荷載水平對長期加載作用下混凝土剩余承載力的影響

于潤澤，李 杰，司炳君

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

對于遭受長期荷載作用的混凝土結構，如混凝土大壩，安全殼以及冷卻塔等，由于混凝土內部損傷的積累，結構的安全性及服役性受到嚴重挑戰。長期荷載作用下，荷載水平以及加載時間是影響混凝土服役性能的主要因素。一般來說，混凝土在低荷載水平作用下產生線性黏彈性變形，并且在持續加載過程中保持穩定。相對地，高荷載水平作用下，裂縫擴展與混凝土黏彈性相互作用產生非線性變形甚至可能造成混凝土結構破壞[1]。因此，為了更加充分地了解長期荷載作用對混凝土結構的安全性的影響，對長期高荷載水平作用后，混凝土的剩余承載力進行評估是非常有必要的。

在過去的幾十年里，關于混凝土徐變行為已進行大量的研究[2-4]?，F有的研究主要針對混凝土拉壓荷載作用下的徐變變形，主要考慮荷載水平[2]、水泥種類[5]、粗骨料類型[6]以及混凝土強度[7]等對徐變的影響。研究結果表明拉壓荷載作用下混凝土的徐變規律類似。在高荷載水平作用下，徐變過程根據徐變速率可分為三個階段，第一階段，徐變率逐漸減??；第二階段，徐變率保持穩定；第三階段，徐變率快速增加，其中第二階段徐變持續的時間大概占整個破壞時間的70%，因此研究認為第二階段徐變速率可以用來預測徐變破壞時間[1]。相對地，在低荷載水平作用下，徐變過程經歷第一階段和第二階段并不會進入第三階段。此外，混凝土組成成分的變化對徐變并無明顯的影響。目前，對于在彎曲荷載作用下混凝土徐變過程的研究相對較少。而且，這些少量針對混凝土彎曲徐變的研究大多較短時間內完成，如1個月、3個月[8-10]。因此，為了更清楚地了解混凝土在長期荷載作用下的徐變規律，對混凝土進行長期彎曲徐變研究并對長期荷載作用后混凝土的剩余承載力進行分析是非常有意義的。

目前，已有一些學者針對徐變后混凝土的斷裂性能進行了研究。Omar等[10]研究了混凝土在80%極限荷載 (Pmax) 持續加載3個月后混凝土的斷裂性能。結果表明長期荷載作用后混凝土的斷裂能有明顯的減小。與伴隨試件相比，徐變混凝土的剩余承載力并無明顯變化。Saliba等[8-9]對85%極限荷載作用120 d后的混凝土進行斷裂特性分析。研究發現持續荷載作用后，混凝土的剩余承載力有一定的增加。這一現象被解釋為是由于長期加載過程中混凝土受壓區得到強化而引起。此外，Dong等[11-12]、Rong等[13]和吳喬等[14]對不同荷載水平作用1個月和3個月后混凝土的斷裂特性進行了研究。結果表明長期荷載作用后混凝土的剩余承載力有較為明顯的提高。根據數值分析可知在長期荷載作用過程中，由于應力松弛的發生，混凝土裂縫尖端的應力減小，這造成混凝土剩余承載力的增加。如上所述，目前關于持續荷載作用后混凝土剩余承載力的研究結果并不一致，且持續加載過程均在較短時間內完成。

基于以上分析，為了評估長期荷載作用后混凝土的剩余承載力，本文首先對混凝土梁施加60%極限荷載和80%極限荷載的恒定荷載并進行為期6個月和12個月的長期加載。長期加載試驗結束后，對一部分混凝土梁進行靜載斷裂試驗。此外，對在80%Pmax持續加載12個月的混凝土梁進行5 500 N (靜載峰值荷載)和6 000 N (1.1倍靜載峰值荷載)的持載試驗。試驗過程中得到在長期加載過程中加載點位移隨時間的變化曲線以及混凝土的起裂荷載和極限荷載。最終，對長期荷載作用后混凝土剩余承載力進行評估。

1 試驗概況

1.1 試件準備

本文采用尺寸為500 mm ×100 mm×100 mm(長×寬×高)的混凝土梁，初始縫高比為0.3。混凝土的強度等級為C30，其配合比為水泥∶沙子∶石子∶水=1∶ 2∶3.7∶0.6。水泥為P42.5普通硅酸鹽水泥，沙子采用最大粒徑為5 mm的河沙，石子的最大粒徑為10 mm。試件在澆筑24 h后進行拆模，并且放入溫度為20℃±2℃，濕度為95%的養護室養護27 d。參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[15](GB/T 50081—2002)，采用300 t電液伺服壓力試驗機測定混凝土基本力學性能參數。其中劈裂抗拉強度試驗和立方體抗壓強度試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，彈性模量試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件。混凝土在28 d時的材料參數如表1所示，表中E、ft以及fc分別為彈性模量、抗拉強度以及抗壓強度。為了防止在長期加載過程中混凝土水分散失，使用雙層錫紙對養護到期的混凝土梁進行密封。與徐變試件同時澆筑、養護、未進行徐變加載的混凝土梁作為伴隨試件。

表1 混凝土材料參數

1.2 徐變試驗

為了標定徐變過程中施加的恒定荷載，對養護到期的混凝土梁首先進行靜載斷裂試驗，三組試件的平均極限為4 021 N。徐變試驗在溫度為20℃±2℃、濕度為50%的恒溫恒濕試驗室內進行。混凝土梁在自制的徐變加載架進行長期加載，加載裝置如圖1所示。荷載傳感器及顯示器與加載架連接，通過旋轉加載架上的螺桿調節施加在混凝土梁上荷載的大小。在本試驗中施加60%Pmax(60%×4 021=2 400 N)和80%Pmax(80%×4 021=3 200 N) 兩種荷載水平，并且持續加載6個月和12個月。需要說明的是，在靜載斷裂試驗中混凝土梁的起裂荷載均值為2 644 N(約65.7%Pmax)。因此認為混凝土梁在加載60%Pmax時并未起裂，而在80%Pmax作用下，混凝土已經起裂。在徐變過程中，使用千分表對混凝土加載點位移進行監測。由于混凝土變形的增加，持載過程中荷載值會隨時間的增加逐漸小，當荷載減小超過2%，則通過轉動螺桿進行補載使荷載保持穩定。

圖1 徐變加載裝置圖

1.3 斷裂試驗

徐變試驗結束后，將混凝土梁從加載架取出并進行靜載三點彎斷裂試驗。斷裂試驗在25 t伺服萬能材料實驗機上進行，加載過程采用位移控制，加載速率為0.036 um/min。試驗過程中，使用夾式引伸儀測量混凝土梁的加載點(δ)以及裂縫口張開位移，如圖2 所示。

圖2 三點彎加載裝置圖

對于伴隨試件及60%Pmax作用后的混凝土梁，為了得到試件的起裂荷載，四個應變片分別粘貼于試件前后面距離裂縫尖端5 mm處。在加載過程中，隨著荷載的增加，裂縫尖端彈性應變能逐漸增大引起應變值的增大。當縫尖起裂后，彈性應變能釋放造成應變值快速減小[16]，據此可判定起裂荷載的數值。

2 試驗結果與討論

2.1 荷載水平對徐變變形的影響

圖3 所示為混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下，加載6個月和12個月過程中加載點位移隨時間的變化曲線?；炷亮涸诔州d過程中均未發生破壞，徐變經歷第一階段與第二階段，未進入第三徐變階段。試件在60%Pmax荷載作用下，加載點位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩定且加載點位移幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。相對地，混凝土梁在80%Pmax荷載作用下，加載點位移變化規律與60%Pmax作用下類似。但在持載過程中，加載點位移仍然有一定的增長，徐變過程明顯為非線性徐變。這表明混凝土梁在80%Pmax作用下，裂縫已經擴展并且與混凝土黏彈性相互作用產生非線性徐變。此外，試驗結果也表明在持續荷載作用下即使有裂縫擴展，混凝土也有可能保持穩定不發生破壞。

圖3 長期荷載作用下加載點位移隨時間變化曲線

2.2 徐變對混凝土斷裂性能的影響

徐變試驗結束后，混凝土在靜載條件下加載到破壞。試驗結果見表2，Pini、Pmax、Sc和Gf分別為起裂荷載、剩余承載力、臨界裂縫口張開位移和斷裂能。60%-6和80%-6分別代表混凝土試件在60%Pmax和80%Pmax荷載作用下持續加載6個月。60%-12表示混凝土試件在60%Pmax荷載作用下持續加載12個月。由表可見，與伴隨時間相比，徐變后混凝土的Pini及Pmax均有明顯的增加。對于80%Pmax作用下的試件，由于混凝土在持載過程中已經起裂，因此在靜載斷裂試驗中并未得到起裂荷載。此外荷載水平越高，混凝土梁的剩余承載力越大。如徐變6個月后，伴隨試件，60%Pmax和80%Pmax徐變試件的平均剩余承載力分別為5 113 N，5 308 N以及5 661 N。Dong等[12]研究表明在徐變過程中，由于應力松弛，混凝土梁縫尖的應力明顯減小。徐變試驗結束后，在進行靜載斷裂試驗的過程中，縫尖減少的應力需要填補才能驅使裂縫擴展，這造成徐變試件起裂荷載和剩余承載力的提高。此外，根據試驗測得的結果可知徐變對臨界裂縫口張開位移Sc并無明顯的影響。

混凝土斷裂能是評估混凝土承能力的重要參數，根據試驗得到的荷載-位移曲線和線彈性斷裂力學方法可以得到混凝土梁的斷裂能[17]為：

(1)

式中：Alig為韌帶面積；W0和δ0分別為三點彎曲梁試驗中P-δ曲線包圍的面積和P-δ曲線中最大的加載點位移，mg為三點彎曲梁的自重；b、d分別為試件的寬、高。計算結果如表2所示。由表可見長期荷載作用及不同荷載水平對混凝土斷裂能并無明顯影響。

對80%Pmax持載12月后的混凝土梁分別進行5 500 N (伴隨試件極限荷載)和6 000 N的持續加載試驗，試驗結果如圖4所示。圖4(a)為在5 500 N荷載作用下的荷載-時間曲線?？梢钥吹交炷亮涸? 500 N荷載作用下維持穩定約22 000 s(6 h 10 min)后進入失穩破壞?；炷亮涸? 000 N荷載作用下維持穩定5 200 s(1 h 24 min)后發生破壞，如圖4(b)所示?？梢钥吹诫S著荷載水平的增大，混凝土梁的失效時間逐漸減小。試驗結果也同樣表明混凝土在徐變加載后，剩余承載力提高較為明顯。

表2 三點彎曲梁試驗結果

圖4 持續加載荷載-時間曲線

3 結 論

為了研究徐變對混凝土剩余承載力的影響，混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下進行6個月和12個月徐變試驗。徐變試驗結束后，混凝土梁加載到破壞。根據試驗結果，對徐變過程中荷載水平對混凝土徐變變形的影響以及徐變后混凝土起裂荷載，剩余承載力，起裂斷裂韌度以及斷裂能的變化進行討論。根據試驗結果，可以得到以下結論：

(1) 低荷載水平作用下，混凝土梁加載點位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩定幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。在高荷載水平作用下，加載點位移在加載初期快速增加，并且在持載過程中仍然有一定的增長，徐變過程明顯為非線性徐變。

(2) 由于徐變過程中縫尖的應力松弛，混凝土的起裂荷載及剩余承載力均有明顯提高。且荷載水平越高，徐變混凝土起裂荷載及剩余承載力提高越明顯，此外，徐變對臨界裂縫口張開位移及斷裂能無明顯影響。

(3) 徐變后的混凝土在高荷載水平作用下具有一定持載能力。80%Pmax持載12個月后的混凝土梁在靜載極限荷載作用下可以保持穩定22 000 s，在1.1倍靜載極限荷載作用下可以保持穩定5 200 s。