重復荷載作用后海工高性能混凝土梁剛度退化試驗研究

陸春華 吳小龍 蔡啟明 張菊連

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.006

基金項目：國家自然科學基金（51878319）

作者簡介：陸春華（1979-?），男，博士，教授，主要從事混凝土結構長期性能研究，E-mail：lch79@ujs.edu.cn。

Received： 2021?10?22

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 51878319）

Author brief： LU Chunhua （1979-?）， PhD， professor， main research interest： long-term performance of concrete structures， E-mail： lch79@ujs.edu.cn.

（1. 江蘇大學?土木工程與力學學院， 江蘇?鎮江?212013；?2. 上海宏信建筑科技有限公司， 上海?201800）

摘要：在荷載長期作用下，鋼筋混凝土受彎構件的變形是一個重要的評價指標，也是構件正常使用極限狀態的驗算內容之一。為了研究經歷重復荷載后海工高性能混凝土梁的變形發展規律，設計制作了10根試驗梁，分別進行了重復荷載試驗、氯鹽干濕試驗以及兩者的共同作用試驗；通過四點受彎試驗對梁的跨中撓度及剛度退化進行評價，提出了梁短期剛度規范計算公式的修正方法。研究結果表明：荷載水平按梁純彎段彎矩等于0.4M_u確定時，施加30次重復荷載后混凝土的損傷度接近15%；對于僅進行氯鹽干濕循環的試驗梁，其跨中撓度發展要慢于參照梁；施加重復荷載后，試驗梁的跨中撓度發展要快于參照梁；對施加重復荷載后的試驗梁再進行氯鹽干濕循環，梁的剛度退化更為顯著。結合試驗結果，采用損傷效應折減系數對梁短期剛度計算公式進行修正，并驗證了修正公式的合理性和有效性。

關鍵詞：重復荷載；海工混凝土梁；損傷度；氯鹽環境；彎曲剛度

中圖分類號：TU375.1 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0171-09

Experimental analysis of bending stiffness degradation of marine high-performance concrete beam after action of repeated loads

LU Chunhua¹，?WU Xiaolong¹，?CAI Qiming¹，?ZHANG Julian²

（1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， P. R. China；?2. Shanghai Horizon Construction Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201800， P. R. China）

Abstract： Under long-term loading， the deformation of reinforced concrete flexural members is an important evaluation index and it is one of the checking contents of the serviceability limit state. To study the degradation law of bending stiffness of marine high-performance concrete beams after action of repeated loads， a total of 10 test beams were designed and fabricated. After exposure to the repeated load test， the chloride solution dry-wet cycle test and their coupled test， the mid-span deflection development and stiffness degradation of the test beams were evaluated using the four-point bending test. A modified method for the code formula of beam short-term stiffness is proposed. The test results indicate that when the load level is determined according to the moment of the beams pure bending section equal to 0.4M_u， the damage degree in concrete approaches 15% after 30 cycles of repeated load. For the test beams exposed only to the chloride solution dry-wet cycles， their mid-span deflection develops slower than that of the reference beam. After the action of repeated loads， the mid-span deflection of these test beams develops faster than that of the reference beam. When the damaged beams were exposed to chloride solution dry-wet cycles， their degradation of bending stiffness became more obvious. Based on the experimental results， the damage effect reduction factors were proposed to revise the calculation formula of beam，s short-term stiffness. The rationality and effectiveness of the revised formula are verified by the test data.

Keywords： repeated load；?marine concrete beam；?damage degree；?chloride environment；?bending stiffness

處于沿海環境下的混凝土橋梁，不僅要承受各種重復荷載的作用，還會遭受海洋環境侵蝕作用，導致其服役壽命遠低于設計使用年限^[1]。在荷載作用下，結構混凝土會出現不同程度損傷以及由此引起的開裂；裂縫的存在，給外界氯離子侵入混凝土內部提供了便捷的通道，加快混凝土內鋼筋銹蝕^[2]。銹蝕不僅會造成鋼筋力學性能的下降，還會削弱混凝土與鋼筋之間的粘結性能，從而對鋼筋混凝土梁的受彎性能產生影響^[3]。

針對海洋環境下混凝土構件的耐久性劣化問題，學者們對持續荷載與氯鹽環境耦合作用下鋼筋混凝土梁的受彎性能進行了大量研究。Hariche等^[4]和Du等^[5]的研究表明，荷載的存在將加快混凝土內鋼筋的銹蝕，且鋼筋銹蝕會改變梁的受彎破壞模式以及降低其受彎承載力。Dong等^[6]研究了梁在加載和鋼筋銹蝕（通電銹蝕）情況下的受彎性能，發現當鋼筋銹蝕率在2%～3%時，梁受彎承載力下降不明顯，但銹蝕對梁的延性影響較大。Li等^[7]認為當持續荷載水平在0%～15%內時，氯鹽環境下混凝土梁內鋼筋銹蝕率變化不大；當荷載水平增至30%時，銹蝕程度急劇上升；但當荷載水平增加到60%后，由于裂縫寬度變化不顯著，故鋼筋銹蝕率變化不大。Yin等^[8]發現當持載水平超過0.2時，荷載越大，梁的初始裂縫越寬，海洋環境中的氯離子更容易侵入混凝土內部，從而引起梁的剛度和承載力降低。

在實際工程中，沿海混凝土結構更多承受的是重復荷載，如汽車荷載、波浪荷載等；重復荷載作用會造成混凝土結構出現粘結性能降低、變形過大、裂縫過寬及發生低于靜載強度的脆性破壞現象^[9-10]。目前，一些學者對重復荷載與氯鹽環境耦合作用下鋼筋混凝土梁受彎性能進行了試驗研究。劉子鍵等^[11]的研究表明，當疲勞荷載水平大于0.24時，海水環境下鋼筋混凝土梁的極限彎矩和初始剛度下降明顯；王鑫等^[12]研究了重復荷載歷史與海水干濕循環對鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，發現重復荷載水平越高，鋼筋混凝土梁的受彎性能下降越明顯。上述研究表明，重復荷載作用后，鋼筋混凝土梁在海水環境下的承載性能和正常使用性能均會出現不同程度的變化。隨著海工高性能混凝土在沿?；炷两Y構的推廣應用^[13-15]，經歷重復荷載作用后該類混凝土梁的受彎性能退化機理值得關注和進一步研究。

筆者以海工高性能混凝土梁為研究對象，對部分試驗梁施加一定次數的重復荷載，其荷載水平按梁純彎段彎矩等于0.4M_u確定^[16]。通過試驗對比分析了重復荷載作用、氯鹽干濕循環作用以及兩者共同作用下，海工高性能混凝土梁的彎曲剛度退化特性；并將試驗結果與規范GB 50010—2010^?[17]中給出的短期剛度計算結果進行了比較，對重復荷載作用后氯鹽環境下混凝土梁的剛度計算公式進行了修正。

1 試驗研究

1.1 材料及試件設計

參照已有文獻中海工高性能混凝土的設計方法^[13-14]，選用大摻量粉煤灰和礦粉替代水泥，按混凝土強度等級C50進行配合比設計，具體見表1。膠凝材料中，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰、礦粉為S95級礦粉；粗骨料為粒徑5～25 mm的碎石；細骨料為細度模數為2.4的中砂；減水劑采用聚羧酸類高效減水劑。經28 d標準養護（溫度（20±2）℃，相對濕度95%）后，測得該海工混凝土立方體抗壓強度f_cu為53.06 MPa（見表1）。此外，梁內受拉鋼筋選用直徑為12 mm的HRB500級鋼筋，箍筋和架立筋選用直徑為8 mm的HRB400級鋼筋，兩者的力學性能見表2。

設計制作了10根海工高性能混凝土試驗梁（見表3），梁截面高度約為長度的1/10，具體尺寸為150 mm×200 mm×1 800 mm。同時，在確定保護層厚度時，考慮《混凝土結構設計規范》（GB 510010—2010）^[17]中的三a類海風環境^[17]以及箍筋的直徑，主筋的最小保護層厚度在50 mm左右；由于試驗梁截面高度比實際工程混凝土梁要小，故按比例縮小取主筋保護層厚度為25 mm，相應的配筋率為0.89%。箍筋僅在彎剪段設置，其間距為100 mm；具體構造如圖1所示。同時，試驗還準備了9組（每組3個）混凝土標準立方體試塊；其中2組用于評定混凝土內部損傷，另外7組用于測定混凝土抗壓強度。試塊編號統一為“C-aa-bb”，其中C表示立方體試塊，數字aa和bb表達的含義與梁編號相同。

1.2 重復荷載作用

正常使用狀態下，混凝土結構的荷載水平一般在0.4左右^[16]；鑒于此，荷載水平按梁純彎段彎矩等于0.4M_u確定（M_u為試驗梁B的極限彎矩實測值），對部分試驗梁施加一定數量的重復荷載（見表3），具體加載方案見圖2、圖3。在確定試驗梁B的M_u時，為了使礦物摻合料得到充分水化、混凝土強度比較穩定，將已養護28 d的試驗梁在室內自然環境下再放置84 d后進行試驗，最終測得梁B的極限彎矩M_u為22.25 kN^.m，相應的純彎段加載彎矩為M=0.4M_u=8.90 kN^.m，此時，千斤頂荷載為35.6 kN。對于序號為4～9的試驗梁（見表3），所有重復荷載作用在3 d內完成。

由于試驗梁內配有鋼筋，無法對施加重復荷載后梁中受壓區混凝土損傷程度進行直接測定。故近似取相同的荷載水平，對混凝土標準立方體試塊施加一定次數的重復荷載（加載方案同圖2），通過測定試塊混凝土的損傷來近似評價梁中混凝土的損傷。采用超聲波法（見式（1））評價混凝土的損傷度D，具體結果見圖4（在圖4（a）中，數字①～③表示3個試塊）。 （1）

式中：E_rd為混凝土試塊的相對動彈性模量，E_rd=（v_n/v₀）²；其中，v₀、v_n分別為重復荷載作用前后混凝土的超聲波波速。

從圖4可以看出，在初期的重復加載過程（n小于10次）中，相對動彈性模量下降較快，說明混凝土試塊內部新產生的微裂縫發展比較快速，相應地損傷也發展較快；隨著重復荷載次數增大至30次，試塊相對動彈性模量下降速率逐漸降低，說明混凝土試塊內部損傷發展速率趨于穩定；這與文獻[18]的試驗結果相一致。經30次重復加載后，受壓混凝土的平均損傷度在15%左右。為了給出損傷度D和循環次數n之間的關系，采用指數函數進行擬合分析，結果如圖4（b）所示；可以看出，擬合曲線能很好地反映兩者的關系，具體表達式見式（2），相關系數R²為0.983。

，n≤30 （2）

1.3 氯鹽干濕循環

按表3中的設計方案，待重復荷載施加完成后（混凝土齡期為115 d），將部分試驗梁放入濃度為5%的NaCl溶液中進行干濕循環試驗，每個干濕循環周期為7 d，干濕比為4：3，共計280 d。同時，在進行干濕循環前及其過程中，對混凝土的立方體抗壓強度進行了測定，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，完好試塊（編號C-0）在干濕前的強度為59.19 MPa，比28 d齡期強度提高了11.6%；在干濕循環過程中，混凝土強度又有了一定的提升，經過20次（齡期為255 d）和40次（齡期為395 d）循環后，混凝土強度比干濕前又分別提升了15.1%和10.2%，且呈現先增后略降的趨勢。此外，對于施加重復荷載的試塊（編號C-10和C-30），其強度變化趨勢同完好試塊，但提高幅度隨重復次數增加而降低。

1.4 受彎性能試驗

待重復荷載試驗和氯鹽干濕循環試驗結束后，對1～9號試驗梁進行四點加載受彎性能試驗。參照《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）^[19]，對試驗梁進行分級單調加載，各級加載間隔10～15 min，直至試驗梁破壞（以受壓區混凝土被壓碎為標志）。在此過程中，測量并記錄試驗梁的撓度、實時荷載等參數。試驗梁加載裝置如圖3所示。

2 試驗結果與分析

2.1 施加重復荷載時梁跨中撓度發展

圖6給出了3根B-10試驗梁以及3根B-30試驗梁在施加重復荷載過程中的荷載-位移曲線；其中，對于B-10梁，給出了第1、4、7、10次加載-卸載過程跨中撓度變化情況；對于B-30梁，給出了第1、5、10、15、20、25、30次加載-卸載過程中跨中撓度變化情況。

從圖6可以看出，在首次加載-卸載過程中，兩條位移曲線間隔較大；但隨著重復荷載次數的增加，加載和卸載位移曲線趨于重合。上述結果表明，在首次加載-卸載過程中，梁產生較大的塑性變形，卸載后殘余撓度較大；隨后梁的跨中撓度發展近似處于彈性變形階段，殘余撓度較小。

2.2 受彎性能試驗中梁跨中撓度的發展

2.2.1 僅施加重復荷載對梁跨中撓度的影響

對于僅施加重復荷載的試驗梁，其受彎過程中的荷載-撓度曲線與參照梁之間的對比關系見圖7。從圖7可以看出，與參照梁B-0-0相比，施加重復荷載后試驗梁跨中撓度曲線的斜率減小、撓度增大，這說明當梁受到重復荷載作用后，其剛度會有一定程度的降低。這是因為施加重復荷載后，混凝土損傷程度增大，且與鋼筋之間粘結性能會有一定退化，從而導致梁撓度大于參照梁，即剛度逐漸下降^[20]。

2.2.2 僅氯鹽干濕循環對梁跨中撓度的影響

圖8給出了完好（未施加重復荷載）試驗梁經氯鹽干濕循環后的荷載-撓度曲線。從圖8可以看出，在加載初期，經氯鹽干濕循環作用后試驗梁的跨中撓度發展與參照梁B-0-0相差不明顯；但隨著荷載增大及梁底裂縫的快速發展，受干濕作用的梁B-0-20和梁B-0-40跨中撓度發展逐步慢于參照梁B-0-0，即干濕作用后梁的抗彎剛度有所提升，且受彎承載力也有20%左右的提高。其主要原因在于^[21]，混凝土內的礦物摻合料在氯鹽溶液干濕循環作用下，其水化作用得到進一步發展，使混凝土抗壓強度有一定的提升（見圖5），且混凝土與鋼筋之間的粘結性能也會增強，從而提升梁的抗彎剛度和極限彎矩，減緩了撓度的發展^[22]。與梁B-0-20相比，梁B-0-40的撓度發展略微變快；這是因為當氯鹽干濕循環持續進行后（從20次到40次），混凝土強度呈現下降的趨勢（見圖5），從而使剛度有所降低^[23]。

2.2.3 重復荷載作用后梁在氯鹽干濕環境下的跨中撓度發展

以經歷40次干濕循環的試驗梁為例，經重復荷載歷史與氯鹽干濕循環共同作用后，試驗梁的荷載-撓度曲線對比關系見圖9。對比圖9可以看出：1）在加載前期，梁B-10-40和B-30-40撓度變化速率較參照梁B-0-0略大；但隨著荷載的增大，損傷梁撓度變化速率進一步增大，且遠大于參照梁B-0-0。2）與圖7給出的損傷梁跨中撓度發展相比，進行40次氯鹽干濕循環后，損傷梁的跨中撓度發展更快。其主要原因在于，在氯鹽干濕環境下，盡管混凝土抗壓強度有一定的提升并且對抑制梁剛度的退化有作用，但隨著受彎裂縫的發展，梁內部損傷產生的影響將逐步顯現出來，使得梁剛度出現加速退化^[24-25]。此外，從圖7、圖9中還可以看出，超過極限荷載（受壓區混凝土被壓碎）后，損傷梁的剛度退化速率要快于參照梁。

2.3 梁剛度退化分析

從圖7、圖9中可以看出，當施加荷載與極限荷載的比值小于0.8時（一般認為處于正常使用階段），試驗梁的荷載-撓度曲線呈現近似的線性關系；因此，在此階段內，可假定混凝土梁是近似彈性的。在此基礎上，結合圖3給出的梁四點受彎加載模式以及圖1中的相關參數，運用結構力學求解彈性位移的方法（只考慮梁彎曲變形），可得到試驗梁短期剛度B_s與跨中撓度f_m的計算關系，見式（3）。試驗梁短期剛度實測值B_s^m的確定方法是，根據試驗測得的梁跨中撓度f_m實測值，按式（3）計算B_s^m。 （3）

式中：L₀為梁的計算跨度，m；a為支座中線點至分配梁加載點的距離，m，此處a=5/16L₀；M為跨中截面彎矩，N·m。

對于試驗梁截面，由《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）^[17]可得梁短期剛度B_s的計算公式，見式（4）。 （4）

式中：E_s、A_s分別為受拉鋼筋的彈性模量和面積；h₀為梁截面的有效高度；ρ為受拉鋼筋配筋率；α_E為彈模比；ψ為裂縫間受拉鋼筋應變不均勻系數，按式（5）計算，其中σ_s為受拉鋼筋所受拉應力，σ_s=M/0.87h₀A_s；ρ_te為受拉鋼筋有效配筋率，ρ_te=A_s/0.5bh。 （5）

選取經歷40次干濕循環的試驗梁進行分析，由實測跨中撓度f_m經公式（3）推算得到不同工況下梁短期剛度實測值B_s^m，再按規范公式（4）計算得到預測值B_s^p，實測值與預測值的比較見圖10。從圖10（a）可以看出，在正常使用情況下，參照梁B-0-0的剛度實測值B_s^m與預測值B_s^p符合較好；而經歷干濕循環后梁B-0-40的剛度實測值B_s^m要明顯高于預測值B_s^p；其主要原因是規范計算公式中沒有考慮干濕浸泡后混凝土抗壓強度（見圖5）以及與鋼筋之間粘結性能有所提升等這些有利因素，導致規范公式計算結果偏小。但從撓度控制的角度來看，采用規范公式對該類混凝土梁構件的短期剛度進行分析是有一定的安全儲備。

從圖10（b）可以看出，重復荷載作用后梁抗彎剛度的規范公式預測值B_s^p已開始大于實測值B_s^m（B_s^m/B_s^p比值小于1）；當對這些損傷梁再進行氯鹽干濕循環后，它們抗彎剛度的預測值B_s^p與實測值B_s^m的偏差變得更大。這主要是因為規范中未考慮到混凝土梁在荷載作用下內部損傷的積累，其剛度出現下降（與圖7結果一致）；并且在氯鹽干濕循環過程中，雖混凝土強度有一定的提升，但由于裂縫的存在以及受拉鋼筋應力不斷增大，梁的剛度下降將更為明顯，這也與圖9給出的結果相一致。

2.4 梁剛度修正計算

由上述結果可知，對于有荷載作用經歷的損傷混凝土梁，在大氣或氯鹽環境下，其彎曲剛度均會出現明顯的退化，即按GB 50010—2010規范公式計算的預測值會偏大，需要對規范公式進行修正?，F基于規范公式（4），引入考慮荷載作用經歷的損傷效應函數λ（D）；并針對氯鹽干濕環境，引入環境劣化系數K；修正后的梁短期剛度B_s′計算公式為 （6）

借助有荷載作用經歷的損傷混凝土梁試驗結果，通過回歸分析得到損傷效應函數λ（D）和環境劣化系數K的擬合結果（見圖11），相應的回歸公式見式（7）、式（8）。將上述梁剛度的實測值B_s^m與修正后的剛度計算公式預測值B_s^p進行對比分析，結果如圖12所示。從圖12中可以看出，修正后的剛度計算結果與試驗實測結果符合較好，B_s^m/B_s^p的均值為1.093，標準差為0.083。 （7）

K=0.8 （8）

3 結論

1）在短期氯鹽干濕循環作用下，混凝土強度將有一定的提升，使得經氯鹽干濕后受彎梁的跨中撓度發展比參照梁要慢，即梁的抗彎剛度有所提升；經歷短期重復荷載作用后，損傷梁的跨中撓度發展明顯快于參照梁，且混凝土損傷度（15%以內）越大，梁彎曲剛度退化越明顯。

2）對于經歷重復荷載作用的損傷梁，經氯鹽干濕循環作用后混凝土強度有所提升，但由于裂縫的存在以及受拉鋼筋應力不斷增大，梁內部損傷產生的影響將逐步顯現出來，梁剛度出現加速退化。

3）對于經歷重復荷載作用的海工混凝土梁，其實際彎曲剛度已小于按GB 50010—2010規范公式（梁短期剛度）得到的預測值；基于試驗結果，引入損傷效應函數λ（D）和環境劣化系數K對短期剛度計算公式進行了修正，調整后的模型能較好預測一般及氯鹽環境下損傷海工混凝土梁的剛度退化。

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（編輯??胡玲）