重复荷载作用后海工高性能混凝土梁刚度退化试验研究

陆春华 吴小龙 蔡启明 张菊连

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.006

基金项目：国家自然科学基金（51878319）

作者简介：陆春华（1979- ），男，博士，教授，主要从事混凝土结构长期性能研究，E-mail：lch79@ujs.edu.cn。

Received： 2021?10?22

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 51878319）

Author brief： LU Chunhua （1979- ）， PhD， professor， main research interest： long-term performance of concrete structures， E-mail： lch79@ujs.edu.cn.

（1. 江蘇大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 212013； 2. 上海宏信建筑科技有限公司， 上海 201800）

摘要：在荷载长期作用下，钢筋混凝土受弯构件的变形是一个重要的评价指标，也是构件正常使用极限状态的验算内容之一。为了研究经历重复荷载后海工高性能混凝土梁的变形发展规律，设计制作了10根试验梁，分别进行了重复荷载试验、氯盐干湿试验以及两者的共同作用试验；通过四点受弯试验对梁的跨中挠度及刚度退化进行评价，提出了梁短期刚度规范计算公式的修正方法。研究结果表明：荷载水平按梁纯弯段弯矩等于0.4M_u确定时，施加30次重复荷载后混凝土的损伤度接近15%；对于仅进行氯盐干湿循环的试验梁，其跨中挠度发展要慢于参照梁；施加重复荷载后，试验梁的跨中挠度发展要快于参照梁；对施加重复荷载后的试验梁再进行氯盐干湿循环，梁的刚度退化更为显著。结合试验结果，采用损伤效应折减系数对梁短期刚度计算公式进行修正，并验证了修正公式的合理性和有效性。

关键词：重复荷载；海工混凝土梁；损伤度；氯盐环境；弯曲刚度

中图分类号：TU375.1     文献标志码：A     文章编号：2096-6717（2024）03-0171-09

Experimental analysis of bending stiffness degradation of marine high-performance concrete beam after action of repeated loads

LU Chunhua¹， WU Xiaolong¹， CAI Qiming¹， ZHANG Julian²

（1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， P. R. China； 2. Shanghai Horizon Construction Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201800， P. R. China）

Abstract： Under long-term loading， the deformation of reinforced concrete flexural members is an important evaluation index and it is one of the checking contents of the serviceability limit state. To study the degradation law of bending stiffness of marine high-performance concrete beams after action of repeated loads， a total of 10 test beams were designed and fabricated. After exposure to the repeated load test， the chloride solution dry-wet cycle test and their coupled test， the mid-span deflection development and stiffness degradation of the test beams were evaluated using the four-point bending test. A modified method for the code formula of beam short-term stiffness is proposed. The test results indicate that when the load level is determined according to the moment of the beams pure bending section equal to 0.4M_u， the damage degree in concrete approaches 15% after 30 cycles of repeated load. For the test beams exposed only to the chloride solution dry-wet cycles， their mid-span deflection develops slower than that of the reference beam. After the action of repeated loads， the mid-span deflection of these test beams develops faster than that of the reference beam. When the damaged beams were exposed to chloride solution dry-wet cycles， their degradation of bending stiffness became more obvious. Based on the experimental results， the damage effect reduction factors were proposed to revise the calculation formula of beam，s short-term stiffness. The rationality and effectiveness of the revised formula are verified by the test data.

Keywords： repeated load； marine concrete beam； damage degree； chloride environment； bending stiffness

处于沿海环境下的混凝土桥梁，不仅要承受各种重复荷载的作用，还会遭受海洋环境侵蚀作用，导致其服役寿命远低于设计使用年限^[1]。在荷载作用下，结构混凝土会出现不同程度损伤以及由此引起的开裂；裂缝的存在，给外界氯离子侵入混凝土内部提供了便捷的通道，加快混凝土内钢筋锈蚀^[2]。锈蚀不仅会造成钢筋力学性能的下降，还会削弱混凝土与钢筋之间的粘结性能，从而对钢筋混凝土梁的受弯性能产生影响^[3]。

针对海洋环境下混凝土构件的耐久性劣化问题，学者们对持续荷载与氯盐环境耦合作用下钢筋混凝土梁的受弯性能进行了大量研究。Hariche等^[4]和Du等^[5]的研究表明，荷载的存在将加快混凝土内钢筋的锈蚀，且钢筋锈蚀会改变梁的受弯破坏模式以及降低其受弯承载力。Dong等^[6]研究了梁在加载和钢筋锈蚀（通电锈蚀）情况下的受弯性能，发现当钢筋锈蚀率在2%～3%时，梁受弯承载力下降不明显，但锈蚀对梁的延性影响较大。Li等^[7]认为当持续荷载水平在0%～15%内时，氯盐环境下混凝土梁内钢筋锈蚀率变化不大；当荷载水平增至30%时，锈蚀程度急剧上升；但当荷载水平增加到60%后，由于裂缝宽度变化不显著，故钢筋锈蚀率变化不大。Yin等^[8]发现当持载水平超过0.2时，荷载越大，梁的初始裂缝越宽，海洋环境中的氯离子更容易侵入混凝土内部，从而引起梁的刚度和承载力降低。

在实际工程中，沿海混凝土结构更多承受的是重复荷载，如汽车荷载、波浪荷载等；重复荷载作用会造成混凝土结构出现粘结性能降低、变形过大、裂缝过宽及发生低于静载强度的脆性破坏现象^[9-10]。目前，一些学者对重复荷载与氯盐环境耦合作用下钢筋混凝土梁受弯性能进行了试验研究。刘子键等^[11]的研究表明，当疲劳荷载水平大于0.24时，海水环境下钢筋混凝土梁的极限弯矩和初始刚度下降明显；王鑫等^[12]研究了重复荷载历史与海水干湿循环对钢筋混凝土梁受弯性能的影响，发现重复荷载水平越高，钢筋混凝土梁的受弯性能下降越明显。上述研究表明，重复荷载作用后，钢筋混凝土梁在海水环境下的承载性能和正常使用性能均会出现不同程度的变化。随着海工高性能混凝土在沿海混凝土结构的推广應用^[13-15]，经历重复荷载作用后该类混凝土梁的受弯性能退化机理值得关注和进一步研究。

笔者以海工高性能混凝土梁为研究对象，对部分试验梁施加一定次数的重复荷载，其荷载水平按梁纯弯段弯矩等于0.4M_u确定^[16]。通过试验对比分析了重复荷载作用、氯盐干湿循环作用以及两者共同作用下，海工高性能混凝土梁的弯曲刚度退化特性；并将试验结果与规范GB 50010—2010 ^[17]中给出的短期刚度计算结果进行了比较，对重复荷载作用后氯盐环境下混凝土梁的刚度计算公式进行了修正。

1 试验研究

1.1 材料及试件设计

参照已有文献中海工高性能混凝土的设计方法^[13-14]，选用大掺量粉煤灰和矿粉替代水泥，按混凝土强度等级C50进行配合比设计，具体见表1。胶凝材料中，水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰、矿粉为S95级矿粉；粗骨料为粒径5～25 mm的碎石；细骨料为细度模数为2.4的中砂；减水剂采用聚羧酸类高效减水剂。经28 d标准养护（温度（20±2）℃，相对湿度95%）后，测得该海工混凝土立方体抗压强度f_cu为53.06 MPa（见表1）。此外，梁内受拉钢筋选用直径为12 mm的HRB500级钢筋，箍筋和架立筋选用直径为8 mm的HRB400级钢筋，两者的力学性能见表2。

设计制作了10根海工高性能混凝土试验梁（见表3），梁截面高度约为长度的1/10，具体尺寸为150 mm×200 mm×1 800 mm。同时，在确定保护层厚度时，考虑《混凝土结构设计规范》（GB 510010—2010）^[17]中的三a类海风环境^[17]以及箍筋的直径，主筋的最小保护层厚度在50 mm左右；由于试验梁截面高度比实际工程混凝土梁要小，故按比例缩小取主筋保护层厚度为25 mm，相应的配筋率为0.89%。箍筋仅在弯剪段设置，其间距为100 mm；具体构造如图1所示。同时，试验还准备了9组（每组3个）混凝土标准立方体试块；其中2组用于评定混凝土内部损伤，另外7组用于测定混凝土抗压强度。试块编号统一为“C-aa-bb”，其中C表示立方体试块，数字aa和bb表达的含义与梁编号相同。

1.2 重复荷载作用

正常使用状态下，混凝土结构的荷载水平一般在0.4左右^[16]；鉴于此，荷载水平按梁纯弯段弯矩等于0.4M_u确定（M_u为试验梁B的极限弯矩实测值），对部分试验梁施加一定数量的重复荷载（见表3），具体加载方案见图2、图3。在确定试验梁B的M_u时，为了使矿物掺合料得到充分水化、混凝土强度比较稳定，将已养护28 d的试验梁在室内自然环境下再放置84 d后进行试验，最终测得梁B的极限弯矩M_u为22.25 kN^.m，相应的纯弯段加载弯矩为M=0.4M_u=8.90 kN^.m，此时，千斤顶荷载为35.6 kN。对于序号为4～9的试验梁（见表3），所有重复荷载作用在3 d内完成。

由于试验梁内配有钢筋，无法对施加重复荷载后梁中受压区混凝土损伤程度进行直接测定。故近似取相同的荷载水平，对混凝土标准立方体试块施加一定次数的重复荷载（加载方案同图2），通过测定试块混凝土的损伤来近似评价梁中混凝土的损伤。采用超声波法（见式（1））评价混凝土的损伤度D，具体结果见图4（在图4（a）中，数字①～③表示3个试块）。 （1）

式中：E_rd为混凝土试块的相对动弹性模量，E_rd=（v_n/v₀）²；其中，v₀、v_n分别为重复荷载作用前后混凝土的超声波波速。

从图4可以看出，在初期的重复加载过程（n小于10次）中，相对动弹性模量下降较快，说明混凝土试块内部新产生的微裂缝发展比较快速，相应地损伤也发展较快；随着重复荷载次数增大至30次，试块相对动弹性模量下降速率逐渐降低，说明混凝土试块内部损伤发展速率趋于稳定；这与文献[18]的试验结果相一致。经30次重复加载后，受压混凝土的平均损伤度在15%左右。为了给出损伤度D和循环次数n之间的关系，采用指数函数进行拟合分析，结果如图4（b）所示；可以看出，拟合曲线能很好地反映两者的关系，具体表达式见式（2），相关系数R²为0.983。

，n≤30 （2）

1.3 氯盐干湿循环

按表3中的设计方案，待重复荷载施加完成后（混凝土龄期为115 d），将部分试验梁放入浓度为5%的NaCl溶液中进行干湿循环试验，每个干湿循环周期为7 d，干湿比为4：3，共计280 d。同时，在进行干湿循环前及其过程中，对混凝土的立方体抗压强度进行了测定，结果如图5所示。从图5中可以看出，完好试块（编号C-0）在干湿前的强度为59.19 MPa，比28 d龄期强度提高了11.6%；在干湿循环过程中，混凝土强度又有了一定的提升，经过20次（龄期为255 d）和40次（龄期为395 d）循环后，混凝土强度比干湿前又分别提升了15.1%和10.2%，且呈现先增后略降的趋势。此外，对于施加重复荷载的试块（编号C-10和C-30），其强度变化趋势同完好试块，但提高幅度随重复次数增加而降低。

1.4 受弯性能试验

待重复荷载试验和氯盐干湿循环试验结束后，对1～9号试验梁进行四点加载受弯性能试验。参照《混凝土结构试验方法标准》（GB/T 50152—2012）^[19]，對试验梁进行分级单调加载，各级加载间隔10～15 min，直至试验梁破坏（以受压区混凝土被压碎为标志）。在此过程中，测量并记录试验梁的挠度、实时荷载等参数。试验梁加载装置如图3所示。

2 试验结果与分析

2.1 施加重复荷载时梁跨中挠度发展

图6给出了3根B-10试验梁以及3根B-30试验梁在施加重复荷载过程中的荷载-位移曲线；其中，对于B-10梁，给出了第1、4、7、10次加载-卸载过程跨中挠度变化情况；对于B-30梁，给出了第1、5、10、15、20、25、30次加载-卸载过程中跨中挠度变化情况。

从图6可以看出，在首次加载-卸载过程中，两条位移曲线间隔较大；但随着重复荷载次数的增加，加载和卸载位移曲线趋于重合。上述结果表明，在首次加载-卸载过程中，梁产生较大的塑性变形，卸载后残余挠度较大；随后梁的跨中挠度发展近似处于弹性变形阶段，残余挠度较小。

2.2 受弯性能试验中梁跨中挠度的发展

2.2.1 仅施加重复荷载对梁跨中挠度的影响

对于仅施加重复荷载的试验梁，其受弯过程中的荷载-挠度曲线与参照梁之间的对比关系见图7。从图7可以看出，与参照梁B-0-0相比，施加重复荷载后试验梁跨中挠度曲线的斜率减小、挠度增大，这说明当梁受到重复荷载作用后，其刚度会有一定程度的降低。这是因为施加重复荷载后，混凝土损伤程度增大，且与钢筋之间粘结性能会有一定退化，从而导致梁挠度大于参照梁，即刚度逐渐下降^[20]。

2.2.2 仅氯盐干湿循环对梁跨中挠度的影响

图8给出了完好（未施加重复荷载）试验梁经氯盐干湿循环后的荷载-挠度曲线。从图8可以看出，在加载初期，经氯盐干湿循环作用后试验梁的跨中挠度发展与参照梁B-0-0相差不明显；但随着荷载增大及梁底裂缝的快速发展，受干湿作用的梁B-0-20和梁B-0-40跨中挠度发展逐步慢于参照梁B-0-0，即干湿作用后梁的抗弯刚度有所提升，且受弯承载力也有20%左右的提高。其主要原因在于^[21]，混凝土内的矿物掺合料在氯盐溶液干湿循环作用下，其水化作用得到进一步发展，使混凝土抗压强度有一定的提升（见图5），且混凝土与钢筋之间的粘结性能也会增强，从而提升梁的抗弯刚度和极限弯矩，减缓了挠度的发展^[22]。与梁B-0-20相比，梁B-0-40的挠度发展略微变快；这是因为当氯盐干湿循环持续进行后（从20次到40次），混凝土强度呈现下降的趋势（见图5），从而使刚度有所降低^[23]。

2.2.3 重复荷载作用后梁在氯盐干湿环境下的跨中挠度发展

以经历40次干湿循环的试验梁为例，经重复荷载历史与氯盐干湿循环共同作用后，试验梁的荷载-挠度曲线对比关系见图9。对比图9可以看出：1）在加载前期，梁B-10-40和B-30-40挠度变化速率较参照梁B-0-0略大；但随着荷载的增大，损伤梁挠度变化速率进一步增大，且远大于参照梁B-0-0。2）与图7给出的损伤梁跨中挠度发展相比，进行40次氯盐干湿循环后，损伤梁的跨中挠度发展更快。其主要原因在于，在氯盐干湿环境下，尽管混凝土抗压强度有一定的提升并且对抑制梁刚度的退化有作用，但随着受弯裂缝的发展，梁内部损伤产生的影响将逐步显现出来，使得梁刚度出现加速退化^[24-25]。此外，从图7、图9中还可以看出，超过极限荷载（受压区混凝土被压碎）后，损伤梁的刚度退化速率要快于参照梁。

2.3 梁刚度退化分析

从图7、图9中可以看出，当施加荷载与极限荷载的比值小于0.8时（一般认为处于正常使用阶段），试验梁的荷载-挠度曲线呈现近似的线性关系；因此，在此阶段内，可假定混凝土梁是近似弹性的。在此基础上，结合图3给出的梁四点受弯加载模式以及图1中的相关参数，运用结构力学求解弹性位移的方法（只考虑梁弯曲变形），可得到试验梁短期刚度B_s与跨中挠度f_m的计算关系，见式（3）。试验梁短期刚度实测值B_s^m的确定方法是，根据试验测得的梁跨中挠度f_m实测值，按式（3）计算B_s^m。 （3）

式中：L₀为梁的计算跨度，m；a为支座中线点至分配梁加载点的距离，m，此处a=5/16L₀；M为跨中截面弯矩，N·m。

对于试验梁截面，由《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）^[17]可得梁短期刚度B_s的计算公式，见式（4）。 （4）

式中：E_s、A_s分别为受拉钢筋的弹性模量和面积；h₀為梁截面的有效高度；ρ为受拉钢筋配筋率；α_E为弹模比；ψ为裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数，按式（5）计算，其中σ_s为受拉钢筋所受拉应力，σ_s=M/0.87h₀A_s；ρ_te为受拉钢筋有效配筋率，ρ_te=A_s/0.5bh。 （5）

选取经历40次干湿循环的试验梁进行分析，由实测跨中挠度f_m经公式（3）推算得到不同工况下梁短期刚度实测值B_s^m，再按规范公式（4）计算得到预测值B_s^p，实测值与预测值的比较见图10。从图10（a）可以看出，在正常使用情况下，参照梁B-0-0的刚度实测值B_s^m与预测值B_s^p符合较好；而经历干湿循环后梁B-0-40的刚度实测值B_s^m要明显高于预测值B_s^p；其主要原因是规范计算公式中没有考虑干湿浸泡后混凝土抗压强度（见图5）以及与钢筋之间粘结性能有所提升等这些有利因素，导致规范公式计算结果偏小。但从挠度控制的角度来看，采用规范公式对该类混凝土梁构件的短期刚度进行分析是有一定的安全储备。

从图10（b）可以看出，重复荷载作用后梁抗弯刚度的规范公式预测值B_s^p已开始大于实测值B_s^m（B_s^m/B_s^p比值小于1）；当对这些损伤梁再进行氯盐干湿循环后，它们抗弯刚度的预测值B_s^p与实测值B_s^m的偏差变得更大。这主要是因为规范中未考虑到混凝土梁在荷载作用下内部损伤的积累，其刚度出现下降（与图7结果一致）；并且在氯盐干湿循环过程中，虽混凝土强度有一定的提升，但由于裂缝的存在以及受拉钢筋应力不断增大，梁的刚度下降将更为明显，这也与图9给出的结果相一致。

2.4 梁刚度修正计算

由上述结果可知，对于有荷载作用经历的损伤混凝土梁，在大气或氯盐环境下，其弯曲刚度均会出现明显的退化，即按GB 50010—2010规范公式计算的预测值会偏大，需要对规范公式进行修正。现基于规范公式（4），引入考虑荷载作用经历的损伤效应函数λ（D）；并针对氯盐干湿环境，引入环境劣化系数K；修正后的梁短期刚度B_s′计算公式为 （6）

借助有荷载作用经历的损伤混凝土梁试验结果，通过回归分析得到损伤效应函数λ（D）和环境劣化系数K的拟合结果（见图11），相应的回归公式见式（7）、式（8）。将上述梁刚度的实测值B_s^m与修正后的刚度计算公式预测值B_s^p进行对比分析，结果如图12所示。从图12中可以看出，修正后的刚度计算结果与试验实测结果符合较好，B_s^m/B_s^p的均值为1.093，标准差为0.083。 （7）

K=0.8 （8）

3 結论

1）在短期氯盐干湿循环作用下，混凝土强度将有一定的提升，使得经氯盐干湿后受弯梁的跨中挠度发展比参照梁要慢，即梁的抗弯刚度有所提升；经历短期重复荷载作用后，损伤梁的跨中挠度发展明显快于参照梁，且混凝土损伤度（15%以内）越大，梁弯曲刚度退化越明显。

2）对于经历重复荷载作用的损伤梁，经氯盐干湿循环作用后混凝土强度有所提升，但由于裂缝的存在以及受拉钢筋应力不断增大，梁内部损伤产生的影响将逐步显现出来，梁刚度出现加速退化。

3）对于经历重复荷载作用的海工混凝土梁，其实际弯曲刚度已小于按GB 50010—2010规范公式（梁短期刚度）得到的预测值；基于试验结果，引入损伤效应函数λ（D）和环境劣化系数K对短期刚度计算公式进行了修正，调整后的模型能较好预测一般及氯盐环境下损伤海工混凝土梁的刚度退化。

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（编辑  胡玲）