鋼筋混凝土梁長期與短期加載裝置研制

黃海東， 向中富

(重慶交通大學 土木學院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土及預應力混凝土結構在長期和短期荷載作用下的結構行為，是評價結構安全性和長期使用性能的重要指標。以橋梁工程為例，在汽車、人群等短期荷載作用下，產生結構內力及變形，而在自重、預應力荷載作用下，由于混凝土的徐變作用，引起結構的長期變形及內力重分布。特別是大跨度連續梁、連續剛構橋由于長期的收縮徐變、預應力損失及結構開裂等因素的影響，結構的受力狀態及材料特性不斷變化，橋梁開裂及下撓病害嚴重且持續惡化，受到工程界的普遍關注[1～8]。為了驗證結構的安全性，建設完成的橋梁在正式投入使用之前，必須進行荷載試驗，驗證橋梁結構的安全性。然而結構的長期行為無法做到“事前”判斷，需要依賴材料和結構模型的徐變試驗。

目前，針對混凝土結構的短期、長期行為試驗方法,加載設備及測試手段已經相對較為完備。其中混凝土材料徐變測試一般采用標準試件的壓縮試驗，主要采用的試驗標準包括美國試驗與材料協會標準(ASTM C512)[9]及國內《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[10]。國內實驗室試驗加載設備主要采用定型設備購置或依據以上標準進行仿制和加工[11]。與標準壓縮徐變試驗不同，梁式結構徐變試驗除了要求所施加的荷載保持長期恒定外，還要求較高的加載噸位，特別是研究高應力條件下的非線性徐變問題。針對混凝土梁式結構的長期徐變試驗尚無統一的試驗標準，試驗加載裝置主要根據研究目標、內容研制。通過對國內外大學實驗室的調研發現[12～15]，目前常采用的梁體徐變加載方式包括：堆載加載法、反力式加載法及杠桿增力法等。其中，反力式加載法由于具有加載操作方便、加載過程安全性高及占地面積較小等優勢，而被廣泛采用。然而現有試驗梁徐變加載設備往往功能單一、重復利用率不高，造成實驗室經費和資源的不必要浪費。本文在充分考慮實驗室現有場地和設備條件的基礎上，研制一種新的多功能混凝土梁長期徐變兼顧短期加載裝置。

1 加載設備研制與配套測試系統

1.1 試驗加載裝置設計

為實現梁式結構靜載試驗和長期徐變變形測試，加載裝置要同時滿足靜力加載及長期持載作用。以反力式結構為基礎，采用加載結構模塊化思路，設計了多層分配體系的反力加載裝置(見圖1)，設計可施加的最大靜載為35 t，長期持載噸位為30 t。加載裝置設計為由3道橫向分配梁和1道縱向分配梁所組成的3層式結構。最上層為加載層，滿足加載千斤頂、壓力計安裝和加載要求；第2層為持載層，由4個10 t持載彈簧組成，通過彈簧的彈性變形，消除加載裝置由于自身松弛的影響，保證長期加載的恒定；第3層為荷載分配層，采用分配鋼梁橫、縱向交叉布置，實現試驗梁多點彎曲加載。豎向拉桿采用兩根R32精軋螺紋鋼，并聯3個橫向分配梁，并采用螺帽及配套剛墊板鎖定，拉桿下端錨固于試驗室反力槽內。為實現模塊化設計理念，豎向拉桿在第1層被劃分為兩段，并用專用連接器進行接長連接。待完成靜力加載后，可拆卸第1層結構，而依靠第2、3層結構實現長期持載。

1.2 試驗梁測試系統

試驗梁測試系統包括加載設備監測系統和試驗梁測試系統兩部分。加載設備監測系統由布置于千斤頂頂部的壓力傳感器和安裝于豎向拉桿鋼弦式應變計(E1、E2)組成。傳感器E1、E2主要用于拉桿受力不均勻性監測，避免加、卸載過程中加載裝置產生橫向偏位，同時也用于拉桿長期蠕變變形監測。

試驗梁測試系統可根據試驗研究目的和重點考察的內容進行設計。以本項目試驗為例，測試內容包括荷載作用下試驗梁結構長期、短期的撓度及應變觀測。撓度觀測采用千分表進行測量，分別布置于梁支座位置、跨中及左右L/4處。為保證撓度長期觀測數據的穩定可靠，在跨中及左右L/4處橫向設置兩塊千分表進行復測，千分表編號為A1～A5，A1-1～A3-1。應變測試元件包括埋入式應變計、表貼式應變計及鋼筋應變片。其中埋入式應變計布置于試驗跨中上、下截面及左右L/4截面，編號為D1～D4。表貼式應變計布置在試驗梁跨中截面腹板與翼緣板交界處及L/4截面附近，編號為C1～C4。電阻應變片安裝在跨中截面上下緣縱向鋼筋及左右L/4截面箍筋，試驗梁測試系統詳見圖2。

1.3 試驗操作流程

靜載加載過程中，首先預緊拉桿頂、底部螺帽，調整各橫向分配梁的水平度和拉桿的豎直度。精確調整千斤頂的平面位置，確保整個加載裝置不發生橫向及縱向變形。此后，施加最大加載工況10%初始荷載，根據E1、E2讀數確定拉桿在加載過程中拉力增量。保證兩根拉桿受力同步、均勻，要求E1、E2讀數差小于5%,如不滿足需要,再次調整千斤頂位置。靜載加載完成后，將中橫梁上端錨固螺栓旋緊，千斤頂卸載，依靠壓力彈簧保持對梁體的持續加載作用。

2 短期及長期荷載效應試驗

2.1 試驗梁設計

試驗梁設計為工字型梁，跨徑300 cm，梁高50 cm,腹板厚度為7 cm，具體尺寸如圖3所示。試驗梁混凝土水灰比設計為0.37,28 d立方體抗壓強度為56.4 MPa。為保證試驗梁在加載過程中不出現應力集中現象，在梁體支座位置處預埋1 cm厚鋼墊板。由于試驗梁翼緣板及腹板厚度較小，普通鋼筋設計為單層，其中縱向筋為R12鋼筋,箍筋為R8鋼筋.試驗梁下緣設置縱向預應力，預應力筋采用單根低松弛鋼絞線φj15.2，張拉噸位為4 t。

首先對試驗梁進行逐級循環加、卸載，試驗梁最大峰值荷載為30 t，整個加載過程共分為4個加卸載循環、41個荷載步。每級荷載穩載5 min，待結構受力穩定后，讀取撓度及應變讀數。短期荷載試驗完成后，即鎖定精軋螺紋鋼筋螺母，保持荷載(12 t)進行長期變形觀測。試驗梁長期及短期荷載作用試驗均在重慶交通大學結構實驗室大廳內進行，試驗過程中室內最低溫度為7 ℃，最高溫度為32 ℃。環境濕度變化范圍為60%～85%。

2.2 試驗梁整體變形規律及整體剛度分析

對于一般預應力混凝土梁，處于簡支狀態，在單調加載時,其荷載變形曲線近似為三折線。其中:Pcr為開裂荷載;Pu為鋼筋屈服荷載。在單調加載過程中，荷載變形曲線以Pcr及Pu為拐點，分為三階段。當荷載PPcr后試驗梁開始出現裂縫，并隨著荷載的增加裂縫不斷發展，此時荷載變形曲線均為線性關系。當普通鋼筋及預應力鋼筋達到屈服時(P>Pu)，結構變形迅速增大，直至破壞。圖4(a)為試驗梁實測荷載變形關系曲線。

(a)梁跨中撓度荷載曲線圖

(b)試驗梁整體變形剛度

在循環加、卸載過程中，當外荷載PPcr時，由于結構開裂及鋼筋與混凝土之間的滑移導致試驗梁在卸載后存在殘余變形，卸載后殘余變形為f1。再次加載(荷載PPcr1),由于有新的裂縫產生，試驗梁變形迅速增大，載-變形曲線呈現非線性特征。繼續加載至Pcr2，卸載后殘余變形為f2，再次加載(荷載P>Pcr2)時，其荷載變形曲線仍與單調加載開裂后曲線重合。在循環加載及卸載過程中，結構荷載變形關系曲線以卸載點Pcri為拐點，卸載后繼續加載剛度可以理解為結構的割線剛度，受卸載點及殘余變形等因素影響。試驗梁在4次加卸載循環中，卸載荷載P分別為10、16.5、23.3和30 t，其割線剛度分別為129.4、98.2、80.0、77.5 MN/m。由此不難發現，隨了加載峰值P的不斷增大，其卸載后繼續加載剛度(割線剛度)不斷衰減，分別為試驗梁彈性狀態結構剛度的75.9%、61.8%、59.9%。試驗梁在循環加、卸載過程中，由于受拉區混凝土開裂，以及在重復荷載作用下鋼筋與混凝土粘結力退化，相對滑移增加，使結構在卸載后存在殘余變形。殘余變形的大小與加載峰值有關。即加載峰值越大，其殘余變形越大。試驗梁加載峰值為3.0Pcr時，其卸載后殘余變形為最大彈性變形的1.65倍。

剛度是表征結構在荷載作用下變形情況的重要參數。在短期荷載作用下，研究試驗梁開裂前后結構剛度變化特點。對于結構變形剛度的描述一般以荷載變形曲線為基礎，包括切線剛度法和割線剛度法。文中采用荷載增量ΔP與撓度增量Δf的比值來表征試驗梁不同受力階段的變形剛度K。采用多段直線對試驗梁加、卸載全過程的荷載-變形曲線進行擬合，分析試驗梁在不同荷載作用和結構開裂條件下的變形剛度衰變規律，其中,K1為開裂前結構剛度;K2為開裂后結構;K3、K4等為重復加、卸載結構剛度，見圖4(b)。試驗梁開裂后變形剛度降低為開裂前的32%。卸載及加載變形剛度K5為開裂前剛度的60%。在靜力循環加卸載過程中，結構的變形數據、變形規律與傳統試驗結果相吻合，表明加載裝置滿足短期靜載試驗技術要求。

2.3 長期徐變變形分析

完成短期靜載試驗及相關數據采集后，鎖定緊固螺母，維持長期荷載12 t，即開始長期加載試驗，試驗梁跨中截面長期長度、應變結果見圖5。不難看出，由于混凝土的徐變效應，即使外荷載維持恒定，梁體撓度及截面變形仍隨時間持續增加。在第300 d時，試驗梁跨中截面徐變變形已經增大到2.62 mm，此后徐變變形增大趨勢逐漸變緩。與徐變撓度發展規律相似，跨中截面上緣混凝土處于彎曲壓縮狀態，壓縮變形也隨持載時間的增加而變大，在第300 d時壓縮變形增大至-690×10-6(見圖5(b))。另外在70～100 d附近，各梁下撓及混凝土壓縮變形曲線均存在明顯轉折，這一時間段恰為環境溫度和濕度轉折點?？梢姯h境溫、濕度變化對試驗梁長期變形均有不同程度的影響。

(a)跨中截面長期變形

(b)跨中截面上緣長期壓縮變形

混凝土梁的裂縫與長期徐變變形存在耦合關系：一方面，由于裂縫的存在導致梁體剛度降低、變形增大；另一方面，在梁體變形持續增加的過程中，既有裂縫的長度和裂縫跨度也不斷發展。對于大跨度混凝土梁式橋，這種裂縫與變形之間的惡性循環關系將對結構安全性和耐久性產生不利影響。由于目前考慮徐變與裂縫相互作用的分析理論尚不完善，同時由于對試驗設備的可靠性和穩定性均有較高要求，相關問題的試驗研究進展不大。為了研究斜裂縫在長期持載下的變化規律，在試驗梁斜裂縫區混凝土表面安裝了表貼式應變計，監測裂縫區的發展。測試數據表明：應變計C2讀數為先產生拉伸變形而后進入壓縮狀態，在第65 d時拉伸變形達到172×10-6，而370 d時為壓縮變形-211×10-6。在前65 d內裂縫寬度增大22 μm，而后裂縫寬度不斷縮小，370 d時縮小27 μm。初步分析原因可知，裂縫處混凝土的長期變形實際上包括收縮變形及徐變變形兩部分。其中徐變變形方向與初始彈性變形方向一致，表現為裂縫的加寬；而收縮變形則表現為裂縫寬度的減小。當收縮變形大于徐變變形時便出現裂縫寬度隨持載時間的增加而不斷變小的現象。

圖6 試驗梁斜裂縫區長期變形

3 有限元模擬分析

為進一步驗證試驗結果的合理性，采用Adina軟件對工字型試驗梁進行仿真分析。根據結構的對稱性，取1/2梁長建模。鋼筋及預應力鋼筋采用truss單元模擬，混凝土采用3D-solid單元模擬。模型中包含606個3D-solid單元及403個truss單元(見圖7)。為防止模型在加載點、支座及張拉錨固點處出現集中破壞，設置剛性單元，避免分析結果不收斂。工字梁有限元模型如圖3所示?；炷敛牧蠈傩园碈50混凝土取值，其中單軸極限抗壓強度32.4 MPa，抗拉強度為2.65 MPa，初始切線彈模為34.5 GPa。普通鋼筋采用兩種材料形式，一種為常規鋼筋模型，另一種為受拉鋼筋帶模型。其中常規鋼筋模型采用理想雙線性彈塑性材料模擬鋼筋，彈性模量為200 GPa，屈服應力為335 MPa。受拉鋼筋帶模型彈性模量為307 GPa，臨界開裂應力35 MPa，屈服應力為335 MPa。

試驗梁計算分析中，采用N-R法進行迭代，計算試驗梁加、卸載全過程結構變形及應力分布。受拉側普通鋼筋分別采用常規鋼筋模型及受拉鋼筋帶模型進行計算，圖8為試驗梁跨中截面計算值與試驗值。采用兩種鋼筋模型時，單調加載曲線較為接近，但極值荷載變形量相差較大。另外，由于常規鋼筋模型未考慮鋼筋與混凝土的黏結滑移效應，因此殘余變形量原小于試驗值，而受拉鋼筋條帶模型通過修正的鋼筋本構來考慮鋼筋與混凝土黏結力的不斷退化，因此計算殘余變形量與實測值較為接近。主要區別為受拉鋼筋條帶模型卸載殘余變形接近測試值，而常規鋼筋模型計算最大殘余變形值僅為試驗值的10%。

Adina軟件采用彌散型裂縫模擬混凝土的開裂及壓碎等情況，計算中根據混凝土單元高斯積分點的應力情況判別結構是否開裂。達到開裂后，在相應的積分點上設置開裂標記。D梁極值荷載條件下計算裂縫分布與實際裂縫分布見圖9。

圖8 試驗梁有限元分析與實測數據比較

圖9 試驗梁計算裂縫與實測裂縫分布

4 結 論

為開展混凝土梁長期與短期荷載作用下的結構行為試驗研究，成功研制了反拉式多功能加載裝置。由于采用了模塊化設計，使得該系統不但可以滿足短期靜載試驗要求，而且在長期加載狀態下，加載系統能夠保持荷載恒定，滿足梁式結構徐變試驗技術要求。主要結論及建議如下：

(1) 通過開展3 m鋼筋混凝土的循環加、卸載試驗以及在長期持載條件下的徐變變形試驗，試驗結果與理論分析結果基本一致，驗證了加載裝置的穩定性和可靠性。

(2) 由于混凝土長期變形受環境溫濕度變化影響顯著，為消除環境因素對測試數據的影響，應采用必要的環境溫度、濕度控制措施。同時在試驗數據分析處理的過程中，應充分考慮環境因素。此外，由于結構長期變形測試周期往往較長，因此測試元器件的長期穩定性、可靠性也是決定試驗結果的重要因素。

(3) 該系統具有操作容易、結構簡單及性能可靠等優勢。加載系統中所采用的構件均為工程實驗室常備式構件，因此裝配、拆卸方便，造價較低，滿足相關試驗與教學使用要求。