗后的抗彎靜載作用下,施加預應力對T梁最大裂縫寬度的影響較小。