钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳性能的试验研究

张 明，高丹盈，赵 军

(郑州大学，河南郑州450002)

随着钢纤维的广泛应用，钢纤维混凝土在混凝土结构中的应用得到了迅速发展，在公路、铁路、桥梁、工业民用建筑等领域的应用也越来越广泛［1－2］.这些结构形式在其服务期内除了承受静载作用外，还承受疲劳荷载的作用.在疲劳荷载作用下，由于疲劳累积损伤的影响，结构功能退化，结构变形及裂缝会影响结构的正常使用甚至安全性.因此有必要对疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土构件及钢纤维部分增强高强混凝土构件的疲劳变形性能及裂缝开展情况进行研究.

笔者以疲劳试验为基础，分析了钢纤维高强混凝土梁疲劳荷载作用下的变形及裂缝宽度随钢纤维掺入层厚变化的发展规律.

1 试验概况

试验共制作了1根普通高强混凝土梁(梁号:L－0)和3根钢纤维高强混凝土梁(梁号:L－1，L－2，L－3)，研究的目的是探求钢纤维高强混凝土梁在第一次静载试验及经历一定疲劳循环次数重复加载后的变形及裂缝发展规律以及钢纤维对其的影响，在设计试验梁时主要考虑了钢纤维掺入层厚的变化.试件设计见表1.

试验梁均采用跨中单点分级疲劳加载.为模拟试件实际工作情况，试验梁两端采用平板橡胶支座.安置试验梁时要求几何对中，保持两支座等高，加载点与支座处均垫有钢板，以预防发生混凝土局部压坏.疲劳试验施加的疲劳荷载最大值为0.50Mu，最小值为固定值0.15Mu(根据试验机能够控制的最小荷载选取)，Mu为试验梁的极限荷载.

表1 试件设计

根据混凝土结构试验方法标准［3］，等幅疲劳试验加载程序包括静载试验、疲劳试验和破坏试验3个阶段.静载试验阶段，按照静力单调加载试验的加载程序进行，首先进行预加载，检验设备是否正常后加载至疲劳上限、然后卸载;疲劳试验阶段，进行等幅疲劳试验，加载频率为5 Hz，在保持加载频率的基础上反复调节，保持荷载稳定，使误差不大于±3%.在试验过程中，动荷载循环到1万、5万、10万、15万、20万、50万、100万、150万和200万次后停止，然后进行一次加载至疲劳上限的静载试验，量测各级荷载下的应变、裂缝、挠度及其发展情况;在破坏试验阶段，当试验重复荷载达到要求加载的次数200万次后，如果试验梁仍未发生破坏，则继续进行一次静载试验直至试验梁破坏.

2 试验结果分析

2.1 跨中挠度发展规律

2.1.1 静载作用下挠度发展规律

根据试验规程的要求，在疲劳试验前，要进行一次加载至疲劳上限的静载试验，试验过程中测量各级荷载下的挠度.笔者结合试验参数变化，分析了钢纤维掺入层厚对高强混凝土梁跨中挠度的影响.图1给出了不同参数影响下第一次静载试验的梁跨中挠度发展情况.

图1 试验梁静载试验的荷载－挠度曲线

从图1中可以看出，不同参数下，钢纤维部分增强高强混凝土梁的挠度变化具有以下共同特征:在荷载较小时，梁基本处于弹性工作状态，荷载－挠度曲线接近线性变化，表现出均质弹性材料梁的特性.随着荷载的逐步增大，截面开始出现裂缝后，梁的抗弯刚度下降，曲线偏离线性呈下降趋势.这和普通混凝土梁的挠度变化规律一致.但和普通混凝土梁相比，由于钢纤维阻止裂缝开展和直接承担拉力的作用，使得梁裂缝截面处的钢筋应变降低，裂缝宽度减小，增强了梁的整体性和刚度，所以加入钢纤维后，荷载－挠度曲线弯曲程度减缓，在同级荷载下挠度明显降低，表明钢纤维对高强混凝土梁静载作用下的变形影响显著.随着钢纤维掺入层厚的增加，其相同荷载下的挠度减小约19.0% ～69.0%，但掺加超过1/3梁高的钢纤维后，对减小钢纤维高强混凝土梁挠度的效果并不明显，说明在高强混凝土梁内一定范围内掺加钢纤维同样能够起到限制梁的刚度衰减的效果，与文献［4］研究结果一致.

2.1.2 疲劳荷载作用下挠度发展规律

不同影响因素下钢纤维高强混凝土梁在疲劳上限荷载作用下的跨中最大挠度与循环次数的关系曲线如图2所示.

图2 挠度与循环次数的关系曲线

在重复荷载作用初期1万次内挠度增加比较迅速，在5万～20万次内，挠度的增大速率变缓，超过20万次后，挠度的变化基本趋于稳定.挠度的增大速率随着钢纤维掺入层厚的增大而变小，但影响并不显著，钢纤维掺入层厚的变化主要影响第一次静载作用下梁的跨中挠度.根据文献［5］与［6］，混凝土梁疲劳荷载作用下挠度不断增大的主要原因为:在疲劳荷载作用下受拉区混凝土的疲劳裂缝宽度不断增加，钢筋和混凝土间的黏结不断被破坏;受压区混凝土由于疲劳荷载作用产生的累计损伤及徐变;截面削弱导致的混凝土构件刚度降低.该原理同样适用于钢纤维混凝土及钢纤维高强混凝土.

2.2 最大裂缝宽度的发展规律

2.2.1 静载作用下最大裂缝宽度发展规律

在静载试验中各级荷载作用下，不同钢纤维掺入层厚的高强混凝土梁最大裂缝宽度与荷载的关系曲线如图3所示.

图3 最大裂缝宽度与荷载关系曲线

由图3可知，随着钢纤维掺入层厚的增加，各级荷载下的钢筋混凝土梁的裂缝宽度均有所降低，钢纤维掺加1/3梁高时，裂缝宽度减小39% ～78%，掺加1/2梁高时，裂缝宽度减小45% ～89%.与梁全截面掺加钢纤维的阻裂效果差别并不十分显著，这说明在高强混凝土梁中部分掺加钢纤维可达到显著的阻裂效果，这与普通钢纤维混凝土梁的研究结果［4］基本一致.

2.2.2 疲劳荷载作用下最大裂缝宽度发展规律

经过一定疲劳循环次数后，疲劳上限荷载作用下的试验梁最大裂缝宽度与循环次数的关系曲线如图4所示.钢纤维掺入层厚不同，在相同循环次数的情况下，钢纤维高强混凝土梁的最大裂缝宽度随着钢纤维掺入层厚的增大而降低，但梁的疲劳裂缝宽度增大速率的变化受钢纤维掺入层厚变化的影响并不显著，裂缝宽度的增大速率随疲劳循环次数的变化规律基本一致.

图4 最大裂缝宽度与循环次数关系曲线

文献［2］和［6］的研究表明，疲劳荷载作用下钢筋混凝土构件裂缝宽度增大的主要原因是:重复荷载作用下受压区混凝土内部损伤增大，导致混凝土压应变随循环次数增加而增大，混凝土开裂引起裂缝截面处钢筋应变增大，钢筋应变和残余应变不断增加，钢筋与混凝土间黏结退化.对于钢纤维高强混凝土梁，钢纤维减小了受压区混凝土内部损伤以及钢筋与混凝土间黏结的退化，进而减小了疲劳荷载作用下高强混凝土梁的裂缝宽度.

3 结语

1)钢纤维加入高强混凝土梁对于增强梁的阻裂能力，优化变形性能，即对于减小裂缝宽度和增加截面刚度非常有利.

2)在疲劳荷载作用下，钢纤维部分增强高强混凝土梁的跨中挠度随循环次数的增加而增大，随钢纤维掺入层厚的增加，钢纤维高强混凝土梁的挠度增大速率有所降低.

3)在疲劳荷载作用下，钢纤维部分增强高强混凝土梁的最大裂缝宽度随循环次数的增加而增大，随钢纤维掺入层厚的增加，钢纤维高强混凝土梁的裂缝有所减小，但裂缝宽度的增大速率并无明显差别.

［1］高丹盈，赵军，朱海堂.钢纤维混凝土设计与应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［2］赵国藩，彭少民，黄承逵.钢纤维混凝土结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［3］中国建筑科学研究院.GB 50152—1992混凝土结构试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，1992.

［4］赵军.钢纤维增强部分混凝土构件力学性能及设计方法的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2000.

［5］孟建伟，王海龙，钟铭.用解析刚度法求解高强钢筋混凝土梁的疲劳刚度［J］.石家庄铁道学院学报，2004，17(3):67－90.

［6］汤红卫，李士彬，朱慈勉.基于刚度下降的混凝土梁疲劳累积损伤模型的研究［J］.铁道学报，2007，29(3):84－88.