混凝土構(gòu)件局部開口后鋼筋和混凝土變形性能試驗(yàn)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(guó)服役橋梁達(dá)數(shù)百萬座，每座橋梁均需按照現(xiàn)行的《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行檢查和檢測(cè)，必要時(shí)需要進(jìn)行荷載試驗(yàn)評(píng)定橋梁的承載能力，因此荷載試驗(yàn)在橋梁的承載能力評(píng)定中使用頻繁。

鋼筋混凝土橋梁或預(yù)壓應(yīng)力不足的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，控制截面受拉區(qū)混凝土在試驗(yàn)荷載作用下一般會(huì)產(chǎn)生裂縫，致使構(gòu)件受拉區(qū)混凝土成為變形不連續(xù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)粘貼在混凝土表面應(yīng)變片的應(yīng)變值有大有小，個(gè)別甚至被拉斷，因此目前常見的應(yīng)變計(jì)無法精確測(cè)試構(gòu)件受拉區(qū)混凝土的應(yīng)變，通常在荷載試驗(yàn)中為準(zhǔn)確測(cè)試控制截面的應(yīng)變，需要將混凝土局部鑿除，在鋼筋上粘貼應(yīng)變片。由于鋼筋屈服前在外力作用下為應(yīng)變連續(xù)體，不存在應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向突變的情況，因此鋼筋在屈服前的應(yīng)變能夠比較精確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況。此方法能夠解決控制截面的應(yīng)變測(cè)量問題，但是局部混凝土鑿除破壞了測(cè)點(diǎn)附近混凝土與鋼筋的粘結(jié)[1]，這種方式測(cè)試的結(jié)構(gòu)應(yīng)變是否準(zhǔn)確呢？為研究局部混凝土鑿除對(duì)鋼筋應(yīng)變的影響，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，并與有限元模型計(jì)算結(jié)果比較，總結(jié)出局部混凝土鑿除對(duì)鋼筋應(yīng)變的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪紫刃枰獫M足在試驗(yàn)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(gòu)件底緣局部進(jìn)行開口，在鋼筋和混凝土表面同時(shí)粘貼應(yīng)變片，測(cè)試鋼筋和混凝土的應(yīng)變。預(yù)應(yīng)力混凝土梁在混凝土未完全消壓前結(jié)構(gòu)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(yīng)變一致，滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)選取一片預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁，該梁全長(zhǎng)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(nèi)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(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級(jí)。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

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

圖1 應(yīng)變片粘貼實(shí)景

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用3塊預(yù)制的混凝土塊進(jìn)行加載，每塊重20 t，對(duì)稱于跨中進(jìn)行兩支點(diǎn)加載，經(jīng)計(jì)算此試驗(yàn)荷載作用下最不利截面尚有3.36 MPa的壓應(yīng)力，滿足混凝土和鋼筋變形協(xié)調(diào)的要求。試驗(yàn)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(jí)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(yàn)荷載加載示意圖（單位：mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于保護(hù)層厚度和鋼筋位置開洞的影響，鋼筋應(yīng)變片和混凝土應(yīng)變片不在截面的同一高度位置，為消除影響，將構(gòu)件兩側(cè)所有混凝土的應(yīng)變進(jìn)行回歸，得出混凝土應(yīng)變隨截面高度的變化關(guān)系，計(jì)算出對(duì)應(yīng)于鋼筋高度位置的混凝土應(yīng)變，然后將該應(yīng)變和同高度鋼筋應(yīng)變進(jìn)行比較。

分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，箱梁底鋼筋應(yīng)變明顯較箱梁底板混凝土應(yīng)變要大。表2中列出了工況3最大試驗(yàn)荷載作用下箱梁底部鋼筋應(yīng)變和同位置混凝土應(yīng)變。

表2 箱梁下緣同一高度鋼筋與混凝土應(yīng)變一覽表

由表2可知，斷面開口后下緣兩側(cè)同高度處鋼筋應(yīng)變較混凝土應(yīng)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(jié)，而測(cè)試鋼筋應(yīng)變時(shí)對(duì)其保護(hù)層混凝土進(jìn)行了局部鑿除，破壞了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)，兩者之間的變形不一致，所以導(dǎo)致開鑿區(qū)域鋼筋應(yīng)力集中。

4 理論分析

為了驗(yàn)證上述現(xiàn)象，采用通用有限元軟件Ansys建立試驗(yàn)梁實(shí)體模型，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用beam44單元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jì)算梁體完好狀態(tài)下和混凝土局部鑿除狀態(tài)下的梁底鋼筋應(yīng)變，表3為計(jì)算結(jié)果。

表3 試驗(yàn)梁實(shí)體模型梁底鋼筋應(yīng)變比較表

理論計(jì)算結(jié)果表明，梁底普通鋼筋混凝土保護(hù)層局部鑿除后鋼筋應(yīng)變較梁體完好狀態(tài)下的鋼筋應(yīng)變大16.3%～16.4%，這與實(shí)測(cè)的17.1%～20.1%基本相吻合，理論計(jì)算驗(yàn)證了實(shí)測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）混凝土梁梁底鋼筋在保護(hù)層局部開鑿后破壞了混凝土與鋼筋間的粘結(jié)，致使鋼筋應(yīng)變?cè)陂_鑿處應(yīng)力集中，此處鋼筋應(yīng)變不符合平截面假定。試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測(cè)梁底開口處鋼筋應(yīng)變較同高度位置混凝土應(yīng)變大17.1%～20.1%，理論分析值為16.3%～16.4%，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（2）由于梁底保護(hù)層鑿除后鋼筋應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，今后在類似的試驗(yàn)中需要考慮鋼筋和混凝土粘結(jié)力破壞對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

（3）鑒于以上認(rèn)識(shí)，當(dāng)鋼筋銹蝕致使混凝土保護(hù)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(shí)踐中，不僅要考慮鋼筋銹蝕對(duì)承載能力的影響，還需考慮鋼筋和混凝土粘結(jié)破壞對(duì)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(yè)設(shè)計(jì)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(yè)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(gòu)件承載力的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,1996,26(4):17-20.