混凝土构件局部开口后钢筋和混凝土变形性能试验研究

王自彬

（上海同丰工程咨询有限公司，上海 200050）

0 引言

我国服役桥梁达数百万座，每座桥梁均需按照现行的《公路桥涵养护规范》和《城市桥梁养护技术规范》进行检查和检测，必要时需要进行荷载试验评定桥梁的承载能力，因此荷载试验在桥梁的承载能力评定中使用频繁。

钢筋混凝土桥梁或预压应力不足的预应力混凝土桥梁进行荷载试验时，控制截面受拉区混凝土在试验荷载作用下一般会产生裂缝，致使构件受拉区混凝土成为变形不连续结构，此时粘贴在混凝土表面应变片的应变值有大有小，个别甚至被拉断，因此目前常见的应变计无法精确测试构件受拉区混凝土的应变，通常在荷载试验中为准确测试控制截面的应变，需要将混凝土局部凿除，在钢筋上粘贴应变片。由于钢筋屈服前在外力作用下为应变连续体，不存在应力沿长度方向突变的情况，因此钢筋在屈服前的应变能够比较精确地反应结构应变情况。此方法能够解决控制截面的应变测量问题，但是局部混凝土凿除破坏了测点附近混凝土与钢筋的粘结[1]，这种方式测试的结构应变是否准确呢？为研究局部混凝土凿除对钢筋应变的影响，本文根据试验结果分析，并与有限元模型计算结果比较，总结出局部混凝土凿除对钢筋应变的影响。

1 试验模型

1.1 试验模型的选取

试验模型首先需要满足在试验荷载作用下混凝土和钢筋理论变形的一致，然后在混凝土构件底缘局部进行开口，在钢筋和混凝土表面同时粘贴应变片，测试钢筋和混凝土的应变。预应力混凝土梁在混凝土未完全消压前结构处于弹性阶段，符合平截面假定，相同高度混凝土和钢筋的应变一致，满足试验要求。

试验选取一片预制预应力混凝土简支小箱梁，该梁全长28.52 m，支座中心距27.68 m，梁高1.6 m，梁顶宽2.4 m，梁底宽1.0 m，腹板厚0.18～0.25 m，梁内配有8束s15.2-5的低松弛钢绞线，采用C50混凝土，梁顶已浇筑0.08m厚的C40混凝土铺装层，单片梁重约93 t（不含铺装层重），设计荷载标准为公路-Ⅰ级。

1.2 测点布置

测试截面选在两加载支点间的纯弯区，避开中横隔板0.5 m，在测试截面底缘两侧凿开混凝土粘贴两片钢筋应变片（见图1），在梁底和侧面粘贴19片混凝土应变片（见图2）。

图1 应变片粘贴实景

图2 测点布置示意图

2 试验加载

试验采用3块预制的混凝土块进行加载，每块重20 t，对称于跨中进行两支点加载，经计算此试验荷载作用下最不利截面尚有3.36 MPa的压应力，满足混凝土和钢筋变形协调的要求。试验荷载分三次施加，混凝土块与梁体间垫枕木，加载工况和各级工况描述见表1所列，加载示意图见图3所示。

表1 加载工况及加载位置一览表

图3 试验荷载加载示意图（单位：mm）

3 试验结果及分析

由于保护层厚度和钢筋位置开洞的影响，钢筋应变片和混凝土应变片不在截面的同一高度位置，为消除影响，将构件两侧所有混凝土的应变进行回归，得出混凝土应变随截面高度的变化关系，计算出对应于钢筋高度位置的混凝土应变，然后将该应变和同高度钢筋应变进行比较。

分析试验结果发现，箱梁底钢筋应变明显较箱梁底板混凝土应变要大。表2中列出了工况3最大试验荷载作用下箱梁底部钢筋应变和同位置混凝土应变。

表2 箱梁下缘同一高度钢筋与混凝土应变一览表

由表2可知，断面开口后下缘两侧同高度处钢筋应变较混凝土应变大17.1%～20.1%，不符合平截面假定。这是由于钢筋与混凝土刚度并不一致，若要保持其变形一致，基本的条件是要保证两者之间良好的粘结，而测试钢筋应变时对其保护层混凝土进行了局部凿除，破坏了钢筋和混凝土之间的粘结，两者之间的变形不一致，所以导致开凿区域钢筋应力集中。

4 理论分析

为了验证上述现象，采用通用有限元软件Ansys建立试验梁实体模型，混凝土采用Solid65单元，钢筋采用beam44单元。根据现场测量，凿除部分混凝土大小约为120 mm×65 mm×70 mm，建模过程中采用杀死混凝土单元来模拟。

由模型分别计算梁体完好状态下和混凝土局部凿除状态下的梁底钢筋应变，表3为计算结果。

表3 试验梁实体模型梁底钢筋应变比较表

理论计算结果表明，梁底普通钢筋混凝土保护层局部凿除后钢筋应变较梁体完好状态下的钢筋应变大16.3%～16.4%，这与实测的17.1%～20.1%基本相吻合，理论计算验证了实测结果。

5 结论

（1）混凝土梁梁底钢筋在保护层局部开凿后破坏了混凝土与钢筋间的粘结，致使钢筋应变在开凿处应力集中，此处钢筋应变不符合平截面假定。试验荷载作用下实测梁底开口处钢筋应变较同高度位置混凝土应变大17.1%～20.1%，理论分析值为16.3%～16.4%，试验实测结果与理论计算结果基本吻合。

（2）由于梁底保护层凿除后钢筋应变会产生应力集中，今后在类似的试验中需要考虑钢筋和混凝土粘结力破坏对测试结果的影响。

（3）鉴于以上认识，当钢筋锈蚀致使混凝土保护层开裂剥落后桥梁的承载能力因此将有所下降[2][3]，故在工程实践中，不仅要考虑钢筋锈蚀对承载能力的影响，还需考虑钢筋和混凝土粘结破坏对承载能力的影响。

[1]姚凯,陈金锋,刘玺.钢筋混凝土梁局部受拉钢筋暴露后受弯性能分析[J].工业设计与研究,2004,3:21-24.

[2]李文,张素梅.去除局部破损混凝土后钢筋混凝土梁受弯性能理论分析[J].工业建筑,2003,33(4):49-52.

[3]陶峰,王林科,王庆霞,刘建军.服役钢筋混凝土构件承载力的试验研究[J].工业建筑,1996,26(4):17-20.