緩粘結預應力混凝土框架梁力學性能試驗研究*

徐建設，許瑜麟，馬柯佳，楊發隆，郭潤開

(1.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；2.上海市工程建設咨詢監理有限公司，上海 200433)

0 引言

傳統的預應力構件可分為有粘結預應力混凝土(bonded pre-stressed concrete，BPC)構件和無粘結預應力混凝土(unbonded pre-stressed concrete，UPC)構件[1]，在實際工程應用中發現，BPC構件前期施工工序較復雜，易出現灌漿不密實等問題，UPC抗震性能等存在一定問題。國內外學者通過不斷探索與試驗，研發了新型預應力混凝土體系——緩粘結預應力混凝土(retard-bonded pre-stressed concrete，RPC)[2-4]體系。

目前，國內學者對RPC構件受力性能進行了研究，包括構件破壞過程、破壞模式、裂縫發展情況、極限承載力等。熊學玉等[5]對3根RPC梁進行了靜載試驗研究，并與1根BPC梁進行了對比，試驗結果表明，所有試驗梁均表現為非預應力鋼筋屈服后混凝土被壓碎的適筋破壞，卸載后均表現出良好的變形恢復性能。RPC梁抗裂性能和極限承載力與BPC梁相近，甚至略優于后者，具有良好的使用性能。受試驗條件限制，多對RPC簡支梁進行縮尺模型試驗研究[6-10]，而實際結構中多以RPC框架梁的形式出現，其受力機理存在差異。

為進一步了解基于實際工程的大跨足尺RPC梁受力性能，對設有緩粘結預應力鋼絞線和有粘結預應力鋼絞線的自平衡反力框架梁進行靜載試驗，對比RPC梁與BPC梁在豎向荷載作用下的受力特性和破壞模式，為RPC結構大量應用于實際工程提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計制作了1榀預應力混凝土自平衡矩形反力框架梁試件，由1根RPC梁和1根BPC梁通過2根UPC柱(拉桿)進行連接。試件垂直放置，下部與墩臺脫開，以保證在受力平面內自由變形。試件總長12m，高3m。UPC柱軸線間距11.2m，凈高1.6m。試件縱筋混凝土保護層厚度為30mm，幾何尺寸及配筋如圖1所示。

預應力鋼絞線張拉時，考慮試件設計特殊性，重力對RPC梁與BPC梁作用不同，BPC梁張拉時，其重力方向與預應力鋼絞線平衡荷載方向均向下。為避免BPC梁張拉過程中開裂，并保證與RPC梁初始參數一致，有粘結預應力鋼絞線張拉控制應力取0.5fptk(fptk預應力鋼筋抗拉強度標準值)，單根張拉力為651kN；緩粘結預應力鋼絞線張拉控制應力取0.7fptk，單根張拉力為390.6kN[11-12]。

1.2 加載裝置與加載制度

本試驗采用兩點集中對稱同步分級加載的方式，試驗裝置如圖2所示。上、下梁加載點處混凝土澆筑前預埋400mm×400mm×20mm(長×寬×厚)鋼板，加載設備采用2臺250t油壓千斤頂，千斤頂下部布置1段H250×250×9×14，其端部加焊300mm×300mm×30mm(長×寬×厚)鋼板。試件自身形成自平衡反力框架結構，豎向荷載由UPC柱平衡，彎矩由框架梁和UPC柱共同承擔。

試驗開始前對試件進行預加載，檢查支座是否平穩，儀表及加載設備是否正常[13]。正式加載采用力控制加載方式，2臺千斤頂同時加載，荷載施加以試驗梁純彎段計算控制彎矩為依據，每級荷載持荷10min，荷載穩定后采集數據。第1級施加60kN的荷載，然后每級荷載增量為30kN(如果裂縫發展緩慢則加大增量，如果裂縫發展較快則減小增量)，加載至700kN時每級荷載增量為10kN，當荷載作用下降至極限荷載的85%、大量受壓區混凝土壓碎剝落或受拉鋼筋拉斷時，結束加載。

圖1 試件幾何尺寸及配筋

圖2 試驗裝置

每級荷載施加穩定后,記錄荷載、位移、應變數據，并觀察裂縫開展情況。本研究涉及的加載荷載值除特別說明外，均不包括試驗梁及加載設備自重[14]。

1.3 測點布置

1.3.1混凝土應變測點

試驗梁混凝土應變片采用BX120-100AA型電阻應變片，基底尺寸為108mm×6mm(長×寬)，敏感柵尺寸為100mm×3mm(長×寬)。在每根試驗梁內表面跨中布置2個應變片，距跨中1 500mm處各布置1個應變片，外表面應變片布置同內表面；在每根試驗梁內、外表面兩端距支座900mm處分別布置1個應變片；在試驗梁跨中正立面布置3個應變片，如圖3所示。由于混凝土應變片直接暴露在外部環境中，為確保不受潮，在其表面涂抹卡夫特705透明RTV硅橡膠，引出線盡量全部包裹在硅橡膠內。

圖3 混凝土應變片布置

1.3.2鋼筋應變測點

試驗梁緩粘結預應力鋼絞線應變片采用BX120-1AA型電阻應變片，基底尺寸為5.0mm×2.5mm(長×寬)，敏感柵尺寸為1.0mm×1.0mm(長×寬)。應變片布置在距支座200mm處鋼絞線上表面,所有應變片布置方向與其所在鋼絞線邊絲走向一致，如圖4a所示。

圖4 預應力鋼絞線及普通鋼筋應變片布置

普通鋼筋應變片采用BX120-5AA型電阻應變片，基底尺寸為8.5mm×2.8mm(長×寬)，敏感柵尺寸為5.0mm×3.0mm(長×寬)。考慮受力特點，在靠近鋼筋內、外表面均布置應變片,以測量試驗梁在靜力荷載作用下普通鋼筋總應變及殘余應變，如圖4b所示。

1.3.3鋼筋應變片防護

1)普通鋼筋應變片防護 為確保應變片防護得當，具體做法如下：①將環氧樹脂與聚酰胺按2∶1進行配制；②將配好的混合劑均勻涂抹在紗布上；③用紗布一層一層地將貼有應變片的區域纏緊，此時混合劑會從中滲出，表面呈光滑狀；④待混合劑固化后用絕緣膠帶螺旋纏緊，如圖5所示。

圖5 應變片防護處理

2)緩粘結預應力鋼絞線應變片防護 由于緩粘結預應力鋼絞線后期張拉會發生移動和轉動，因此，緩粘結預應力鋼絞線應變片不能簡單地采用普通鋼筋應變片防護方法。本研究選用橡膠圈進行防護，利用其支護特性，使應變片與橡膠圈形成空囊，在張拉過程中不影響應變片隨鋼絞線的移動。具體操作方法如下：①切割合適尺寸的半圓形橡膠圈，在適當位置打孔，以便引出應變片導線；②在橡膠圈四周涂抹AB膠，覆蓋在應變片上方，從孔中引出應變片導線，并在橡膠圈內預留足夠長度；③再次利用AB膠將橡膠圈固定；④使用絕緣膠帶螺旋纏緊，如圖6所示。

圖6 緩粘結預應力鋼絞線應變片防護處理

1.4 撓度測量

在試驗梁支座、跨中、加載點處布設位移計(見圖7)，除跨中選用YHD-200型位移計外，其余均為YHD-100型位移計，該布置方式可較全面和準確地測量試驗梁撓度變化。

圖7 位移計布置

2 試驗現象與分析

2.1 裂縫發展

圖8所示為BPC，RPC梁在880，1 220，1 400kN荷載作用下及梁柱交界處在700kN荷載作用下的裂縫發展情況。同級荷載作用下，BPC梁裂縫少而長，較稀松，發展迅速；RPC梁裂縫多而短，較密集，發展較均勻。相對而言，RPC梁表現出良好的裂縫分布形式，較理想。梁柱交界處裂縫主要以斜裂縫為主，由UPC柱內力與預應力局壓共同作用引起。BPC，RPC梁梁端上部均存在斜裂縫，RPC梁數量較少，為梁體非純彎段受彎剪作用引起，梁柱接縫處存在沿接縫的垂直裂縫。卸載后，RPC梁大部分裂縫閉合，表明試件具有良好的彈性恢復能力，且抗裂性能與同試驗條件下的BPC梁相當。

圖8 試驗梁裂縫分布情況

根據試驗梁裂縫分布情況，著重記錄了16條裂縫在不同荷載作用下的寬度。經統計得到BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度隨荷載變化情況，如圖9所示。由圖9可知，隨著荷載的增加，BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度均逐漸增大，初期增幅較小，后期增幅較大，且BPC梁平均裂縫寬度增大速率較快，使加載后期剛度退化較明顯，抗裂性能較差。

圖9 試驗梁荷載-裂縫寬度曲線

2.2 破壞模式

試驗梁開裂后，隨著荷載的增大，裂縫數量持續增加，由受拉區向受壓區擴展，直至受拉區混凝土破壞退出工作，此時荷載主要由受拉區緩粘結預應力鋼絞線、普通鋼筋承擔。試件進入破壞狀態時，受壓區混凝土仍可承擔部分工作。

隨著荷載的持續增加，試驗梁經歷較大的塑性變形，裂縫激增。但在試驗加載最后階段，由于油泵油壓表不易控制，使2個千斤頂頂升不完全同步，當加載至1 000kN以上，伴有“嘭”的巨響，BPC梁發生破壞，破壞位置位于跨中附近，靠近右側加載點上方，現場實拍梁體破壞及開裂情況如圖10，11所示，破壞處混凝土被破碎，受拉鋼筋屈服，截面出現輕微轉角。破壞時測得BPC梁撓度為124.21mm，RPC梁撓度為94.40mm，分別為跨度的1/100，1/125。RPC梁未破壞，卸載后變形基本可以全部恢復。

圖10 BPC梁現場破壞

圖11 BPC梁柱交界處裂縫形態

圖12 試驗梁荷載-跨中位移曲線

2.3 荷載-跨中位移曲線

BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線如圖12所示，需注意，縱坐標為2個加載點的合力值。圖12反映了試驗梁由初期加載到破壞的受力變形全過程，可大致分為以下階段。

1)混凝土未開裂階段 該階段為加載初期，荷載較小，跨中位移隨荷載的增大呈線性增大，表明試件處于彈性工作階段。BPC梁荷載達210.35kN，RPC梁荷載達217.63kN(實測開裂荷載值)時，混凝土開裂，曲線出現第1個拐點，此前BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線近乎重合，此時緩粘結預應力鋼絞線及普通鋼筋與混凝土協同工作，截面剛度基本一致。

2)裂縫開展階段 該階段受拉區混凝土裂縫數量隨荷載增大逐漸增多，裂縫寬度逐漸增大，受拉區混凝土逐漸退出工作，此時拉力主要由受拉區縱向緩粘結預應力鋼絞線及普通鋼筋承擔，跨中位移呈非線性增大，曲率變小，出現第2個拐點。在相同荷載條件下，RPC梁跨中撓度小于BPC梁，RPC梁剛度略大于BPC梁，RPC梁表現出良好的變形性能。

3)鋼筋屈服至破壞階段 隨著裂縫發展的穩定，荷載緩慢增大，荷載-跨中位移曲線迅速偏向位移軸。縱向鋼筋屈服后，鋼筋承受的總拉力基本維持穩定，跨中位移顯著增加，裂縫迅速擴展，裂縫寬度大幅度增大，受拉區混凝土退出工作。當荷載加至1 400kN左右時，荷載-跨中位移曲線幾乎水平，跨中位移短暫增加，隨即受壓區混凝土被壓碎，截面破壞。此階段BPC，RPC梁剛度退化顯著，RPC梁荷載-跨中位移曲線始終在BPC梁之上，但二者差距較小。

整體來看，BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線形態相似，但RPC梁剛度、抗裂性能及承載力略大于BPC梁。現場試驗中，RPC梁未發生脆斷，表現出較好的彈性恢復性能，卸載后裂縫閉合較好。

2.4 普通鋼筋荷載-應變曲線

BPC，RPC梁普通鋼筋荷載-應變曲線如圖13所示，根據圖13可將普通鋼筋受力變形分為以下階段。

圖13 普通鋼筋荷載-應變曲線

1)加載初期，跨中與梁端普通鋼筋荷載、應變關系均呈線性，且基本重合，表明鋼筋處于彈性工作階段。

2)加載中期，普通鋼筋應變隨荷載的增加而增大，混凝土逐漸退出工作，鋼筋應變明顯增加，曲線偏向應變軸，斜率變小，且在1 000～1 500με出現明顯拐點。

3)加載后期，BPC梁受壓區普通鋼筋未屈服，RPC梁受壓區普通鋼筋部分屈服，受拉區BPC，RPC梁普通鋼筋均屈服。梁端1應變片在加載后期失效，導致部分測點數據有反折現象。

2.5 緩粘結預應力鋼絞線荷載-應變曲線

RPC梁緩粘結預應力鋼絞線荷載-應變曲線(包括張拉后的鋼絞線應變值)如圖14所示，根據圖14可將緩粘結預應力鋼絞線受力變形分為以下階段。

圖14 緩粘結預應力鋼絞線荷載-應變曲線

1)混凝土開裂前，緩粘結預應力鋼絞線應變很小且發展緩慢，荷載-應變曲線偏向荷載軸。

2)混凝土開裂后，荷載-應變曲線出現第1個拐點，應變隨荷載的增大而增大，曲線向應變軸偏移，荷載、應變關系仍大致為線性關系。

由于應變片測量范圍有限，當荷載達1 200kN時應變片失效，故僅給出荷載<1 200kN的應變值，此時鋼絞線未屈服。整體來看，緩粘結預應力鋼絞線荷載-應變曲線拐點較明顯，混凝土開裂后，緩粘結預應力鋼絞線起承擔荷載的作用。

2.6 截面應變分布

BPC，RPC梁跨中梁側高度范圍內不同荷載作用下應變分布情況如圖15所示。由圖15可知，BPC，RPC梁沿截面高度的應變分布規律大體一致，隨著荷載的增加，截面應變與轉角不斷增大；截面各點應變規律基本符合平截面假定。

BPC梁中和軸位于距梁底250mm左右，RPC梁中和軸位于距梁底350mm左右。BPC梁受壓區截面面積較RPC梁大9.1%。

3 對比分析

3.1 撓度

根據現行規范公式計算BPC，RPC梁撓度，與試驗實測撓度進行對比分析，如表1，2所示。

表1 試驗梁開裂時撓度對比

表2 試驗梁在極限荷載作用下撓度對比

由表1，2可知，開裂時，BPC，RPC梁撓度試驗值與計算值比值分別為0.71，0.81；極限荷載作用下，BPC，RPC梁撓度試驗值與計算值比值分別為0.93，0.73；BPC梁在極限荷載作用下的撓度試驗值與計算值比值較開裂時大31%，RPC梁在極限荷載作用下的撓度試驗值與計算值比值較開裂時小10%，說明RPC梁在極限荷載作用下可更好地抵制裂縫開展，具有良好的延性；開裂時和極限荷載作用下BPC，RPC梁撓度試驗值均小于計算值。

3.2 剛度

不同荷載作用下BPC，RPC梁剛度變化規律如圖16所示，由圖16可知，加載過程中，BPC，RPC梁剛度均不斷下降；混凝土開裂前，同一荷載作用下，BPC梁剛度略大于RPC梁；混凝土開裂后，BPC梁剛度小于RPC梁；600～1 000kN荷載作用下，BPC，RPC梁剛度下降平緩，此時普通鋼筋和預應力鋼絞線承擔大部分拉力，后期普通鋼筋屈服，梁剛度退化顯著。整體來看，RPC梁在整個受力過程中剛度下降趨勢與BPC梁相似，剛度略優于BPC梁，說明緩粘結預應力鋼絞線與周圍混凝土具有較好的共同工作性能。

圖16 剛度-荷載關系曲線

4 結語

對BPC，RPC梁進行試驗研究，詳細記錄加載過程中BPC，RPC梁整體受力情況，觀察試驗現象并對荷載、應變、位移等數據進行整理分析，得出荷載與跨中位移、普通鋼筋應變、預應力鋼絞線應變的關系。根據試驗破壞過程，分析破壞特點與模式、應變分布特點、裂縫發展規律等。

1)同級荷載作用下，BPC梁裂縫少而長，較稀松，發展迅速；RPC梁裂縫多而短，較密集，發展較均勻。相對而言，RPC梁表現出良好的裂縫分布形式，在控制裂縫寬度、改善裂縫分布方面優于BPC梁。

2)隨著荷載的增加，BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度均逐漸增大，初期增幅較小，后期增幅較大，且BPC梁平均裂縫寬度增大速率較快，使加載后期剛度退化較明顯，抗裂性能較差。

3)BPC，RPC梁受力過程中，荷載-跨中位移曲線形態相似，RPC梁剛度、撓度、承載力略大，抗裂性能略優，且卸載后表現出良好的變形恢復能力。

4)加載初期，跨中與梁端普通鋼筋荷載、應變關系均呈線性，且基本重合，鋼筋處于彈性工作階段。加載中期，普通鋼筋應變隨荷載的增加而增大，混凝土逐漸退出工作，鋼筋應變明顯增加。加載后期，BPC梁受壓區普通鋼筋未屈服，RPC梁受壓區普通鋼筋部分屈服，受拉區BPC，RPC梁普通鋼筋均屈服。

5)混凝土開裂前，緩粘結預應力鋼絞線應變很小且發展緩慢。混凝土開裂后，緩粘結預應力鋼絞線荷載-應變曲線出現第1個拐點，應變隨荷載的增大而增大，荷載、應變關系仍大致呈線性。混凝土開裂后，緩粘結預應力鋼絞線起承擔荷載的作用，表明其具有良好的黏結性能。

6)BPC，RPC梁沿截面高度的應變分布規律大體一致，截面各點應變規律基本符合平截面假定。

7)RPC梁在極限荷載作用下可更好地抵制裂縫開展，具有良好的延性。

8)RPC梁在整個受力過程中剛度下降趨勢與BPC梁相似，剛度略優于BPC梁，表明緩粘結預應力鋼絞線與周圍混凝土具有較好的共同工作性能。