UHPC-T梁抗弯疲劳性能试验研究及剩余承载能力评估

朱 琦 徐茂虎 叶力豪 蔡 玮 谢 文

(1.宁波大学土木工程与地理环境学院, 浙江宁波 315211; 2.中国建筑第八工程局有限公司, 上海 200112; 3.江西工程学院土木工程学院, 江西新余 338000)

0 引 言

超高性能混凝土(UHPC)是目前最具创新性的土木工程材料之一,具有高强度、高韧性及高耐久性等特点,在土木工程中应用越来越广泛[1-2]。在桥梁、铁路和飞机跑道等基础设施结构中,由于重复荷载作用,混凝土结构往往发生低于其极限承载力的疲劳破坏[3-4],因此如何提高桥梁等基础设施结构的疲劳性能具有重要意义。采用新型材料UHPC建造桥梁等基础设施结构是提高其疲劳性能的重要手段,而目前对UHPC桥梁等结构疲劳性能的研究略显不足,因此开展UHPC结构疲劳试验研究,了解其疲劳性能显得至关重要。目前,有学者开展了相关方面的研究工作,如张世贵的研究表明:静载和疲劳荷载下高强钢筋纤维混凝土梁的试验破坏形态差异显著[5];冯仲仁等研究表明:钢纤维掺入量直接影响裂纹产生时机,而对钢纤维混凝土梁的屈服疲劳寿命和极限疲劳寿命影响不大[6];谢业鹏对9根钢纤维混凝土梁进行了不同应力水平下弯曲疲劳试验[7],结果表明:相同纤维掺量的梁,疲劳应力水平越高,梁的疲劳寿命越短;高丹盈等通过14根高强混凝土梁的疲劳试验,分析了应力水平、钢纤维体积率、钢纤维类型、钢纤维掺入、截面高度和钢筋等级等不同因素对高强混凝土梁受压区混凝土累积残余应变的影响[8];吕尔燕对9根不同钢纤维掺入率的钢纤维混凝土梁分别进行静载及疲劳试验,研究了钢纤维掺入率对钢纤维混凝土梁疲劳寿命及破坏形式的影响,总结了疲劳荷载作用下钢筋及混凝土的应力、应变发展规律[9];Yan等研究了钢纤维体积掺量对UHPC疲劳裂纹扩展行为的影响[10],结果表明:裂纹扩展稳定阶段的裂纹扩展速率随着钢纤维掺量的增加而降低;Germano等对钢纤维切口梁进行三点弯曲疲劳试验,探究了钢纤维对疲劳寿命的影响[11],结果表明:试件破坏时的疲劳变形与单调应力-应变曲线吻合较好,纤维能明显改善混凝土的疲劳寿命;Parvez对12根钢纤维混凝土梁进行了等幅疲劳试验[12],结果表明:钢纤维通过降低受拉钢筋中的应力,延长了钢纤维混凝土梁的疲劳寿命;李书群等设计了在不同应力水平下钢纤维混凝土梁的弯曲疲劳试验[13],根据Miner损伤准则以及Corten Dolan公式对钢纤维混凝土梁的疲劳损伤累积规律以及裂纹扩展规律进行了讨论;周宏宇等对3组不同尺寸钢筋混凝土简支梁分别进行静载试验和等幅疲劳加载试验[14],结果表明:疲劳临界状态下,小尺寸试件的刚度、剩余承载力比大尺寸试件下降更明显且裂缝发展速度更快,试件尺寸越大,其抗变形性能越强。

综上所述,国内外学者主要以钢纤维混凝土梁为研究对象,研究了钢纤维掺量和加载应力水平等因素对梁疲劳性能的影响,而以预应力和配筋率为主要影响因素开展UHPC梁疲劳性能的研究相对较少。鉴于此,本文以桥梁工程中的常见T梁为研究对象,以配筋率和预应力作为主要影响因素,制作6根UHPC-T梁(包括2根预应力UHPC-T梁)和2根普通混凝土T梁,其中4根T梁采用三等分点抗弯静载试验测量其极限承载力,以确定其疲劳试验荷载;余下4根T梁采用三等分点抗弯疲劳试验研究其抗弯疲劳性能,重点研究配筋率和预应力筋等对其变形、应变、剩余承载力等抗弯疲劳性能的影响。

1 试验概况

1.1 模型制作及加载测点布置

受经费和试验场地等因素限制,足尺模型试验难以实现,本文采用缩尺模型试验开展相关研究。结合试验条件和研究目的,本缩尺模型参考借鉴文献[15]的试验模型,即调整了模型截面翼缘和腹板尺寸,其中试验模型梁的抗弯与抗剪等性能满足设计规范要求。UHPC-T梁的设计长度为2 400 mm,为防止两端发生锚固破坏,加载时两边预留150 mm,计算跨度为2 100 mm,如图1a所示;T形截面的腹板尺寸为120 mm×150 mm,翼缘尺寸为280 mm×100 mm,如图1b所示。预应力UHPC-T梁的预应力采用后张法施加,距梁底下缘56 mm处布置1根15.2 mm预应力钢铰线,如图1c所示,其中锚垫板采用10 mm钢板以防止锚固区局部压碎,张拉预应力为110 kN。试验T梁的变化参数主要考虑配筋率和预应力等影响,具体分组见表1,其中“S”和“F”分别表示静力加载和疲劳加载,M1～M4为试件梁编号,普通混凝土T梁作为对比方案。

表1 UHPC-T梁试件分组

表2 梁的剩余承载能力

a—UHPC-T梁构造及测点布置; b—UHPC-T梁横截面; c—预应力UHPC-T梁横截面; d—钢筋应变布置。

a—模板制作; b—钢筋绑扎; c—UHPC浇筑; d—模型养护。

图3 试验加载装置及加载过程

UHPC-T梁的制作加工过程如图 2所示,即先支模、绑扎钢筋、后浇筑UHPC和自然条件养护。采用水泥∶硅粉∶石英砂∶水胶之间的配合比为1∶0.5∶1.5∶0.18来制作试验用UHPC,其中添加2%的减水剂和2%的钢纤维。

试件养护28 d后,分别开展三等分点抗弯静载和疲劳试验(图 3)。抗弯静力试验加载机制:试验前进行预加载,若无异常卸载至1 kN;试验正式开始时采用分级加载,即试件开裂前每级加载不超过0.10Fs(Fs为极限荷载),试件开裂后每级加载不超过0.05Fs,达到开裂荷载后,每级加载不超过0.10Fs。抗弯疲劳试验加载机制:采用正弦波周期加载,加载频率为5 Hz,疲劳试验加载下限值取0.1Fs,上限值为0.3Fs,幅值为0.2Fs,如图4所示。当疲劳加载至特定次数(1万次、3万次、5万次、10万次、20万次、30万次、40万次、50万次、60万次、70万次、80万次、90万次、100万次、120万次、140万次、160万次、180万次、200万次)时,进行一次静力测试;若试验T梁疲劳加载200万次后未发生破坏,则进行剩余承载能力静载试验,直至试验T梁达到峰值荷载的85%时停止试验。本文着重介绍UHPC-T梁抗弯疲劳试验结果,其抗弯静力试验结果参见文献[16]。

图4 疲劳试验加载波形

测试内容包括:挠度、混凝土应变、钢筋应变、裂缝等。1)挠度测试:沿T梁纵向(含两端支座处)布置5个位移传感器,如图1a所示。2)应变测试:布置钢筋应变测试箍筋、纵筋应变(图1d);在T梁跨中布置5个应变片测试混凝土应变沿梁高分布规律(图1a )。3)裂缝测试:采用裂缝观测仪测量每级荷载下的裂缝宽度,并标记出第一次裂缝位置,保证每次测量位置相同;选取5条主要裂缝,用钢尺测量每级荷载下的裂缝发展情况。

1.2 材料力学性能

浇筑试件时,制作了3个边长为100 mm的立方体试件以测试其抗压强度[17],UHPC和C40混凝土的平均抗压强度分别为120.1 和32.7 MPa。制备了3个100 mm×100 mm×300 mm长方体试件用于测试其弹性模量[18],UHPC和C40混凝土的平均弹性模量分别为4.83×104和3.26×104MPa。浇筑了3个100 mm×100 mm×400 mm长方体试件以测试其抗弯折强度,UHPC的平均抗折强度为15.2 MPa。加工了3个180 mm×25 mm×25 mm狗骨形试件用于测试轴心抗拉强度[19],UHPC的平均轴心抗拉强度为11.4 MPa。

按照《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》[20]规定开展了钢筋拉伸试验,直径6,8,14 mm的平均屈服强度分别为431.5,427.9,438.2 MPa;其平均极限强度分别为466.5,530.7,443.9 MPa;其弹性模量分别为2.26×105,1.91×105,2.21×105MPa。

2 配筋率对UHPC-T梁抗弯疲劳性能的影响

2.1 混凝土应变

FM1、FM2和FM4梁混凝土最大压应变、最大拉应变随疲劳荷载循环次数的变化关系如图 5a和图5b所示。历经200万次循环后,与FM1梁比较,FM2和FM4梁混凝土最大压应变和最大拉应变明显小于FM1梁,表明UHPC可有效降低混凝土应变,阻止T梁开裂;FM2和FM4梁最大压应变和最大拉应变接近,表明提高配筋率对T梁混凝土应变影响不大,因为混凝土应变只与其材料本身有关,而与纵向配筋率无关。

a—混凝土最大压应变; b—混凝土最大拉应变;c—受压区混凝土残余应变; d—受拉区混凝土残余应变。

FM1、FM2和FM4梁的受压区、受拉区混凝土残余应变随疲劳荷载循环次数的变化关系如图 5c和图5d所示。分析可知,混凝土受压区和受拉区残余应变的变化规律相似,即随疲劳荷载循环次数增加,受压区和受拉区残余应变呈递增趋势。由图可知,经历120万次循环后,FM2和FM4梁残余应变接近,表明配筋率对T梁残余应变同样影响不大;经历100万次循环后,FM2和FM4梁残余应变的斜率远小于FM1梁的,表明疲劳荷载作用下FM2和FM4梁的残余应变累积比FM1梁缓慢,表现出良好的抗压与抗拉性。

2.2 钢筋应变

FM1、FM2和FM4梁纵向钢筋应变随疲劳荷载循环次数的变化如图6所示。由图可见,FM1、FM2和FM4梁的钢筋应变呈“慢-快”变化规律,分界点出现在T梁发生第一条裂缝时。其主要原因是梁开裂前应力由混凝土和钢筋共同承担,开裂后混凝土逐渐退出工作,导致钢筋应力变大;加载次数不断增加,裂缝逐渐向上延伸,梁中性轴逐渐上移,因此开裂荷载之前钢筋应变曲线斜率较平缓,开裂之后其斜率变大。FM1、FM2和FM4梁的钢筋最大拉应变均小于其屈服应变,因此,FM1、FM2和FM4梁未发生钢筋脆断而引起的疲劳破坏现象,这可能与应力水平较低有关。

a—钢筋应变; b—钢筋残余应变。

FM1梁的纵向钢筋应变及其残余应变均高于FM2和FM4梁。主要是因为普通混凝土开裂后,其受拉区的拉应力全部由钢筋承担,而FM2和FM4梁即使UHPC开裂后,其UHPC中的钢纤维可承受部分拉力,有效减少了纵向钢筋应变,表明钢纤维可提高钢筋与混凝土之间的黏结力,减小混凝土与钢筋间的滑移。与FM2梁相比,FM4梁的纵向钢筋应变及其残余应变均要小,其主要原因是纵向钢筋配筋率的增大可有效降低其应变响应。

图 6b为FM1、FM2和FM4梁跨中钢筋残余应变与疲劳次数的关系。3根T梁在疲劳试验加载过程中其钢筋残余应变很小,表明纵向受力钢筋处于弹性受力阶段,不像混凝土一样发生明显残余应变。

2.3 挠度和最大裂缝宽度

FM1、FM2和FM4梁跨中挠度及其残余挠度随疲劳荷载循环次数的变化关系如图7所示。分析可得:FM1、FM2和FM4梁跨中挠度及其残余挠度随疲劳荷载作用次数的增加而增大;疲劳荷载作用前期其挠度增加较缓慢,中期挠度快速增长,后期挠度增长变缓,此时梁进入疲劳阶段,但均未表现出疲劳破坏特征。FM2和FM4梁的跨中挠度及残余挠度均小于FM1梁,如历经120万次循环荷载后,FM1、FM2和FM4梁的跨中挠度分别为7.3,6.2,4.6 mm,相应的残余挠度为3.2,1.6,1.5 mm,表明UHPC提高了T梁刚度,可抑制T梁损伤的产生和发展。历经200万次疲劳加载后,FM4梁的跨中最大挠度及残余挠度分别为FM2梁的87.5%和70.3%,表明提高纵向配筋率可有效降低疲劳荷载作用下T梁的挠度和残余挠度。

a—跨中最大挠度; b—跨中残余挠度。

FM1、FM2和FM4梁的最大裂缝宽度随疲劳荷载循环次数的变化关系如图8所示。分析可得:随疲劳次数的增加,最大裂缝宽度不断发展而变宽,疲劳循环前期(疲劳循环40万次前),梁体裂缝宽度增加缓慢,上升趋势不明显;随后,裂缝进入快速发展阶段,其原因是T梁疲劳损伤累积引起的梁体刚度退化,即普通受拉纵筋截面处有微裂纹产生,且微裂纹在整个疲劳过程中不断发展,使得钢筋的有效截面面积在不断下降,导致该截面的钢筋应力随之增大,形成不利的受力状态。经历200万次疲劳循环后,配筋率从0.372%增至1.14%,相应的最大裂缝宽度由0.52 mm降至0.28 mm,下降了约46%,可见增大纵向配筋率可有效降低疲劳荷载作用下T梁的最大裂缝宽度。

2.4 剩余承载能力

疲劳加载200万次后,FM1、FM2和FM4梁抗弯静载的荷载-挠度以及荷载-裂缝宽度如图9、10所示。分析可得,与FM1梁相比,FM2梁的跨中最大挠度由18.3 mm降至16.1 mm,下降了约12%,最大裂缝宽度由1.62 mm降低至1.57 mm;表明UHPC提高了T梁的疲劳抗弯刚度和疲劳抗裂性能。当配筋率从0.372%(FM2-T梁)增大至1.14%(FM4-T梁)时,T梁的跨中最大挠度由16.1 mm下降至15.2 mm,最大裂缝宽度由1.57 mm降至1.46 mm;表明增大纵向配筋率可有效提高T梁的疲劳抗弯刚度和疲劳抗裂性能。

FM1、FM2和FM4梁的剩余承载能力试验结果列于表 2,为方便对照,SM1、SM2和SM4梁的抗弯静载试验结果也列于表 2中,更多的抗弯静载试验结果参见文献[16]。随着材料的提升和配筋率的增大,UHPC-T梁的剩余承载力逐渐上升,如FM1、FM2和FM4的剩余承载力分别为40,80,140 kN,与相应的未经疲劳加载的极限承载力之比增大。历经200万次后,3根试验T梁的剩余承载力低于未经疲劳加载的极限承载力,如对于配筋率相同的SM4和FM4梁,其承载力从150 kN降到140 kN,下降了约6.7%;对于配筋率相同的SM1和FM1梁,其承载力从47 kN降到40 kN,下降了14.9%;表明疲劳加载降低了T梁的承载能力。

3 预应力筋对UHPC-T梁抗弯疲劳性能的影响

3.1 混凝土应变

FM2和FM3梁混凝土最大压应变、最大拉应变随疲劳荷载循环次数的变化关系如图 11a和图11b所示。由图可见,FM2和FM3梁混凝土最大压应变随疲劳荷载循环次数基本呈线性递增趋势,表现出良好的抗压性能。与压应变不同,混凝土最大拉应变在100万次循环荷载前呈增长趋势,但随后逐渐趋于平缓,其原因是在梁体下边缘混凝土开裂前,由混凝土全截面受力,梁体开裂后,受拉区混凝土逐渐退出工作,应力完全由受压区混凝土承担。

a—混凝土最大压应变; b—混凝土最大拉应变;c—受压区混凝土残余应变; d—受拉区混凝土残余应变。

a—钢筋最大拉应变; b—钢筋残余应变。

FM2和FM3梁的受压区、受拉区混凝土残余应变随疲劳荷载循环次数的变化关系如图 11c和图11d所示。经历200万次循环后,FM3梁的残余应变与FM2梁接近,表明施加预应力对混凝土残余应变影响很小。

3.2 钢筋应变

FM2和FM3梁钢筋应变及残余应变随疲劳荷载循环次数的变化如图 12所示。由图可见,在等幅疲劳荷载作用下,钢筋应变和残余应变随循环次数的增加呈递增趋势。循环200万次后,FM3和FM2梁的钢筋应变接近,表明施加预应力对T梁钢筋应变影响很小。与混凝土应变比较,钢筋应变变化更为敏感,可以预见钢筋在疲劳试验中占据主导地位,即钢筋的疲劳性能是影响结构疲劳破坏的重要因素。由图 12b可看出,FM3梁和FM2梁钢筋残余应变接近,其原因是预应力对试件的抗裂性产生重要影响。

3.3 挠度和最大裂缝宽度

FM2和FM3梁跨中最大挠度及其残余挠度随疲劳荷载循环次数的变化关系如图13所示。从图中可看出,FM2和FM3梁跨中挠度的变化趋势大致相同,即疲劳荷载循环作用下,试件初期挠度增长缓慢,中期挠度急剧增长。FM3跨中挠度均小于FM2梁,但两者之间的残余应变接近,如历经120万次循环荷载后,FM2和FM3梁的跨中挠度分别为6.2 mm和3.9 mm,但相应的残余挠度为1.6 mm和1.4 mm。这表明施加预应力提高了T梁刚度,但对其残余挠度影响较小,这可能与卸载后UHPC-T梁仍具有良好变形能力有关。

a—跨中最大挠度; b—跨中残余挠度。

FM2和FM3梁的最大裂缝宽度随疲劳荷载循环次数的变化关系如图14所示。分析可得,其最大裂缝宽度发展过程大致可分为三个阶段:缓慢增长、快速发展和稳定增长,即疲劳荷载作用前期,梁最大裂缝宽度增加较缓慢,其腹板开始出现细微裂缝,上升趋势不明显;随疲劳荷载循环次数不断增加,裂缝发展开始进入快速发展阶段,与FM2梁比较,FM3梁的斜率明显较小,由于施加了预应力;随后裂缝发展进入稳定增长阶段,直至试验结束。经历200万次循环荷载后,最大裂缝宽度由FM2梁的0.43 mm降至FM3梁的0.32 mm,下降了约26%,可见施加预应力亦可有效降低T梁的最大裂缝宽度。

3.4 剩余承载能力

疲劳加载200万次后,FM2和FM3梁抗弯静载试验的荷载-挠度以及荷载-裂缝宽度如图15、16所示。分析可得,与FM2梁相比,FM3梁的跨中最大挠度由16.7 mm降至15.5 mm,降低约7.2%;最大裂缝宽度由1.59 mm下降到1.53 mm;表明预应力提高了T梁的疲劳抗弯刚度和抗裂性能。

FM2和FM3梁的剩余承载能力及SM2和SM3的抗弯静载试验结果列于表3。历经200万次循环后,配筋率相同的SM3和FM3梁,其承载能力由132 kN降至110 kN,下降了约16.7%;配筋率相同的SM2和FM2梁,其剩余承载能力由93 kN降至80 kN,降低了约14.0%,表明疲劳加载降低了T梁的承载能力。

表3 梁的剩余承载能力

4 结 论

1)增大配筋率和施加预应力对T梁混凝土疲劳应变影响较小,增大配筋率可有效降低钢筋疲劳应变,施加预应力对钢筋疲劳应变影响不大。

2)混凝土T梁、配筋率为0.372%和1.14%的UHPC-T梁及预应力UHPC-T梁疲劳试验后的剩余承载能力与其相应的静载承载能力相比,分别下降了14.9%、14.0%、6.7%和16.7 %,表明疲劳荷载作用降低了其承载能力。

3)随着材料的改善和纵向配筋率的增大,UHPC-T梁的剩余承载力逐渐上升,其挠度及残余挠度降低,表明UHPC和增大配筋率可有效提升T梁的剩余承载能力和降低其挠度。

4)疲劳荷载作用下,施加预应力显著提升了T梁的剩余承载能力,降低了最大裂缝宽度;疲劳试验后的抗弯静载作用下,施加预应力对T梁最大裂缝宽度的影响较小。