不同強度試件剪切破壞過程的演變分析

林永剛，雷 明，沈 鑫

(中電建路橋集團有限公司，北京 100160)

1 概述

鋼筋混凝土結構由于混凝土開裂和鋼筋的銹蝕作用，結構已經處于損傷狀態，而且本身存在許多的微裂縫和空隙，在荷載作用下這些微裂縫和空隙可能會進一步發展而產生損傷，致使工程結構產生破壞。關于混凝土裂縫面的剪力傳遞問題前人做了大量的研究[1-8]，得到了影響混凝土剪切面剪力傳遞性能的重要因素：骨料的粒徑大小、裂縫的寬度、混凝土的強度、配筋率、剪切加載形式以及配筋形式等。這些研究主要集中在兩個方面，一是骨料之間的咬合作用，另一個則是鋼筋的銷栓作用。

混凝土結構出現裂縫是結構發生病變直觀的體現，研究外力對不同強度的混凝土結構的抗剪性能，以及混凝土結構在正常使用中存在的問題，對正確評價混凝土結構的可靠性和安全性具有重要的理論意義和使用價值。

2 試驗概況

2.1 試件設計

為了消除鋼筋的銷栓作用，澆筑混凝土試件前，把鋼筋放在塑料管中然后進行澆筑。試驗所用的鋼筋材料為HRB400級帶肋鋼筋，直徑是16 mm，性能指標見表1。試驗所用的塑料管選用PVC套管，尺寸為25 mm(外徑)×280 mm(長)。為研究不同強度試件下剪切破壞過程的演變，設計了兩組試件，A組試件的混凝土強度為C25，B組試件的混凝土強度為C50，其余條件相同。兩組混凝土配合比見表2。試驗用水為普通的自來水；水泥選用北京金隅集團股份有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥；砂子密度為2 560 kg/m3，含粉率為4.5%，細度模數為2.7；粗骨料粒徑為5 mm～20 mm，密度為2 850 kg/m3，含粉率為0.8%。A組試件和B組試件混凝土實測28 d立方體抗壓強度分別為27.3 MPa和53.5 MPa。

表1 鋼筋性能指標

表2 混凝土配合比

試件的設計試件尺寸及截面如圖1所示，試件尺寸長×寬×高為600 mm×150 mm×270 mm，布置兩根鋼筋，PVC套管包裹鋼筋，試件上下方V型槽進行預制裂縫。由于試件尺寸不是標準試件，需要自制試件模具，選用木材模具，如圖2所示。A組試件編號為A-1，A-2，A-3，B組試件編號為B-1，B-2，B-3。

2.2 剪切加載試驗方法

加載過程：采用荷載控制加載速度的方式，加載速度為10 kN/min，按照75 kN,100 kN,120 kN,100 kN,50 kN,0 kN梯度施加荷載。預制裂縫加載裝置如圖3所示。為了采集試件試驗過程相對剪切位移，在試件下方的V型槽口兩側分別固定位移計。試驗機為YAW-3000壓力試驗機；位移計數據采集儀為DH3816N靜態應變測試系統。

2.3 剪切加載數據采集方法

數字散斑相關方法是發展起來的光學測量新方法。它具有光路簡單、測量系統簡單、容易操作、精度高、數字化程度高、適用測試的范圍廣、測量環境要求低等優點。數字散斑相關方法的基本原理是通過計算機軟件處理被測對象變形前和變形后的散斑圖像得到物體的變化量。如圖4所示，在變形前的區域內選取一個矩形區域，利用矩形區域的散斑灰度信息，在變形后的區域內找到其相對應的位置，從而就能獲得矩形區域變化情況。經過處理后，可以得到該區域的位移和應變數值。

3 試驗結果與分析

剪切加載試驗中，通過滑動變形判斷裂縫生成發展的情況。試件中的骨料之間的咬合作用是阻礙裂縫發展的主要因素。試件出現裂縫面時，裂縫面兩側出現高低不平的凸凹部分，在剪力作用下，裂縫兩側出現相對剪切滑移，骨料之間相互擠壓從而產生咬合力和摩擦力。以試驗中最初未加載時刻的試件表面散斑變形場云圖圖像作為基礎參考圖像，通過每個加載梯度階段拍攝散斑圖像與基礎參考圖像對比，運用數字散斑技術方法分析得到每個階段的變形場云圖。

3.1 數字散斑技術采集結果分析

3.1.1 不同荷載下裂縫演變分析

通過分析不同荷載下試件的變形場，可以了解到裂縫的演變規律。以A-1試件的六種荷載情況的變形場演變云圖為例進行分析裂縫演變過程。不同荷載下試件表面變形量如表3所示，試件A-1變形場演化云圖如圖5所示。

表3 不同荷載下試件表面變形量

1)對試件施加到75 kN的荷載，變形場演變云圖可以看到淺淺的陰影，變化不明顯，變形量大約為0.002 8 mm。此刻試件表面的裂縫演變處于生成階段，如圖5(a)所示。

2)對試件施加到100 kN的荷載，變形場演變云圖可以看到明顯的上下綠色的貫通線條，變化比較明顯，變形量約為0.036 8 mm。試件表面出現了明顯的裂縫，此刻試件表面的裂縫演變處于發展階段，如圖5(b)所示。

3)對試件施加到120 kN的荷載，變形場演變云圖可以看到綠色的貫通線條中泛紅，變化比較明顯，變形量約為0.043 4 mm。試件表面出現了明顯的裂縫，此刻試件表面的裂縫演變處于成熟階段，如圖5(c)所示。

4)對試件卸載到100 kN，變形場演變云圖可以看到綠色的貫通線條中泛紅區域變化不明顯，變形量約0.042 4 mm。試件表面出現了明顯的裂縫，裂縫收縮量較小，部分變形未能復原，如圖5(d)所示。

5)對試件卸載到50 kN，變形場演變云圖可以看到綠色的貫通線條中泛紅區域依然存在，變形量約為0.036 8 mm。試件表面出現了明顯的裂縫，裂縫收縮量較小，部分區域產生了塑性變形，復原能力弱，如圖5(e)所示。

6)對試件卸載到0 kN，變形場演變云圖可以看到綠色的貫通線條中泛紅區域消失，綠色的貫通線條依然存在，變形量約為0.027 3 mm。試件表面裂縫依然存在，裂縫收縮量較大，但是部分區域產生塑性變形，如圖5(f)所示。

試件在75 kN的荷載之前處于彈性階段，變形場均勻增加，試件內部剪切滑移變形均勻；在100 kN處于彈塑性階段，變形場迅速增加，試件內部剪切滑移變形明顯，試件表面出現細小的裂縫；在120 kN處于塑性階段，變形場迅速增加，試件內部剪切滑移變形變大，試件表面出現的裂縫較明顯；卸載到100 kN，變形場改變較小，試件內部剪切滑移變形未明顯恢復；卸載到50 kN，變形場改變，試件內部剪切滑移變形恢復不明顯；卸載到0 kN，變形場改變，試件內部剪切滑移彈性變形恢復，而剪切滑移塑性變形未能恢復。

3.1.2 不同混凝土強度下裂縫演變分析

為了對比不同混凝土強度下裂縫的情況，選取試件表面剛出現變形的時刻、荷載最大的時刻和完全卸載時刻進行分析。B組試件在75 kN荷載下，變形場演化云圖無明顯變化，選取100 kN荷載下的為表面剛出現變形的時刻。不同混凝土強度下試件表面變形量如表4所示，試件的變形場演化云圖如圖6～圖11所示。A組試件結果，75 kN,100 kN,120 kN和0 kN變形量平均值分別為0.002 7 mm,0.039 1 mm,0.050 0 mm和0.026 8 mm；B組試件結果，75 kN,100 kN,120 kN和0 kN變形量平均值分別為0.000 0 mm,0.001 5 mm,0.036 3 mm和0.013 0 mm。試件表面剛出現變形的時刻，A組和B組施加的荷載為75 kN和100 kN，B組試件抗彈性變形能力是A組的1.33倍；荷載施加到120 kN時刻，A組試件變形量平均值為0.050 0 mm；B組試件變形量平均值為0.036 3 mm，B組試件變形量比A組小27.4%；完全卸載時刻，A組試件變形量平均值為0.026 8 mm；B組試件變形量平均值為0.013 0 mm，B組試件塑性變形量比A組小51.5%。

表4 不同混凝土強度下試件表面變形量

試件的強度越高抗剪切能力越強，B組試件的強度是A組試件的1.96倍，抗彈性變形能力是A組的1.33倍，塑性變形量比A組小51.5%，可見混凝土的強度主要影響塑性變形量。

3.2 位移計采集結果分析

位移計采集的試驗結果如表5所示，A組試件結果為75 kN,100 kN,120 kN和0 kN變形量平均值分別為0.007 4 mm,0.085 5 mm,0.111 6 mm和0.064 1 mm。B組試件結果為75 kN,100 kN,120 kN和0 kN變形量平均值分別為0.004 3 mm,0.009 3 mm,0.079 9 mm和0.025 4 mm。75 kN時刻，A組試件和B組試件變形量平均值為0.007 4 mm和0.004 3 mm，此時B組試件也產生了變形，對比數字散斑技術采集結果，位移計采集的試驗結果較大；100 kN時刻，A組試件和B組試件變形量平均值為0.085 5 mm和0.009 3 mm，A組試件的變形量是B組試件的9.2倍，此時A組試件發生了塑性形變，變形量大，而B組試件仍處于彈性變形，變形量小；120 kN時刻，A組 試件和B組試件變形量平均值為0.111 6 mm和0.079 9 mm，A組試件的變形量是B組試件的1.4倍，此時A組試件和B組試件都處于塑性形變；完全卸載時刻，A組試件和B組試件變形量平均值為0.064 1 mm和0.025 4 mm，A組試件的變形量是B組試件的2.5倍，A組試件的塑性變形量大。對比數字散斑技術采集結果，位移計采集的試驗結果都較大，主要原因是數字散斑技術采集的是裂縫區域的局部變形，而位移計采集的是試件整體變形。

表5 位移計采集的試驗結果

4 結論

通過分析數字散斑技術和位移計采集到的不同強度下試件的剪切破壞結果，得出如下結論。試件表面的裂縫演變經過生成階段、發展階段和成熟階段，分別對應彈性變形、彈塑性變形和塑性變形。彈性階段，變形場均勻增加，試件內部剪切滑移變形均勻；彈塑性階段，變形場迅速增加，試件內部剪切滑移變形明顯；塑性階段，變形場迅速增加，試件內部剪切滑移變形變大；達到塑性變形后完全卸載，試件內部剪切滑移彈性變形恢復，塑性變形未能恢復。B組試件的強度是A組試件的1.96倍，抗彈性變形能力是A組的1.33倍，塑性變形量比A組小51.5%，剪切破壞過程中，混凝土的強度主要影響塑性變形量。對比數字散斑技術采集結果，位移計采集的試驗結果都較大，主要原因是數字散斑技術采集的是裂縫區域的局部變形，而位移計采集的是試件整體變形。