混凝土構件局部開口后鋼筋和混凝土變形性能試驗研究

王自彬

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海 200050）

0 引言

我國服役橋梁達數百萬座，每座橋梁均需按照現行的《公路橋涵養護規范》和《城市橋梁養護技術規范》進行檢查和檢測，必要時需要進行荷載試驗評定橋梁的承載能力，因此荷載試驗在橋梁的承載能力評定中使用頻繁。

鋼筋混凝土橋梁或預壓應力不足的預應力混凝土橋梁進行荷載試驗時，控制截面受拉區混凝土在試驗荷載作用下一般會產生裂縫，致使構件受拉區混凝土成為變形不連續結構，此時粘貼在混凝土表面應變片的應變值有大有小，個別甚至被拉斷，因此目前常見的應變計無法精確測試構件受拉區混凝土的應變，通常在荷載試驗中為準確測試控制截面的應變，需要將混凝土局部鑿除，在鋼筋上粘貼應變片。由于鋼筋屈服前在外力作用下為應變連續體，不存在應力沿長度方向突變的情況，因此鋼筋在屈服前的應變能夠比較精確地反應結構應變情況。此方法能夠解決控制截面的應變測量問題，但是局部混凝土鑿除破壞了測點附近混凝土與鋼筋的粘結[1]，這種方式測試的結構應變是否準確呢？為研究局部混凝土鑿除對鋼筋應變的影響，本文根據試驗結果分析，并與有限元模型計算結果比較，總結出局部混凝土鑿除對鋼筋應變的影響。

1 試驗模型

1.1 試驗模型的選取

試驗模型首先需要滿足在試驗荷載作用下混凝土和鋼筋理論變形的一致，然后在混凝土構件底緣局部進行開口，在鋼筋和混凝土表面同時粘貼應變片，測試鋼筋和混凝土的應變。預應力混凝土梁在混凝土未完全消壓前結構處于彈性階段，符合平截面假定，相同高度混凝土和鋼筋的應變一致，滿足試驗要求。

試驗選取一片預制預應力混凝土簡支小箱梁，該梁全長28.52 m，支座中心距27.68 m，梁高1.6 m，梁頂寬2.4 m，梁底寬1.0 m，腹板厚0.18～0.25 m，梁內配有8束s15.2-5的低松弛鋼絞線，采用C50混凝土，梁頂已澆筑0.08m厚的C40混凝土鋪裝層，單片梁重約93 t（不含鋪裝層重），設計荷載標準為公路-Ⅰ級。

1.2 測點布置

測試截面選在兩加載支點間的純彎區，避開中橫隔板0.5 m，在測試截面底緣兩側鑿開混凝土粘貼兩片鋼筋應變片（見圖1），在梁底和側面粘貼19片混凝土應變片（見圖2）。

圖1 應變片粘貼實景

圖2 測點布置示意圖

2 試驗加載

試驗采用3塊預制的混凝土塊進行加載，每塊重20 t，對稱于跨中進行兩支點加載，經計算此試驗荷載作用下最不利截面尚有3.36 MPa的壓應力，滿足混凝土和鋼筋變形協調的要求。試驗荷載分三次施加，混凝土塊與梁體間墊枕木，加載工況和各級工況描述見表1所列，加載示意圖見圖3所示。

表1 加載工況及加載位置一覽表

圖3 試驗荷載加載示意圖（單位：mm）

3 試驗結果及分析

由于保護層厚度和鋼筋位置開洞的影響，鋼筋應變片和混凝土應變片不在截面的同一高度位置，為消除影響，將構件兩側所有混凝土的應變進行回歸，得出混凝土應變隨截面高度的變化關系，計算出對應于鋼筋高度位置的混凝土應變，然后將該應變和同高度鋼筋應變進行比較。

分析試驗結果發現，箱梁底鋼筋應變明顯較箱梁底板混凝土應變要大。表2中列出了工況3最大試驗荷載作用下箱梁底部鋼筋應變和同位置混凝土應變。

表2 箱梁下緣同一高度鋼筋與混凝土應變一覽表

由表2可知，斷面開口后下緣兩側同高度處鋼筋應變較混凝土應變大17.1%～20.1%，不符合平截面假定。這是由于鋼筋與混凝土剛度并不一致，若要保持其變形一致，基本的條件是要保證兩者之間良好的粘結，而測試鋼筋應變時對其保護層混凝土進行了局部鑿除，破壞了鋼筋和混凝土之間的粘結，兩者之間的變形不一致，所以導致開鑿區域鋼筋應力集中。

4 理論分析

為了驗證上述現象，采用通用有限元軟件Ansys建立試驗梁實體模型，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用beam44單元。根據現場測量，鑿除部分混凝土大小約為120 mm×65 mm×70 mm，建模過程中采用殺死混凝土單元來模擬。

由模型分別計算梁體完好狀態下和混凝土局部鑿除狀態下的梁底鋼筋應變，表3為計算結果。

表3 試驗梁實體模型梁底鋼筋應變比較表

理論計算結果表明，梁底普通鋼筋混凝土保護層局部鑿除后鋼筋應變較梁體完好狀態下的鋼筋應變大16.3%～16.4%，這與實測的17.1%～20.1%基本相吻合，理論計算驗證了實測結果。

5 結論

（1）混凝土梁梁底鋼筋在保護層局部開鑿后破壞了混凝土與鋼筋間的粘結，致使鋼筋應變在開鑿處應力集中，此處鋼筋應變不符合平截面假定。試驗荷載作用下實測梁底開口處鋼筋應變較同高度位置混凝土應變大17.1%～20.1%，理論分析值為16.3%～16.4%，試驗實測結果與理論計算結果基本吻合。

（2）由于梁底保護層鑿除后鋼筋應變會產生應力集中，今后在類似的試驗中需要考慮鋼筋和混凝土粘結力破壞對測試結果的影響。

（3）鑒于以上認識，當鋼筋銹蝕致使混凝土保護層開裂剝落后橋梁的承載能力因此將有所下降[2][3]，故在工程實踐中，不僅要考慮鋼筋銹蝕對承載能力的影響，還需考慮鋼筋和混凝土粘結破壞對承載能力的影響。

[1]姚凱,陳金鋒,劉璽.鋼筋混凝土梁局部受拉鋼筋暴露后受彎性能分析[J].工業設計與研究,2004,3:21-24.

[2]李文,張素梅.去除局部破損混凝土后鋼筋混凝土梁受彎性能理論分析[J].工業建筑,2003,33(4):49-52.

[3]陶峰,王林科,王慶霞,劉建軍.服役鋼筋混凝土構件承載力的試驗研究[J].工業建筑,1996,26(4):17-20.