部分預應力活性粉末混凝土梁的疲勞性能試驗研究

王 蕊 吳曉明

(桂林理工大學勘察設計研究院，廣西桂林 541004)

近年來，預應力梁在實際工程中的使用逐漸普及，尤其是在橋梁工程中應用極為廣泛，但隨著交通流量的與日俱增，荷載極限也大大增加。為了提高結構的疲勞性能和保障其安全性，對主要承受重復動荷載的橋梁等結構常采用高強高效的預應力技術，部分預應力活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete，簡稱為RPC)構件受彎疲勞性能研究和設計理論尚處于研究的起步階段，本文對部分預應力RPC梁進行了疲勞試驗分析研究，為該方面的理論研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 RPC 材料配比

活性粉末混凝土配比詳見表1。

表1 RPC試驗配合比

1.2 RPC 強度取值

通過對RPC進行立方體抗壓強度試驗，測得其強度標準值fcu，k=160 N/mm2;故該梁的設計強度等級取C160。據《混凝土結構設計規范》混凝土受壓疲勞強度修正系數γp=0.68，故混凝土軸心抗壓疲勞強度標準值混凝土受拉疲勞強度修正系數γp=0.63，故混凝土軸心抗拉疲勞強度標準值

1.3 RPC試驗梁設計

RPC試驗梁長為3 000 mm，為防止錨固破壞，支座兩邊各留出150 mm，截面為矩形截面，詳見圖1。非預應力受力鋼筋采用HRB400級鋼筋;預應力筋選用φs15.24(1×7)預應力鋼絞線，梁設計參數見表2。

1.4 試驗梁加載方案

圖1 RPC梁示意圖

表2 試驗梁設計參數

疲勞試驗采用PMS-50型數顯式脈動疲勞試驗機進行加載。疲勞荷載上限取為恒載與活載之和為60 kN，疲勞荷載下限取梁消壓荷載為22 kN。整個試驗過程包括兩個部分:

1)預裂加載。預裂加載采用靜載的形式，如圖2所示。靜載分級加載直至疲勞荷載下限，再采取每1 kN級分級加載，以確定梁的開裂荷載，加載時每加載一級停留3 min，用以測量裂縫的寬度，采集相應應變和撓度值，直至梁主裂縫寬度達到0.1 mm時停止加載。2)疲勞加載。預裂加載完成后以4 Hz的頻率進行等幅疲勞加載。每加載50萬次(50萬次、100萬次、150萬次、200萬次)停止進行靜力加載。靜力加載以5 kN級進行分級加載直至疲勞荷載上限值，然后以同樣的級別進行分級卸載至疲勞荷載下限值，再卸載至0。靜力加載后繼續進行疲勞加載，整個過程加載、卸載、疲勞加載直至進行疲勞加載200萬次或梁破壞。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及分析

試驗梁L-1，L-2在加載200萬次后發生破壞，L-3在經歷200萬次疲勞加載后未發生破壞。在預裂加載階段，當荷載達到25 kN時L-1出現第一條裂縫，繼續加載到43 kN時裂縫寬度達到0.1 mm;荷載達到26 kN時L-2出現第一條裂縫，繼續加載到45 kN時裂縫寬度達到0.1 mm;L-3在荷載為29 kN時出現第一條裂縫，當荷載達到51 kN時裂縫寬度達到0.1 mm，梁裂縫主要集中在純彎段靠近跨中處。L-1在經歷77萬次疲勞加載后裂縫擴大速度加快，梁撓度增大較快，當加載到130萬次時出現斜裂縫，隨著疲勞荷載的進行斜裂縫迅速擴張，加載到145萬次時，梁宣告破壞;L-2在疲勞荷載加載到146萬次時出現斜裂縫，裂縫擴展速度相比L-1稍慢，當加載到160萬次時，L-2宣告破壞。L-3在經歷200萬次疲勞加載后裂縫和撓度都有所增加，未出現斜裂縫，主裂縫寬度達到2.5 mm，撓度達到23 mm。整個疲勞破壞過程大致分為3個階段:1)裂縫衍生階段。在疲勞加載初期(0萬次～62萬次)隨著疲勞荷載次數的增加，L-1不斷有新的裂縫產生，裂縫寬度和高度也有所增加，同時混凝土和鋼筋的應變也隨之增大，梁的剛度減小，撓度增加。導致這些情況發生的原因是由于活性粉末混凝土內部微裂縫的產生和擴展，所以此階段稱之為裂縫衍生階段。2)疲勞穩定階段。隨著疲勞荷載次數的增加(62萬次到斜裂縫出現前)，梁裂縫寬度和高度都有一定的增加，跨中撓度達到15 mm，活性粉末混凝土和鋼筋應變增量不大，梁的剛度退化特征不明顯，混凝土中微裂縫的擴展較小，整個梁的疲勞破壞處于一種相對穩定的階段。3)疲勞破壞階段。L-1，L-2經過疲勞穩定階段后開始出現斜裂縫，并且隨著斜裂縫的迅速擴展非預應力筋應力增大，隨之達到屈服，剛度退化明顯，跨中撓度急劇增加，整個梁宣告破壞。

圖2 試驗梁靜力加載方案

2.2 試驗結果分析

1)跨中撓度分析。根據實測得出梁的荷載—跨中撓度曲線見圖3，從圖3中可以看出:a.在相同疲勞加載次數下，如圖3所示，在達到消壓荷載以前L-1，L-2，L-3荷載—跨中撓度曲線有一定的重合度，表明在消壓荷載以前預應力度對梁的剛度影響較小，當荷載增大到一定程度以后，相同荷載下梁的跨中撓度隨著預應力度的提高而減小，說明梁的疲勞剛度隨著預應力度的增大而增大，并且增大的幅度隨著疲勞次數的增加而降低。b.從圖3可以看出，部分預應力筋RPC梁的荷載—撓度曲線基本保持線性，在整個疲勞加載前一段過程中梁荷載—撓度曲線斜率變化不大，隨著荷載和疲勞加載次數的增加，梁的裂縫寬度增大，梁疲勞剛度退化，梁撓度增加。

2)裂縫寬度。梁試件最大裂縫寬度隨循環疲勞加載次數比(循環疲勞加載次數N與疲勞壽命Nf的比值)的發展情況見圖4。L-1在循環加載130萬次時出現斜裂縫，當達到134萬次時斜裂縫寬度達到0.23 mm，繼續加載到斜裂縫寬度達到1.21 mm，隨之斜裂縫寬度急劇增加，在達到145萬次疲勞加載后梁破壞。L-2在循環加載158萬次時斜裂縫寬度達到0.86 mm，為循環加載151萬次時裂縫寬度的3倍，隨著循環荷載次數的增加裂縫不斷擴展，當循環加載到160萬次時斜裂縫寬度達到2.47 mm梁破壞。L-3在疲勞加載200萬次時未出現斜裂縫。由圖4可知預應力度對RPC梁的疲勞性能有一定的影響，預應力度的增加有利于緩和梁的疲勞破壞，對梁斜裂縫的發展具有一定的抑制作用。

圖3 梁荷載—跨中撓度曲線圖

圖4 梁最大斜裂縫寬度圖

3 結語

1)對于RPC的抗壓、抗拉強度的取值，由于還沒有現行規范，參考普通混凝土結構設計規范具有一定的保守性;2)試驗梁的疲勞破壞過程大致分為裂縫衍生階段、疲勞穩定階段、疲勞破壞階段等3個階段，梁疲勞破壞過程伴隨有裂縫的擴展，梁剛度、撓度的增加以及混凝土壓碎等破壞形態，破壞過程中隨著預應力度的增大，梁的裂縫寬度和撓度等都有所減小，能承受的疲勞加載次數也有所增加;3)梁的疲勞剛度隨著預應力度的增大而增大，并且增大的幅度隨著疲勞次數的增加而降低;4)預應力度的增加有利于緩和梁的疲勞破壞，對梁斜裂縫的發展具有一定的抑制作用。

［1］余自若.活性粉末混凝土疲勞性能及其構件疲勞驗算方法研究［D］.北京：北京交通大學博士學位論文，2006.

［2］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［3］JGJ/T 92-93，無粘結預應力混凝土結構技術規程［S］.