钢筋RPC道砟槽板抗弯承载力试验及破坏特征研究

邱丽梅，高 日，赵会东，聂 磊

(北京交通大学土木工程学院，北京 100044)

1 钢筋RPC道砟槽板模型试验

1.1 试验用活性粉末混凝土

1)试件尺寸:抗压件 100mm×100mm×100mm(3组)，抗折件 100mm×100mm×400mm(3组);

2)搅拌成型工艺:将石英砂与钢纤维投入搅拌机内，干拌1 min，再将水泥、硅粉等胶凝材料投入搅拌机内，干拌2 min，1/2的用水量与减水剂均匀混合，加入搅拌机，搅拌2 min，剩余1/2水加入搅拌机内，搅拌5min，搅拌完成后，装入试模中，在振动台上振动2～4 min;

3)试件带模具放入养护室，养护温度(20±1)℃，养护时间24 h，拆模后，放入养护箱内，蒸汽养护，养护温度80℃，养护时间72 h。

表1为本次试验RPC的配合比。

表1 活性粉末混凝土的配合比 kg/m3

试验设计了长度4 550mm，宽度2 990mm的3块钢筋RPC道砟槽板，其抗压容许应力为65mPa，抗拉容许应力为9 MPa，抗主拉容许应力为6 MPa。按2%的配筋率，在板内上下布置了两层φ20@120钢筋，钢筋中心距板边缘3 cm。

1.2 钢筋RPC道砟槽板试验设计

对3 m×5m的钢筋RPC道砟槽板抗弯承载力进行了试验研究，测试其抗弯承载力、延性性能，观测其破坏形态、裂缝出现的位置和扩展方式等，从而对钢筋RPC道砟槽板的力学性能进行评价。

1)试验方法及试验装置

试验按《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—1992)进行，试验采取四点支撑的形式，四点分别支撑在钢墩上，板中央一点集中加载，加载方式如图1所示。试验主要量测荷载、跨中受拉边缘应变、钢筋应力、裂缝开展情况等。

图1 道砟槽板加载方式

采用2 000 kN千斤顶分别对3块道砟槽板进行集中加载，加载设备采用美国MTS拟静力试验系统，数据采集采用日本三荣公司生产的7V13数据采集器。量测仪器包括静态电阻应变仪、应变式位移传感器和电阻应变片，同时采用压力传感器测定荷载值。为了准确地控制开裂，测定受弯构件的抗裂性能，在梁底与板底沿纵横向连续地布置了电阻应变片。量测应变所用的电阻应变片采用5mm×20mm的纸基电阻应变片，电阻值为(119.5±0.02%)Ω，灵敏系数为2.01±3.6。在跨中及两条肋上设置了电测位移计。各项准备工作完成后，开始逐级加载，加载到开裂后放缓加载速度直到破坏。B1按每级50 kN增加一直加载到1 550 kN，B2按每级50 kN增加一直加载到1 650 kN，B3按每级50 kN增加一直加载到1 550 kN。

2)测点布置

应变片的布置:在板底及板顶纵横向共布置18个应变片，并在板底跨中凿两根钢筋出来，布置2个应变片。位移计的布置:在板底和两肋上布置3个位移计，测点布置见图2。

图2 测点布置(单位:mm)

2 钢筋RPC板破坏特征分析

2.1 变形

钢筋RPC板的受拉侧(板底)，在每50 kN分级加载条件下，当加载到250 kN左右时，开始出现第一条裂缝。当加载到700 kN左右，开始听到钢纤维拉断的声音，加载力达到1 000～1 100 kN，钢纤维拉断的声音加剧，板底裂缝扩展迅速。此时板虽然已经开裂，但是荷载—应变曲线基本呈线性变化，这体现出钢纤维的承拉阻裂作用。当荷载超过1 000～1 100 kN，钢纤维被拉断或拔出，基本退出工作，受拉钢筋屈服，所有拉力均由屈服后的受拉钢筋承担，道砟槽板的荷载—应变曲线呈非线性变化。随着荷载继续增加，板破坏。B1加载到950 kN，对应板顶压应变约为1 200×10-6;B2加载到1 550 kN，对应板顶压应变约为3 900×10-6;B3加载到1 650 kN，对应板顶压应变约为4 100×10-6，峰值压应变较普通钢筋混凝土板提高约1 500×10-6。由试验得到的荷载和应变数据，分别从3块板数据中选取出比较有代表性的数据，做出板底跨中的荷载—应变曲线，如图3所示。

图3曲线表明，钢筋RPC道砟槽板从加载到破坏的整个过程可分为以下3个阶段:

阶段Ⅰ:弹性阶段。道砟槽板在加载初期(≤250 kN)，如图0A段。该阶段直线比较陡直，构件基本处于弹性状态，塑性变形和应力都很小。道砟槽板中拉、压应力随高度呈线性变化，其荷载—应变曲线近似为直线这与普通混凝土基本一致。与普通混凝土板不同的是，配筋RPC板初裂缝的出现较晚，普通混凝土的抗拉强度较低，在加载至破坏荷载的10%左右即出现初裂缝，而配筋RPC板的初裂荷载为破坏荷载的40%～45%左右。

图3 跨中荷载—应变曲线

阶段Ⅱ:裂缝扩展和纤维增强阶段(250 kN≤加载力≤700 kN)，如图AB段。随着荷载的继续增加，弯矩逐渐增大，板受拉区边缘出现的裂缝逐渐向上发展，中和轴随之上移，RPC将原来由它承担的拉力转交给钢纤维和钢筋共同承担。尽管此时板已经开裂，但其荷载—应变曲线仍接近直线，裂缝高度的增长速度减缓，这体现出钢纤维的承拉阻裂作用。试验加载到700 kN左右，能听到钢纤维被拉断拔出的声音。

当加载到极限荷载的65%左右(1 000～1 100 kN)时，纵向受拉钢筋已经屈服，受拉区边缘钢纤维被拉断拔出，其增强效果基本消失。此时荷载—应变曲线出现明显拐点，板底的裂缝迅速扩展，板侧面裂缝向上迅速扩展，如图BC段。此后，钢筋RPC道砟槽板的挠度增长相比之前迅速。

阶段Ⅲ:破坏阶段，如图CD段。当荷载达到极限荷载的95%左右(1 500～1 600 kN)时，纵向受拉钢筋达到抗拉极限强度，此时裂缝宽度很大(板侧面的最大裂缝宽度可达1.8 mm左右)。随着荷载的继续增加，裂缝宽度扩大，板的挠度继续增长，但速度较平缓，这体现出钢筋RPC材料具有良好的峰值后软化特性。为了试验的安全与保护试验器材，并未将其加载到彻底破坏。

2.2 裂缝形态和破坏特点

加载和卸载后，分别绘出3块板板底和板侧的裂缝情况，图4为B2板底和板侧的裂缝图。

图4 道砟槽板裂缝示意

钢筋RPC道砟槽板裂缝出现、发展及破坏形态与普通钢筋混凝土板破坏形态类似。加载初期，钢筋RPC道砟槽板处于弹性阶段，达到开裂荷载(极限荷载的40% ～45%左右)时，跨中附近出现第一条裂缝。随着荷载的增加，裂缝逐渐向上并且向板侧、两肋扩展。当加载到700 kN左右时可以听到稀疏的钢纤维拔出的声音。荷载达到极限荷载的50%～60%左右时，1/4跨处出现新裂缝;当加载到1 000 kN左右以后，能听到明显的开裂声，板底裂缝扩展迅速，并且已经扩展到板的侧面;当加载到1 200 kN左右时，板侧有三道主裂缝出现，随着加载的继续进行，次生裂缝逐渐增多。钢纤维的掺入使梁的抗拉应力得到显著提高，改变了混凝土的破坏形态，钢筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破坏形式属于延性破坏。

3 ANSYS模拟分析

根据各试验板在开裂及破坏时的荷载，由试验所得数据求得试验板B2和B3的开裂弯矩实测值、极限弯矩实测值以及电算结果，如表2所示。同时，根据已有RPC参数，混凝土采用Solid65单元，钢筋采用Link8单元，利用有限元分析软件ANSYS进行模拟计算。

表2 板的弯矩值 kN·m

由表2可以看出，电算结果和试验测得数据接近，相比偏小一些，这是由于ANSYS不能较好模拟RPC里钢纤维的原因，但误差在合理范围内。

4 结论

1)钢筋RPC道砟槽板从开始加载到完全破坏整个过程与普通钢筋混凝土板相似。但在裂缝发展状态，受拉区RPC的承拉作用等方面仍存在较大差别。在普通混凝土的计算分析中，常将混凝土的抗拉能力忽略，近似认为混凝土不能承担拉应力，尤其是一旦拉应力区出现裂缝后，就认为混凝土退出工作。含钢纤维的RPC材料不但具有比普通混凝土高的极限抗拉强度，而且具有更好的峰值后软化特性。

2)在250～1 000 kN的加载过程中，钢筋RPC道砟槽板虽然已经开裂，但由于钢纤维的承拉阻裂增强作用，其荷载—应变曲线基本呈线性变化。当荷载超过1 000 kN，钢纤维被拉断拔除，基本退出工作，钢筋RPC道砟槽板的荷载—应变曲线呈非线性变化。

3)钢纤维的掺入使梁的抗拉应力显著提高，改变了混凝土的破坏形态，钢筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破坏形式属于延性破坏。

［1］闫光杰，阎贵平，方有亮.RPC200人行道板抗弯承载力试验研究［D］.北京:北京交通大学，2004.

［2］GERARD B，JEROME D，ARNNUD B.The use of RPC in cross-flow cooling towers［C］//The International Symposium on High-performance Concrete and Reactive Powder Concrete.Canada:University of Sherbrooke，1998:59-73.

［3］BONNEAU O，POULIN C，DUGAT J，et al.Reactive powder concrete:From theory to practice［J］.Concrete International，1996，18(4):47-49.

［4］BLAIS P Y，COUTURE M.Precast prestressed pedestrian bridge-world's first reactive powder concrete structure［J］.PCI Journal，1999(9/10):60-71.

［5］王兆宁.RPC配筋梁弯曲性能研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［6］于涛涛.钢筋活性粉末混凝土受弯构件正截面承载力的研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［7］王振宁，丁建彤，郭玉顺.结构轻骨料混凝土的应力—应变全曲线［D］.北京:清华大学，2005.