鋼筋RPC道砟槽板抗彎承載力試驗及破壞特征研究

邱麗梅，高 日，趙會東，聶 磊

(北京交通大學土木工程學院，北京 100044)

1 鋼筋RPC道砟槽板模型試驗

1.1 試驗用活性粉末混凝土

1)試件尺寸:抗壓件 100mm×100mm×100mm(3組)，抗折件 100mm×100mm×400mm(3組);

2)攪拌成型工藝:將石英砂與鋼纖維投入攪拌機內，干拌1 min，再將水泥、硅粉等膠凝材料投入攪拌機內，干拌2 min，1/2的用水量與減水劑均勻混合，加入攪拌機，攪拌2 min，剩余1/2水加入攪拌機內，攪拌5min，攪拌完成后，裝入試模中，在振動臺上振動2～4 min;

3)試件帶模具放入養護室，養護溫度(20±1)℃，養護時間24 h，拆模后，放入養護箱內，蒸汽養護，養護溫度80℃，養護時間72 h。

表1為本次試驗RPC的配合比。

表1 活性粉末混凝土的配合比 kg/m3

試驗設計了長度4 550mm，寬度2 990mm的3塊鋼筋RPC道砟槽板，其抗壓容許應力為65mPa，抗拉容許應力為9 MPa，抗主拉容許應力為6 MPa。按2%的配筋率，在板內上下布置了兩層φ20@120鋼筋，鋼筋中心距板邊緣3 cm。

1.2 鋼筋RPC道砟槽板試驗設計

對3 m×5m的鋼筋RPC道砟槽板抗彎承載力進行了試驗研究，測試其抗彎承載力、延性性能，觀測其破壞形態、裂縫出現的位置和擴展方式等，從而對鋼筋RPC道砟槽板的力學性能進行評價。

1)試驗方法及試驗裝置

試驗按《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—1992)進行，試驗采取四點支撐的形式，四點分別支撐在鋼墩上，板中央一點集中加載，加載方式如圖1所示。試驗主要量測荷載、跨中受拉邊緣應變、鋼筋應力、裂縫開展情況等。

圖1 道砟槽板加載方式

采用2 000 kN千斤頂分別對3塊道砟槽板進行集中加載，加載設備采用美國MTS擬靜力試驗系統，數據采集采用日本三榮公司生產的7V13數據采集器。量測儀器包括靜態電阻應變儀、應變式位移傳感器和電阻應變片，同時采用壓力傳感器測定荷載值。為了準確地控制開裂，測定受彎構件的抗裂性能，在梁底與板底沿縱橫向連續地布置了電阻應變片。量測應變所用的電阻應變片采用5mm×20mm的紙基電阻應變片，電阻值為(119.5±0.02%)Ω，靈敏系數為2.01±3.6。在跨中及兩條肋上設置了電測位移計。各項準備工作完成后，開始逐級加載，加載到開裂后放緩加載速度直到破壞。B1按每級50 kN增加一直加載到1 550 kN，B2按每級50 kN增加一直加載到1 650 kN，B3按每級50 kN增加一直加載到1 550 kN。

2)測點布置

應變片的布置:在板底及板頂縱橫向共布置18個應變片，并在板底跨中鑿兩根鋼筋出來，布置2個應變片。位移計的布置:在板底和兩肋上布置3個位移計，測點布置見圖2。

圖2 測點布置(單位:mm)

2 鋼筋RPC板破壞特征分析

2.1 變形

鋼筋RPC板的受拉側(板底)，在每50 kN分級加載條件下，當加載到250 kN左右時，開始出現第一條裂縫。當加載到700 kN左右，開始聽到鋼纖維拉斷的聲音，加載力達到1 000～1 100 kN，鋼纖維拉斷的聲音加劇，板底裂縫擴展迅速。此時板雖然已經開裂，但是荷載—應變曲線基本呈線性變化，這體現出鋼纖維的承拉阻裂作用。當荷載超過1 000～1 100 kN，鋼纖維被拉斷或拔出，基本退出工作，受拉鋼筋屈服，所有拉力均由屈服后的受拉鋼筋承擔，道砟槽板的荷載—應變曲線呈非線性變化。隨著荷載繼續增加，板破壞。B1加載到950 kN，對應板頂壓應變約為1 200×10-6;B2加載到1 550 kN，對應板頂壓應變約為3 900×10-6;B3加載到1 650 kN，對應板頂壓應變約為4 100×10-6，峰值壓應變較普通鋼筋混凝土板提高約1 500×10-6。由試驗得到的荷載和應變數據，分別從3塊板數據中選取出比較有代表性的數據，做出板底跨中的荷載—應變曲線，如圖3所示。

圖3曲線表明，鋼筋RPC道砟槽板從加載到破壞的整個過程可分為以下3個階段:

階段Ⅰ:彈性階段。道砟槽板在加載初期(≤250 kN)，如圖0A段。該階段直線比較陡直，構件基本處于彈性狀態，塑性變形和應力都很小。道砟槽板中拉、壓應力隨高度呈線性變化，其荷載—應變曲線近似為直線這與普通混凝土基本一致。與普通混凝土板不同的是，配筋RPC板初裂縫的出現較晚，普通混凝土的抗拉強度較低，在加載至破壞荷載的10%左右即出現初裂縫，而配筋RPC板的初裂荷載為破壞荷載的40%～45%左右。

圖3 跨中荷載—應變曲線

階段Ⅱ:裂縫擴展和纖維增強階段(250 kN≤加載力≤700 kN)，如圖AB段。隨著荷載的繼續增加，彎矩逐漸增大，板受拉區邊緣出現的裂縫逐漸向上發展，中和軸隨之上移，RPC將原來由它承擔的拉力轉交給鋼纖維和鋼筋共同承擔。盡管此時板已經開裂，但其荷載—應變曲線仍接近直線，裂縫高度的增長速度減緩，這體現出鋼纖維的承拉阻裂作用。試驗加載到700 kN左右，能聽到鋼纖維被拉斷拔出的聲音。

當加載到極限荷載的65%左右(1 000～1 100 kN)時，縱向受拉鋼筋已經屈服，受拉區邊緣鋼纖維被拉斷拔出，其增強效果基本消失。此時荷載—應變曲線出現明顯拐點，板底的裂縫迅速擴展，板側面裂縫向上迅速擴展，如圖BC段。此后，鋼筋RPC道砟槽板的撓度增長相比之前迅速。

階段Ⅲ:破壞階段，如圖CD段。當荷載達到極限荷載的95%左右(1 500～1 600 kN)時，縱向受拉鋼筋達到抗拉極限強度，此時裂縫寬度很大(板側面的最大裂縫寬度可達1.8 mm左右)。隨著荷載的繼續增加，裂縫寬度擴大，板的撓度繼續增長，但速度較平緩，這體現出鋼筋RPC材料具有良好的峰值后軟化特性。為了試驗的安全與保護試驗器材，并未將其加載到徹底破壞。

2.2 裂縫形態和破壞特點

加載和卸載后，分別繪出3塊板板底和板側的裂縫情況，圖4為B2板底和板側的裂縫圖。

圖4 道砟槽板裂縫示意

鋼筋RPC道砟槽板裂縫出現、發展及破壞形態與普通鋼筋混凝土板破壞形態類似。加載初期，鋼筋RPC道砟槽板處于彈性階段，達到開裂荷載(極限荷載的40% ～45%左右)時，跨中附近出現第一條裂縫。隨著荷載的增加，裂縫逐漸向上并且向板側、兩肋擴展。當加載到700 kN左右時可以聽到稀疏的鋼纖維拔出的聲音。荷載達到極限荷載的50%～60%左右時，1/4跨處出現新裂縫;當加載到1 000 kN左右以后，能聽到明顯的開裂聲，板底裂縫擴展迅速，并且已經擴展到板的側面;當加載到1 200 kN左右時，板側有三道主裂縫出現，隨著加載的繼續進行，次生裂縫逐漸增多。鋼纖維的摻入使梁的抗拉應力得到顯著提高，改變了混凝土的破壞形態，鋼筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破壞形式屬于延性破壞。

3 ANSYS模擬分析

根據各試驗板在開裂及破壞時的荷載，由試驗所得數據求得試驗板B2和B3的開裂彎矩實測值、極限彎矩實測值以及電算結果，如表2所示。同時，根據已有RPC參數，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元，利用有限元分析軟件ANSYS進行模擬計算。

表2 板的彎矩值 kN·m

由表2可以看出，電算結果和試驗測得數據接近，相比偏小一些，這是由于ANSYS不能較好模擬RPC里鋼纖維的原因，但誤差在合理范圍內。

4 結論

1)鋼筋RPC道砟槽板從開始加載到完全破壞整個過程與普通鋼筋混凝土板相似。但在裂縫發展狀態，受拉區RPC的承拉作用等方面仍存在較大差別。在普通混凝土的計算分析中，常將混凝土的抗拉能力忽略，近似認為混凝土不能承擔拉應力，尤其是一旦拉應力區出現裂縫后，就認為混凝土退出工作。含鋼纖維的RPC材料不但具有比普通混凝土高的極限抗拉強度，而且具有更好的峰值后軟化特性。

2)在250～1 000 kN的加載過程中，鋼筋RPC道砟槽板雖然已經開裂，但由于鋼纖維的承拉阻裂增強作用，其荷載—應變曲線基本呈線性變化。當荷載超過1 000 kN，鋼纖維被拉斷拔除，基本退出工作，鋼筋RPC道砟槽板的荷載—應變曲線呈非線性變化。

3)鋼纖維的摻入使梁的抗拉應力顯著提高，改變了混凝土的破壞形態，鋼筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破壞形式屬于延性破壞。

［1］閆光杰，閻貴平，方有亮.RPC200人行道板抗彎承載力試驗研究［D］.北京:北京交通大學，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］王兆寧.RPC配筋梁彎曲性能研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

［6］于濤濤.鋼筋活性粉末混凝土受彎構件正截面承載力的研究［D］.北京:北京交通大學，2012.

［7］王振寧，丁建彤，郭玉順.結構輕骨料混凝土的應力—應變全曲線［D］.北京:清華大學，2005.