预应力活性粉末混凝土梁疲劳性能试验研究

覃春辉 苗建宝 余 敏

(西安公路研究院有限公司1) 西安 710065) (平利县交通运输局2) 安康 725599)

0 引 言

活性粉末混凝土(RPC)是由级配石英砂、水泥、活性矿物掺合料、高效减水剂、钢纤维,以及水按级配搅拌成型后在一定养护条件下结硬的新型超高性能混凝土材料.与普通混凝土相比,具有高强度、高韧性、高耐久性特点[1-2],因此基于该材料设计的结构往往趋于轻薄化,导致结构中的动力荷载比例越来越高,疲劳问题不容忽视.目前,已有研究主要集中于结构静力性能[3-4],也有部分学者进行疲劳研究,罗许国等[5]提出了钢筋活性粉末混凝土梁全寿命周期疲劳应力计算方法并验证,主要针对配置普通钢筋的活性粉末混凝土梁疲劳应力计算方法.

施加预应力后结构疲劳性能下降,疲劳荷载的反复作用将引起材料退化并发生脆性破坏[6-7].目前尚不能完全通过理论方法来预测粉末混凝土构件在疲劳荷载作用下的力学性能[8].文中通过对6根具有相同截面及预应力钢束的活性粉末混凝土梁等幅疲劳试验,得到预应力活性粉末混凝土梁裂缝、跨中挠度、受压区边缘RPC应变和预应力钢束应变随疲劳加载次数的变化规律.

1 试验概况

1.1 试验梁设计

试件包括6根截面尺寸相同的预应力RPC梁,且仅在受拉区配置两束公称直径为10 mm预应力筋(二股标准强度为1 860 MPa钢绞线),试验梁均未配置普通钢筋,试验梁的具体尺寸见图1.

图1 试验梁尺寸图(单位:mm)

1.2 试验原材料

粉末混凝土基本配合比见表1,基本力学性能见表2.

表1 材料配合比 单位:kg/m3

表2 基本力学性能 单位:MPa

1.3 试验参数

影响混凝土结构的疲劳性能的因素较多,本次试验主要考虑如下因素.

1) 钢纤维含量 RPC混凝土与传统混凝土最大区别在于其材料组成变化较大,而其中的钢纤维含量对结构与性能影响较大,因此重点以钢纤维含量变化验证其对结构抗疲劳性能的影响[9-10].

构件的抗疲劳性能与材料的性能有很大的关系[11],文中将RPC钢纤维含量作为试验的一个重要参数来探讨由于材料差异对构件抗疲劳性能的影响.

2) 荷载水平 试件疲劳荷载上限定为65%静力极限荷载,大于试件开裂荷载[12].作为对比,将另外一个试件疲劳荷载上限定为35%静力极限荷载,小于开裂荷载.主要参数见表3.

表3 RPC试验梁参数

2 试验结果及分析

2.1 静力试验

T1-J静载试验采用三点式,模型梁的最终破坏形态见图2a)[13].试件T2-J加载至P=61 kN时模型梁中间纯弯段的下边缘及集中加载区域产生了竖向弯曲裂缝,RPC梁掺入的钢纤维对裂缝的产生和发展起到限制的作用,其裂缝宽度值较小;同时,截面开裂降低了截面刚度,结构变形速率加快.后续加载中,模型梁的裂缝量和裂缝宽度均增加,之后主裂缝发展快速,截面的中和轴向梁上缘移动,跨中区域顶部RPC混凝土压裂而导致了主梁失效[14].模型梁的破坏情况见图2b).试件T2-J荷载-挠度的关系曲线见图3.

图2 破坏形态

图3 荷载挠度曲线

2.2 疲劳试验

2.2.1疲劳模型试验结果

对进行疲劳试验的模型梁先按照静载试验要求加载,模型梁T1-1-1静力试验后,主梁跨中区域形成竖向裂缝,同时发现了斜向裂缝,对主梁进行疲劳循环加载,跨中区域变形增长发展较快,当进行到2.14万次时,模型梁最终斜拉破坏.T1-1-2采用的是单点加载方法,同时控制与T1-1-1跨中弯矩一样,但主梁剪力较小,当循环荷载达到12.38万次时,该梁最终斜拉破坏.

模型梁T1-2-1,疲劳循环荷载加载至158.2万次时,出现了剪切脆性破坏;主梁被分割为两部分,但是主梁的另外一端未见明显开裂.表明了RPC主梁剪切破坏疲劳问题较突出,应该予以重视.

根据以上问题,第二组模型梁增加了RPC中钢纤维量含量,模型梁T2-1静载试验与T1-1-1同样出现了竖向裂缝,但是未出现斜向裂缝.与T1-1-1相比,进行了200万次的疲劳试验后,模型梁没有发生破坏.疲劳试验后又进行了静力试验,加载后最终主梁顶板受压延性破坏.表4为试件应力水平及破坏形态,主梁的承载能力与未进行疲劳试验的模型梁T2-J基本一致,试验结果表明除混凝土结构自身的差异性和不均匀性,疲劳试验未破坏的主梁与正常静载试验的主梁承载能力基本一致.

表4 试件应力水平及破坏形态

2.2.2挠度变化

挠度反应主梁结构的刚度,模型梁在不同疲劳循环次数下荷载挠度曲线见图4.

图4 模型梁实测荷载挠度曲线

由图4可知:疲劳模型梁T1-1-1和T1-1-2均为斜拉破坏,主梁在静力试验中产生了竖向裂缝及斜向裂缝,疲劳荷载作用下,模型梁挠度不断发展,最大挠度见图5a),结构的刚度显著减小,模型梁T1-1-1在2万次疲劳荷载作用下,结构刚度下降约63%,而模型梁T1-1-2在10万次疲劳荷载作用下,结构刚度下降约62%,刚度下降较明显.

另一个模型梁T1-2-1静载试验中加载值小于结构的开裂荷载,同时在150万次的循环荷载作用下结构未出现新增裂缝,其荷载与挠度曲线见图4c),挠度发展见图5b).发展规律明显呈现两个阶段:前期阶段跨中挠度快速增加,大约疲劳荷载50万次前,后期阶段为稳定阶段,跨中最大的挠度基本稳定,增量很小,但是破坏阶段为脆性破坏.刚度下降约72%,根据实测值拟合挠度与疲劳荷载次数曲线方程如下.

y=0.189 7 lnx+3.660 2

(1)

式中:y为跨中挠度最大值;x为循环荷载次数.

模型梁T2-1,静载试验时,跨中区域产生竖向裂缝,荷载挠度曲线见图4d),跨中最大的挠度发展规律见图5b),跨中挠度发展可以分为三个阶段,第一阶段5万次之前挠度快速发展,第二阶段5万到50万次挠度发展较块,达到较大水平;第三阶段挠度基本按照比例关系缓慢发展.跨中区域挠度和疲劳荷载循环次数对数呈现线性关系,拟合如下:

图5 模型梁跨中最大挠度与疲劳循环次数关系

y=0.085 9lnx+6.725 7

(2)

模型梁T2-1在200万次疲劳荷载作用下未产生破坏现象,刚度的下降速率也较T1试验梁组较慢,最终达到200万次循环时刚度下降约75.6%.

2.2.3模型梁裂缝

疲劳试验模型梁最大裂缝宽度与疲劳荷载循环次数关系见图6.疲劳荷载上限值产生的弯矩远大于模型梁的开裂弯矩,斜向裂缝明显发展,当疲劳循环荷载达到2万次时最大斜向裂缝的宽度为加载前的5倍左右,发展非常迅速.2.14万次时,裂缝发展剧烈而引起结构的斜拉失效破坏.

图6 模型梁裂缝宽度与疲劳循环次数关系

模型梁T1-1-2在疲劳循环荷载为12万次时,裂缝宽度为加载前的2.5倍左右,而该梁在疲劳循环荷载达到12.38万次时出现因为斜向裂缝急剧开展导致的斜拉失效破坏,表明在最后的0.38万次循环荷载作用下斜向裂缝宽度迅速发展,突然脆性破坏.

模型梁T1-2-1经过150万次疲劳荷载试验未观察到裂缝,但是疲劳试验进行到158万次出现脆性无征兆的斜拉破坏,裂缝未能观察到具体过程.试验结果表明对于无箍筋及弯起筋的RPC梁,疲劳荷载作用下,斜裂缝出现后急速发展,脆性破坏.

模型梁T2-1的裂缝发展与挠度发展过程类似,第一阶段5万次之前裂缝快速发展,第二阶段5万到50万次裂缝发展较块,达到较大水平;第三阶段裂缝基本稳定,最终裂缝宽度与50万次相比基本一致.

2.2.4混凝土应变

疲劳荷载试验模型梁跨中RPC的荷载-应变曲线见图7,RPC最大应变发展曲线见图8.静载试验中模型梁T1-1-1和T1-1-2出现了斜向裂缝,疲劳试验过程中应变发展较快,规律明显.

图7 跨中RPC荷载-应变曲线

图8 RPC最大应变发展曲线

模型梁T1-2-1和T2-1斜向裂缝出现之前,模型梁跨中截面的应变50万次疲劳荷载前应变增长较快.应变为加载前的1.26和1.16倍;50万次疲劳荷载以后阶段应变发展较慢,趋于稳定.

模型梁T1-2-1在150万次循环荷载作用后较50万次循环荷载作用时增加了5%;模型梁T2-1在200万循环荷载作用后较万次循环荷载作用时增加了3%,较T1-2-1增量小.

4 结 论

1) 对于PRC梁,仅配置预应力钢束剪切破坏时,疲劳荷载作用下,出现斜裂缝达到临界值后,主梁承受的循环荷载少,容易产生无预兆的脆性破坏,应注意该类问题.

2) RPC中钢纤维含量又1.5%提升到3%,模型梁200万次疲劳抗拉强度提升至极限强度的49%,性能整体提升.疲劳荷载试验后静力试验承载能力高于仅进行静力试验的主梁.表明除混凝土结构自身的差异性和不均匀性,疲劳试验未破坏的主梁与正常静载试验的主梁承载能力基本一致.故实践中可适当提升钢纤维含量,但钢纤维提升过多后混凝土和易性较差,对RPC施工质量产生不利影响.

3) 疲劳试验中主梁未出现斜向裂缝情况下,主梁挠度、跨中裂缝宽度、混凝土应变等基本呈现两个阶段,前50万次循环荷载作用下各参数均增长较快;之后趋于稳定.试验梁出现斜向裂缝后,试验梁挠度、应力等变化随疲劳次数增长发展迅速,结构疲劳寿命较短.