部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁的疲勞性能試驗(yàn)研究

王 蕊 吳曉明

(桂林理工大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西桂林 541004)

近年來，預(yù)應(yīng)力梁在實(shí)際工程中的使用逐漸普及，尤其是在橋梁工程中應(yīng)用極為廣泛，但隨著交通流量的與日俱增，荷載極限也大大增加。為了提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能和保障其安全性，對(duì)主要承受重復(fù)動(dòng)荷載的橋梁等結(jié)構(gòu)常采用高強(qiáng)高效的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete，簡稱為RPC)構(gòu)件受彎疲勞性能研究和設(shè)計(jì)理論尚處于研究的起步階段，本文對(duì)部分預(yù)應(yīng)力RPC梁進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)分析研究，為該方面的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 RPC 材料配比

活性粉末混凝土配比詳見表1。

表1 RPC試驗(yàn)配合比

1.2 RPC 強(qiáng)度取值

通過對(duì)RPC進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=160 N/mm2;故該梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)取C160。據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》混凝土受壓疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)γp=0.68，故混凝土軸心抗壓疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土受拉疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)γp=0.63，故混凝土軸心抗拉疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

1.3 RPC試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

RPC試驗(yàn)梁長為3 000 mm，為防止錨固破壞，支座兩邊各留出150 mm，截面為矩形截面，詳見圖1。非預(yù)應(yīng)力受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋;預(yù)應(yīng)力筋選用φs15.24(1×7)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，梁設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

1.4 試驗(yàn)梁加載方案

圖1 RPC梁示意圖

表2 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)參數(shù)

疲勞試驗(yàn)采用PMS-50型數(shù)顯式脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。疲勞荷載上限取為恒載與活載之和為60 kN，疲勞荷載下限取梁消壓荷載為22 kN。整個(gè)試驗(yàn)過程包括兩個(gè)部分:

1)預(yù)裂加載。預(yù)裂加載采用靜載的形式，如圖2所示。靜載分級(jí)加載直至疲勞荷載下限，再采取每1 kN級(jí)分級(jí)加載，以確定梁的開裂荷載，加載時(shí)每加載一級(jí)停留3 min，用以測(cè)量裂縫的寬度，采集相應(yīng)應(yīng)變和撓度值，直至梁主裂縫寬度達(dá)到0.1 mm時(shí)停止加載。2)疲勞加載。預(yù)裂加載完成后以4 Hz的頻率進(jìn)行等幅疲勞加載。每加載50萬次(50萬次、100萬次、150萬次、200萬次)停止進(jìn)行靜力加載。靜力加載以5 kN級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載直至疲勞荷載上限值，然后以同樣的級(jí)別進(jìn)行分級(jí)卸載至疲勞荷載下限值，再卸載至0。靜力加載后繼續(xù)進(jìn)行疲勞加載，整個(gè)過程加載、卸載、疲勞加載直至進(jìn)行疲勞加載200萬次或梁破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

試驗(yàn)梁L-1，L-2在加載200萬次后發(fā)生破壞，L-3在經(jīng)歷200萬次疲勞加載后未發(fā)生破壞。在預(yù)裂加載階段，當(dāng)荷載達(dá)到25 kN時(shí)L-1出現(xiàn)第一條裂縫，繼續(xù)加載到43 kN時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.1 mm;荷載達(dá)到26 kN時(shí)L-2出現(xiàn)第一條裂縫，繼續(xù)加載到45 kN時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.1 mm;L-3在荷載為29 kN時(shí)出現(xiàn)第一條裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到51 kN時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.1 mm，梁裂縫主要集中在純彎段靠近跨中處。L-1在經(jīng)歷77萬次疲勞加載后裂縫擴(kuò)大速度加快，梁撓度增大較快，當(dāng)加載到130萬次時(shí)出現(xiàn)斜裂縫，隨著疲勞荷載的進(jìn)行斜裂縫迅速擴(kuò)張，加載到145萬次時(shí)，梁宣告破壞;L-2在疲勞荷載加載到146萬次時(shí)出現(xiàn)斜裂縫，裂縫擴(kuò)展速度相比L-1稍慢，當(dāng)加載到160萬次時(shí)，L-2宣告破壞。L-3在經(jīng)歷200萬次疲勞加載后裂縫和撓度都有所增加，未出現(xiàn)斜裂縫，主裂縫寬度達(dá)到2.5 mm，撓度達(dá)到23 mm。整個(gè)疲勞破壞過程大致分為3個(gè)階段:1)裂縫衍生階段。在疲勞加載初期(0萬次～62萬次)隨著疲勞荷載次數(shù)的增加，L-1不斷有新的裂縫產(chǎn)生，裂縫寬度和高度也有所增加，同時(shí)混凝土和鋼筋的應(yīng)變也隨之增大，梁的剛度減小，撓度增加。導(dǎo)致這些情況發(fā)生的原因是由于活性粉末混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，所以此階段稱之為裂縫衍生階段。2)疲勞穩(wěn)定階段。隨著疲勞荷載次數(shù)的增加(62萬次到斜裂縫出現(xiàn)前)，梁裂縫寬度和高度都有一定的增加，跨中撓度達(dá)到15 mm，活性粉末混凝土和鋼筋應(yīng)變?cè)隽坎淮螅旱膭偠韧嘶卣鞑幻黠@，混凝土中微裂縫的擴(kuò)展較小，整個(gè)梁的疲勞破壞處于一種相對(duì)穩(wěn)定的階段。3)疲勞破壞階段。L-1，L-2經(jīng)過疲勞穩(wěn)定階段后開始出現(xiàn)斜裂縫，并且隨著斜裂縫的迅速擴(kuò)展非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增大，隨之達(dá)到屈服，剛度退化明顯，跨中撓度急劇增加，整個(gè)梁宣告破壞。

圖2 試驗(yàn)梁靜力加載方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)跨中撓度分析。根據(jù)實(shí)測(cè)得出梁的荷載—跨中撓度曲線見圖3，從圖3中可以看出:a.在相同疲勞加載次數(shù)下，如圖3所示，在達(dá)到消壓荷載以前L-1，L-2，L-3荷載—跨中撓度曲線有一定的重合度，表明在消壓荷載以前預(yù)應(yīng)力度對(duì)梁的剛度影響較小，當(dāng)荷載增大到一定程度以后，相同荷載下梁的跨中撓度隨著預(yù)應(yīng)力度的提高而減小，說明梁的疲勞剛度隨著預(yù)應(yīng)力度的增大而增大，并且增大的幅度隨著疲勞次數(shù)的增加而降低。b.從圖3可以看出，部分預(yù)應(yīng)力筋RPC梁的荷載—撓度曲線基本保持線性，在整個(gè)疲勞加載前一段過程中梁荷載—撓度曲線斜率變化不大，隨著荷載和疲勞加載次數(shù)的增加，梁的裂縫寬度增大，梁疲勞剛度退化，梁撓度增加。

2)裂縫寬度。梁試件最大裂縫寬度隨循環(huán)疲勞加載次數(shù)比(循環(huán)疲勞加載次數(shù)N與疲勞壽命Nf的比值)的發(fā)展情況見圖4。L-1在循環(huán)加載130萬次時(shí)出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)達(dá)到134萬次時(shí)斜裂縫寬度達(dá)到0.23 mm，繼續(xù)加載到斜裂縫寬度達(dá)到1.21 mm，隨之斜裂縫寬度急劇增加，在達(dá)到145萬次疲勞加載后梁破壞。L-2在循環(huán)加載158萬次時(shí)斜裂縫寬度達(dá)到0.86 mm，為循環(huán)加載151萬次時(shí)裂縫寬度的3倍，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加裂縫不斷擴(kuò)展，當(dāng)循環(huán)加載到160萬次時(shí)斜裂縫寬度達(dá)到2.47 mm梁破壞。L-3在疲勞加載200萬次時(shí)未出現(xiàn)斜裂縫。由圖4可知預(yù)應(yīng)力度對(duì)RPC梁的疲勞性能有一定的影響，預(yù)應(yīng)力度的增加有利于緩和梁的疲勞破壞，對(duì)梁斜裂縫的發(fā)展具有一定的抑制作用。

圖3 梁荷載—跨中撓度曲線圖

圖4 梁最大斜裂縫寬度圖

3 結(jié)語

1)對(duì)于RPC的抗壓、抗拉強(qiáng)度的取值，由于還沒有現(xiàn)行規(guī)范，參考普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范具有一定的保守性;2)試驗(yàn)梁的疲勞破壞過程大致分為裂縫衍生階段、疲勞穩(wěn)定階段、疲勞破壞階段等3個(gè)階段，梁疲勞破壞過程伴隨有裂縫的擴(kuò)展，梁剛度、撓度的增加以及混凝土壓碎等破壞形態(tài)，破壞過程中隨著預(yù)應(yīng)力度的增大，梁的裂縫寬度和撓度等都有所減小，能承受的疲勞加載次數(shù)也有所增加;3)梁的疲勞剛度隨著預(yù)應(yīng)力度的增大而增大，并且增大的幅度隨著疲勞次數(shù)的增加而降低;4)預(yù)應(yīng)力度的增加有利于緩和梁的疲勞破壞，對(duì)梁斜裂縫的發(fā)展具有一定的抑制作用。

［1］余自若.活性粉末混凝土疲勞性能及其構(gòu)件疲勞驗(yàn)算方法研究［D］.北京：北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［2］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JGJ/T 92-93，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.