鋼筋及混凝土強度等級對部分預應力梁靜力抗彎性能影響的試驗研究

肖絢楠 竇遠明

(河北工業大學土木與交通學院,天津 300401)

0 引 言

我國交通行業隨著經濟的發展高速前進,據統計截至2014年底,我國已成為世界上的第二橋梁大國,其中鋼筋混凝土橋梁高達90%以上[1]。由于車輛荷載不斷增加、公路橋梁等相關規范的修訂以及已建橋梁在服役期間的損害等多方面因素迫使許多橋梁面臨改擴建計劃。如大廣高速公路深州至大名段橋梁改擴建工程,以及本文依附的京港澳高速公路(京石段)改擴建工程等。我國學者也開展了一系列相關研究,彭凱和徐基平總結了公路舊橋加寬縱縫拼接技術,以及各種拼接方案的優缺點和適用條件,進一步提出改進措施[2]。張建榮等通過試驗研究給出了混凝土植筋錨固承載力計算公式及建議,為改擴建提供技術支持[3]等。

從國內外改擴建橋梁工程運營情況來看,橋梁改造的理論計算尚有不足之處,還有很多技術問題需要解決,對改擴建工程合理選擇鋼筋混凝土等級的研究也較少。對擴建后的橋梁進行設計時可選擇四種方案:①直接采用與原橋梁設計相同的混凝土與鋼筋;②采用相同鋼筋的基礎上選擇更高強度的混凝土;③采用相同混凝土的基礎上提高所使用鋼筋等級;④同時加強使用的鋼筋與混凝土。對這四種方案試驗梁進行精確細致分析,對其承載力進行重新驗證,研究試驗梁在不同組合下的變形性能,監測裂縫開展情況,撓度隨加載力的變化,實時記錄試驗梁的開裂荷載以及極限承載力并與計算值進行對比。分析比對提高鋼筋或混凝土等級后的橋梁的變化,為今后橋梁設計提供一定的數據支持。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本實驗以京港澳高速公路(京石段)改擴建工程中的16 m標準跨徑預應力混凝土梁為背景。工程梁設計參數如圖1所示。

本次設計中主要依據抗彎能力等效的原則對正截面承載力進行控制,相似模型按1∶5進行縮尺,參考《土木工程結構試驗》[4]根據π定理,有:

g(π1,π2,π3,π4,π5)=0

(1)

π=σa1fa2Pa3la4Ea5Wa6Ia7

(2)

由上述可得5個π數,如表1所示。

根據應力相等,即：

(3)

可推導出試驗梁承載力:

(4)

根據《混凝土結構設計規范》[5]配筋,試件設計如圖2 所示,試驗梁PL1采用與原型梁相同的普通鋼筋HPB300和同等級的混凝土C40。PL2,

圖1 工程梁設計參數圖Fig.1 Engineering beam parameters design

表1π數

Table 1 Number of π

PL3,PL4則根據研究需要替換鋼筋、混凝土。其它材料根據承載力得出試驗梁的設計數據,所有梁均采用先張法,試驗梁配置12號鐵絲Ф2.6@100 的箍筋,梁兩端各500 mm 范圍內加密為Ф2.6@50,混凝土保護層厚度為25 mm。預應力鋼筋采用Ф7光面消除預應力鋼絲,進行張拉時張拉控制應力σcon取為0.6fptk,即σcon=0.6fptk=0.6×1 570=942 MPa,張拉過程中采取1.05σcon超張拉控制預應力松弛引起的預應力損失。四種不同混凝土、鋼筋組合的部分預應力混凝土梁詳見表2。

1.2 試驗梁制作

本批試驗梁于2016年5月在河北省石家莊市長豐構件有限公司場地內制作完成,試驗梁制作基本程序:綁扎鋼筋籠—在跨中及三分點處粘貼鋼筋應變片—支模并張拉預應力筋—粘貼預應力筋應變片—伴制混凝土并澆筑—制備混凝土試塊—蒸汽養護—拆模加自然養護。現場制作圖如圖3所示。

表2試件參數

Table 2 Parameters of specimens

圖2 試件設計Fig.2 Design of experimental with beams

圖3 現場制作梁過程Fig.3 Beams’ production process at the scene

1.3 材料性能

本批試件中共采用兩種強度等級的混凝土,分別為C40、C50。所有原材料均選用均選擇與原型梁近似相同的材料。在進行抗彎試驗前,首先對制作梁時預留的混凝土試塊以及鋼筋進行測試,其結果顯示如表3所示。

表3試驗材料實測值

Table 3 Test materials measured values

1.4 加載方案

本試驗采用三分點加載方式,在三通道電液伺服試驗機上進行,在試驗儀器與試驗梁之間通過一個分配梁分成兩個相等的力加載到試件上,如圖4所示。

圖4 試驗加載圖Fig.4 Test load figure

試驗監測的內容包括三分點及跨中混凝土應變,以及受壓區、受拉區普通鋼筋和預應力鋼筋應變,梁端、三分點及跨中撓度。由采集系統記錄鋼筋與混凝土應變以及試驗梁撓度、人工記錄裂縫變化情況。

加載方式初始階段以1 kN的級差進行加載;在接近0.85倍開裂荷載計算值,采取0.5 kN的級差進行加載;試驗梁出現第一條裂紋后,再改為1 kN的級差進行加載,在接近0.9倍受彎承載力設計值時以0.5 kN進行加載,加載后期以2 mm級差進行位移控制,以獲得準確的極限承載力和最大撓度數據(其中開裂荷載與抗彎承載力設計值見表4)。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果及裂縫分析

四根試驗梁均為彎曲破壞,普通鋼筋屈服然后混凝土被壓碎。開裂前四根試驗梁均在線彈性階段,PL1、PL3在7 kN時出現第一條垂直裂縫,寬度為0.02 mm,PL2、PL4在8 kN時出現第一條垂直裂縫,寬度為0.01 mm。均出現在三分點受壓處。試驗梁隨之進入帶裂縫工作狀態。隨著荷載的增加,裂縫數量不斷增加,已有裂縫不斷擴展,且基本出現在箍筋所在位置。四根試驗梁在0.6Pu以后裂縫基本出齊。隨著荷載的增加,PL1、PL2、PL3、PL4分別在0.78Pu、0.75Pu、0.82Pu、0.83Pu荷載處進入屈服階段。四根試驗梁均在接近極限荷載時,荷載增長緩慢,裂縫發展較快,撓度迅速增大,最終由受壓區混凝土壓碎宣告試驗梁破壞。

2.2 開裂荷載及受彎承載力

試驗梁出現裂縫經過兩個階段:①施加外部荷載至試驗梁截面處于消壓狀態即混凝土拉應力恰好可以抵消混凝土的有效預壓力;②繼續施加試驗力直至試件混凝土拉應力與混凝土軸心抗拉強度標準值ftk相等,試件出現裂縫。此時所施加的荷載即為試件的開裂荷載。部分預應力混凝土梁的開裂荷載Mcr計算采用以下公式[5]:

Mcr=(σpc+γftk)W0

(5)

(6)

NpΙΙ=(σcon-σl)Ap

(7)

σl=σlΙ+σlΙΙ

(8)

式中,σpc為預應力混凝土中所建立的“有效預壓應力”;σl5為普通鋼筋由于混凝土收縮、徐變引起的應力;NpΙΙ完成全部損失后預應力筋的總預拉力;A0構件換算截面面積;Ap預應力筋截面面積;As為受拉區普通鋼筋截面面積;ftk為混凝土抗拉強度標準值;γ為混凝土構件截面抵抗矩塑性影響系數;W0為換算截面受拉邊緣彈性抵抗矩;σlΙ為混凝土預壓前(第一批)的損失;σlΙΙ為混凝土預壓前(第一批)的損失。

本試驗中預應力混凝土梁的受彎承載力Fu計算依據相關規范公式計算[5]。開裂荷載及抗彎承載力結果見表4。

表4試驗梁計算與試驗結果

Table 4 The values from calculation and experiment

注:表中上標t表示實測值,上標c表示計算值,下標cr表示開裂,下標u表示極限

開裂荷載計算值與試驗值比值的均值為1.19,規范簡化公式的計算有一定的離散型[6],因此結果存在一定偏差,但試驗結果表明:在同等配筋率下,開裂荷載主要受混凝土強度影響,受普通鋼筋影響很小。這是由于開裂荷載只需抵消受壓邊緣混凝土的預壓應力和混凝土的抗拉強度,而普通鋼筋在其中發揮的作用較少。

結果顯示提高混凝土等級使承載力計算值提高2.7%,試驗值提高4.5%;普通鋼筋等級的提高使承載力計算值提高4.17%,試驗值提高7.91%;同時提高鋼筋等級與混凝土等級使承載力計算值提高7.22%,試驗值提高12.25%。承載力試驗值與計算值比值約為0.99,可見試驗值與計算值符合較好,詳見表5。

表5承載力試驗結果分析

Table 5 Analysis of bearing capacity test results

注:表中上標t表示實測值,上標c表示計算值,下標u表示極限,下標*表示2,3,4

2.3 荷載與跨中撓度分析

荷載-撓度曲線可以反映出試驗梁的受力性能,如圖5所示。曲線圖能明確顯示四根試驗梁的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載,三種荷載下試驗梁撓度數據如表6所示。

圖5 荷載-跨中撓度曲線Fig.5 The load-span deflection curve

適筋梁正截面受彎全過程分為三個階段,受力至混凝土開裂階段,帶裂縫工作至梁屈服階段和鋼筋混凝土梁屈服至梁破壞階段。四根試驗梁在第一階段荷載-撓度曲線基本重合,撓度不受鋼筋混凝土等級的影響。繼續施加荷載,撓度變化不明顯,斜率基本為定值。隨著荷載的增大,混凝土等級為C40的PL1、PL3試驗梁先開裂,混凝土為C50的PL2、PL4試驗梁后開裂,出現裂縫后,曲線的斜率逐漸變小,直至梁屈服。鋼筋為HPB300的PL1、PL2試驗梁先后屈服,鋼筋為HRB400試驗梁PL3、PL4逐漸屈服,最后試驗梁均發生受壓區混凝土被壓碎宣告破壞。

表6三種荷載下撓度值

Table 6 Deflection value under three loads

注:下標y表示屈服,下標u表示極限,下標cr表示開裂,F表示荷載,f表示撓度

由荷載-跨中撓度曲線可知,提高混凝土等級可提高試驗梁的開裂荷載值,鋼筋等級的提高可有效增大試驗梁的屈服荷載,對于部分預應力混凝土的承載力而言,預應力鋼筋發揮主要作用,但普通鋼筋與混凝土等級也會對其有一定的影響。對于改擴建工程中合理選擇鋼筋與混凝土具有實際指導意義。

2.4 試驗梁延性、剛度分析

分析梁的延性與剛度有助于我們更好地了解其工作性能。

延性系數(fu/fy)[7-9]代表了試驗梁相對極限變形的能力,系數越大變形能力越強,延性性能越好,試驗結果見表7。

表7試驗梁延性參數

Table 7 The ductility parameters of experimental beams

注:下標y表示屈服,下標u表示極限,f表示撓度。

由表7得出,這批試驗梁均具有良好的延性性能,雖由表7中最后一列數據表明效果并不明顯,相對差最大只有 2.47%,這種程度的差異甚至有可能是由于測量誤差所致。由此得出:混凝土強度以及鋼筋屈服強度對延性的影響并不明顯。

剛度表示梁抵抗彎曲變形的能力,鋼筋混凝土為非勻質彈性材料,剛度不是一個定值[10-11]。試驗梁受彎試驗過程是一個短暫的過程,在加載過程中,每一級加載時的梁的剛度可看作是一個定值。由材料力學公式求得:

(9)

其中,S屬于與荷載形式以及支撐條件相關的撓度系數。

由l0=2.9 m,利用圖乘法求得S=0.065 8。

(10)

(11)

結果顯示,混凝土等級為C40的試驗梁PL1,PL3在混凝土開裂前的剛度大于混凝土等級為C50的試驗梁PL2,PL4,混凝土對梁的剛度的作用,隨著混凝土的開裂逐漸退出工作,鋼筋發揮作用的比重相對增加。如試驗梁PL2,PL3曲線,前期混凝土作用較大,后期鋼筋發揮作用,故兩條荷載-剛度曲線有交叉。試驗結果顯示試驗梁剛度隨荷載變化的曲線分三階段,混凝土開裂前剛度變化較小,約有10%的下降,混凝土開裂后剛度顯著下降,直到普通鋼筋開始屈服,試驗后期試驗梁的剛度隨著普通鋼筋的屈服加速降低如圖6所示。

圖6 剛度-荷載曲線Fig.6 The stiffness-load curve

混凝土開裂前,剛度與混凝土的強度等級有關,開裂后剛度主要受鋼筋的影響。這是由于混凝土開裂,鋼筋與混凝土之間粘結力降低,協同工作性能降低。剛度隨著試驗梁的屈服迅速減小,直至試件破壞。

3 結 論

本文對提高普通鋼筋(HPB300,HRB400)等級、混凝土(C40,C50)等級的四根PPC梁進行的抗彎試驗研究,通過分析梁的破壞形態,極限承載力的計算值與試驗值、剛度、延性等得出結論如下:

(1) 同時提高鋼筋和混凝土等級的試驗梁承載力提高12.25%;只提高普通鋼筋等級的試驗梁承載力提高7.91%,只提高混凝土等級試驗梁承載力提高4.5%。雖然同時提高鋼筋混凝土等級可以有更好的承載力,但對于實際工程可能造價太大,而提高鋼筋等級對承載力的提高比提高混凝土等級效果更好,所以對經常承受靜力荷載作用環境時可選擇只提高普通鋼筋等級。

(2) 試驗梁均具有良好的延性性能,試驗結果表明,混凝土強度以及鋼筋屈服強度對延性的影響并不明顯。

(3) 試驗梁剛度符合三階段規律,混凝土開裂前剛度變化較小,混凝土開裂后剛度顯著下降,直到普通鋼筋開始屈服,后期試驗梁的剛度隨著普通鋼筋的屈服加速降低。且混凝土等級提高,前期剛度增大,鋼筋等級提高,后期剛度降低速率減小。

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