應(yīng)力水平對混合骨料鋼筋混凝土梁疲勞性能影響

劉登輝，陳永超

(河南理工大學，河南 焦作 454003)

0 前 言

大量的鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受彎構(gòu)件經(jīng)常遭受反復荷載的作用，混凝土受彎結(jié)構(gòu)經(jīng)常承受反復循環(huán)荷載作用下保證其具有充分的疲勞壽命，對結(jié)構(gòu)正常使用的安全性具有重大的意義。混合骨料輕質(zhì)混凝土一方面克服普通混凝土自重大缺點，另一方面避免全輕混凝土的彈性模量較低的不足，且能克服再生混凝土耐久性差的問題，能夠很好地提高建筑承載力。在重點工程建設(shè)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，具有良好的市場應(yīng)用前景。但是混合骨料混凝土中配置鋼筋后在疲勞荷載作用下能否充分發(fā)揮其作用，仍然需要進一步研究。

1 研究現(xiàn)狀

Williams[1]研究了在不同骨料類型下混凝土的彎曲疲勞強度性質(zhì)，研究表明：普通骨料混凝土的疲勞強度要比輕骨料混凝土的疲勞強度要大些。Warren等[2]研究了輕骨料混凝土圓柱體試件在25.5 MPa(或3 700 psi)和42.7 MPa(或6 200 psi)兩種強度下的抗壓疲勞性能，研究表明：靜載強度的高低對輕骨料混凝土的疲勞強度的影響不是太明顯，輕骨料混凝土的疲勞性能類似于普通骨料混凝土。Tepfers和Kutti[3]對比研究了輕骨料混凝土和普通混凝土的抗壓疲勞性能，研究表明：密度對混凝土疲勞性能的影響不是太顯著。Sparks[4]的試驗得出類似結(jié)論。Klaiber和Lee[5]研究了不同粗骨料類型、空氣含量對彎曲疲勞強度的影響。研究表明：隨空氣含量的不斷增加疲勞強度是逐漸減小，粗骨料的強度越高混凝土的疲勞強度相應(yīng)的就越高。Cornellissen[6]發(fā)現(xiàn)在波動拉荷載下普通骨料混凝與輕骨料混凝土的疲勞強度大致是相同的，但在波動拉-壓荷載下輕骨料混凝土疲勞強度相對較低；王賢磊[7]進行了T 形預(yù)應(yīng)力輕骨料混凝土梁的疲勞受彎試驗，并通過與輕骨料纖維混凝土梁試驗結(jié)果進行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)前者抗疲勞性能更優(yōu)。張安安[8]研究了輕骨料混凝土空心板梁橋跨結(jié)構(gòu)的動載試驗，并與普通混凝土進行對比。研究發(fā)現(xiàn)，輕骨料混凝土橋跨結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、結(jié)構(gòu)自振周期長、阻尼系數(shù)大的優(yōu)點；另外，在靜載和動載作用下，輕骨料混凝土橋跨的強度、剛度和結(jié)構(gòu)動力能滿足規(guī)范和安全要求。

本文對鋼筋-混合骨料混凝土梁抗彎疲勞性能進行了試驗研究。通過對其在疲勞荷載作用下破環(huán)規(guī)律的系統(tǒng)總結(jié)并與普通混凝土比較分析，為輕骨料混凝土能在實際工程中應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件設(shè)計

1)配合比設(shè)計。試驗依據(jù)本課題組前期試驗結(jié)果和工程實踐，按照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T12—2019) 進行試配，設(shè)計出強度等級為 LC40的全輕混凝土的最優(yōu)配合比，在全輕最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上河砂體積取代率(Ss)最佳值為10%，碎石體積取代率(Sa)最佳值為25%配制混輕混凝土的配合比。如表1所示。

表1 LWSCCs 的配合比

2)尺寸擬定和試驗梁設(shè)計。在設(shè)計鋼筋混凝土梁時，首先根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》確定梁的截面尺寸b×h=150 mm×300 mm，計算跨度l0=2100 mm配筋率為0.56。受力鋼筋采用HRB400，縱向受力配筋為2Φ12，配筋率為0.56%。

2.2 試驗方法

本試驗在電液伺服的疲勞試驗機上完成的。機器出自長春，500 kN是其所能承受的最大荷載。靜載試驗采用分級加載方式，初期5 kN為1級，裂縫產(chǎn)生后變?yōu)?0 kN。疲勞試驗采用等幅正弦波加載，頻率定為6 Hz。應(yīng)力水平選為0.55、0.65、0.75、0.85。在加載到0、1、5、10、20、50、100、150、200萬次的循環(huán)次數(shù)時，轉(zhuǎn)變加載方式，進行一次靜力加載，當試件達到 2×106次后，還具備承載能力且裂縫和撓度沒有達到極限值，則停止該試驗，記下相應(yīng)次數(shù)，施加靜力直到破壞同時記下該試件的極限荷載。

3 試驗結(jié)果

3.1 應(yīng)力水平對鋼筋-混合骨料疲勞變形的影響

不同應(yīng)力水平下循環(huán)次數(shù)-撓度曲線如圖1所示。從單個撓度-循環(huán)次數(shù)分析：曲線大致分兩個階段，在10萬次時出現(xiàn)拐點，初始階段撓度隨循環(huán)次數(shù)的增加，撓度迅速增長。這是因為前期循環(huán)試驗過程中不斷有新的裂縫產(chǎn)生，裂縫導致應(yīng)力重新分布，故撓度變化比較明顯。在10萬次后由于主裂縫基本全部出現(xiàn)。撓度進入了平穩(wěn)期，隨循環(huán)次數(shù)的增大沒有明顯變化。從整體進行分析：應(yīng)力水平對試件撓度的影響是很大的，且其參與撓度隨著應(yīng)力水平的增加而變大。故高應(yīng)力水平下，構(gòu)件能否正常工作，還是值得研究的。

圖1 梁撓度-循環(huán)次數(shù)曲線

3.2 應(yīng)力水平對鋼筋-混合骨料裂縫的影響

試驗中測得輕骨料混凝土梁的裂縫情況如圖2所示。

圖2 不同應(yīng)力水平循環(huán)次數(shù)-裂縫最大寬度曲線

根據(jù)圖2可知，筋-混合骨料混凝土梁初始裂縫寬度比鋼筋混凝土梁的大，并且鋼筋-混合骨料混凝土梁縫寬度在整個循環(huán)過程中變化比較大，相比于鋼筋混凝土梁更加穩(wěn)定；隨著應(yīng)力水平在疲勞荷載作用不斷增大，裂縫開展的更迅速及裂縫寬度更大。相同配筋率的鋼筋-混合骨料混凝土梁與鋼筋混凝土梁在同等應(yīng)力水平下進行對比，前者的裂縫寬度小于后者，但裂縫產(chǎn)生的數(shù)目大于后者，而且裂縫間距相對要小。因此，應(yīng)力水平對裂縫的發(fā)展有著顯著影響。

4 結(jié) 論

1)跨中撓度因為能體現(xiàn)混凝土裂縫的變化過程，也能反映構(gòu)件內(nèi)部間存在的粘結(jié)滑移性能。所以能更好地反映梁試件的疲勞性能。在循環(huán)荷載作用下，混合-骨料混凝土梁的最大撓度和殘余撓度在循環(huán)荷載作用下隨著應(yīng)力水平的增加而不斷增大，而撓度-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率是減小的。

2)疲勞作用下，鋼筋-混合骨料混凝凝土梁的撓度-循環(huán)次數(shù)的曲線關(guān)系大致滿足三階段發(fā)展規(guī)律：初始時由于裂縫的不斷產(chǎn)生，剛度隨疲勞次數(shù)的增加退化相對比較迅速。當裂縫全部產(chǎn)生后剛度變化趨向穩(wěn)定。直到最后構(gòu)件疲勞破壞時。

3)鋼筋-混合骨料混凝土梁與鋼筋混凝土梁在不等應(yīng)力水平下進行對比，前者的裂縫寬度小于后者，但產(chǎn)生的裂縫數(shù)目大于后者，而且裂縫間距相對要小。因此，應(yīng)力水平對裂縫的發(fā)展有著顯著影響。

4) 相同條件下，應(yīng)力比越低，疲勞壽命越短。

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