冻融后预应力混凝土受弯构件最大裂缝宽度研究

胡强圣 ，杜向琴

(安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246003)

冻融后预应力混凝土受弯构件最大裂缝宽度研究

胡强圣 ，杜向琴

(安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246003)

试验研究了5根预应力钢筋混凝土受弯试件经历不同冻融次数后的力学性能。通过对实验过程的分析及得到的荷载-挠度曲线，研究遭受冻融作用后预应力混凝土受弯构件使用阶段最大裂缝宽度随冻融次数的变化规律，参考规范法，将试验得到的最大裂缝宽度值与理论计算值进行对比，从而建立反映冻融影响的预应力混凝土受弯构件的最大裂缝宽度计算公式，在计算遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件的最大裂缝宽度时，受力特征系数取1.8更为合适。这一结果为我国寒区的预应力混凝土结构的变形验算提供了参考。

冻融；预应力钢筋混凝土；最大裂缝宽度；受力特征系数

与其他结构一样，由于遭受环境侵蚀(如氯盐侵蚀、冻融、碳化、化学介质腐蚀等)与外部荷载(包括静载与疲劳荷载)的长期共同作用，预应力混凝土结构内部也会出现损伤并逐渐积累，这个过程是不可逆的，它的本质其实是工程耐久性问题。从地域和气候条件来看，我国的东北地区属于严寒地带，对长时间处于寒冷环境中预应力混凝土结构，冻融损伤是影响结构耐久性的一个非常重要的因素[1]，其抗冻性已引起工程界的关注，对已经存在的建筑物，因耐久性不足，失效问题随时都可能出现。受冻融循环后，混凝土的力学性能及变形性能会发生显著的改变[2-6]。可是目前国内外的规范、规程中所采用的预应力混凝土正常使用极限状态验算主要是针对普通混凝土和预应力混凝土的，都未考虑冻融环境的影响[7-8]，所以规范法对冻融环境中结构及构件的变形验算并不适用。对于规范中所给出的最大裂缝宽度计算公式是否还适用于遭受冻融环境影响后的混凝土受弯构件，目前鲜有研究，所以对遭受冻融作用后预应力混凝土受弯构件裂缝宽度的变化进行探讨分析是非常有必要的。基于此，研究遭受冻融作用后预应力混凝土受弯构件使用阶段最大裂缝宽度的变化规律，从而建立反映遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件的最大裂缝宽度计算公式，并与试验结果进行对比，为我国寒区的预应力混凝土结构的变形验算提供参考。

1 试验概况

本次试验共设计5根预应力试件，对应试件编号分别为L1，L2，L3，L4，L5。先将试件L1，L2，L3，L4，L5分别冻融0次、50次、100次、150次、200次，之后进行受弯性能试验以考察冻融对试件受力性能的影响。

1.1 试件设计与制作

试件截面采用100 mm×100 mm，长度515 mm，配筋率为1.35%，预应力度为0.59，试件配筋见图1。试件混凝土强度等级C40，混凝土配合比采用水泥∶石子∶砂∶水=374∶1 164∶723∶184，混凝土采用普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度大于52.5 MPa,粗骨料采用玄武岩碎石，最大粒径为20 mm，细骨料为天然江沙，其细度模数为2.3～2.4，减水剂采用江苏建筑科学JM系列高效FDN减水剂，掺量为0.2%，水为日常饮用水。预应力筋采用单根φp5消除应力钢丝，直线型配筋。

图1 预应力混凝土梁配筋图

每根试件在浇筑的同时，预留3个混凝土立方体试块150×150×150 mm3和3个棱柱体试块150×150×300 mm3，试块与试件进行同条件养护，用于测定试验时混凝土的立方体抗压强度和混凝土的轴心抗压强度及弹性模量。混凝土实测力学性能指标详见表1。

表1 混凝土实测力学性能指标

1.2 试验方案

冻融试验采用快冻法，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82-85)执行，冻融试验在图2所示的DTR1型快速冻融试验机上进行, 每冻融25次停机，采用动弹仪测量试件的动弹性模量并观察试件外观形态的变化。

受弯性能试验在MTS809拉扭组合材料测试系统上完成，采用三分点加载，加载示意见图3。荷载上升段采用力控制加载，当加载超过0.8倍计算极限荷载后采用位移控制加载。受弯性能试验在各试验梁的跨中和支座截面均布置了位移计。整个受弯性能试验过程中荷载、应变和位移等由动态采集设备自动采集，由此得到不同冻融次数下试验梁的荷载-挠度曲线。

图3 加载示意图

1.3 试件加载后的形态破坏

对构件L2，L3，L4，L5分别在经受50次、100次、150次、200次冻融后依次进行静力加载受弯试验直至构件破坏，其中L1为未冻融直接进行静力加载受弯试验。各构件加载至破坏的形态如图4。

在静力加载试验过程中，构件跨中纯弯段出现几条竖向受力裂缝，随着荷载增加，构件的挠度也渐渐增加，裂缝发展愈来愈宽，沿着构件高度逐渐向上发展，裂缝截面处的中和轴也跟着向上移动，最终钢筋屈服，构件上部混凝土被压碎，从而构件宣告破坏。通过观察发现，随冻融次数的增加，L1，L2，L3，L4，L5各构件加载至破坏的时间越短，构件破坏越早，且L1，L2，L3，L4，L5受弯性能试验梁的破坏均始于受拉钢筋屈服，而后受弯区上部边缘混凝土被压碎，所以各构件均为适筋梁破坏。

1.4 试验结果及分析

试验得到的荷载挠度曲线如图5。比较图5各构件的荷载挠度曲线，可以明显看出随着冻融次数的增大，极限荷载减小，破坏时构件挠度减小，这表明冻融循环使得构件的极限承载能力和变形能力下降，构件延性降低。究其原因，是由于冻融的影响使混凝土的抗压强度下降，弹性模量减小，导致压区混凝土提前发生破坏，进而导致构件的承载能力和变形能力下降，延性无法得到充分发挥。据此可以合理推断，继续增加构件冻融次数，当冻融达到一定次数时，构件的破坏形态将由延性破坏转变为脆性破坏。通过对实验过程荷载-挠度曲线的分析，比较不同冻融循环次数后预应力构件的开裂弯矩，能够得到，当冻融次数增大时，构件的开裂弯矩会有所降低，说明由于遭受冻融循环的作用，预应力混凝土受弯构件的抗裂能力在减小。

2 冻融后预应力混凝土受弯构件最大裂缝宽度研究

2.1 《规范》中预应力混凝土构件的最大裂缝宽度计算

《混凝土结构设计规范》(GB5010-2010)[9]规定，对预应力混凝土受弯构件当采用荷载标准永久组合或标准组合时的最大裂缝宽度可通过以下公式进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

ep=yps-ep0

(8)

式中，αcr：构件受力特性系数；

ψ：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，0.2≤ψ≤1.0；

σs：按荷载标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力；Es：钢筋的弹性模量；

cs：最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm)，20≤cs≤65 ；

ρte：按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，在最大裂缝宽度计算中，当ρte<0.01时，取ρte=0.01；

Ate：有效受拉混凝土截面面积，对受弯、偏心受压和偏心受拉构件，取Ate=0.5bh+(bf-b)hf，bf，hf分别为受拉翼缘的宽度、高度；

As：受拉区纵向普通钢筋截面面积；

Ap：受拉区纵向预应力筋截面面积；

deq：受拉区纵向钢筋的等效直径(mm)；

di：受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；

ni：受拉区第i种纵向钢筋的根数；

vi：受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数，按《混凝土结构设计规范》(GB5010-2010)表7.1.2-2取用；

z：受拉区纵向普通钢筋和预应力筋合力点至截面受压区合力点的距离；

α1：对灌浆的后张法预应力筋，取为1.0；

ep：计算截面上混凝土法向预应力等于零时的预加力Np0的作用点至受拉区纵向普通钢筋和预应力筋合力点的距离；

yps：受拉区纵向普通钢筋和预应力筋合力点的偏心距；

ep0：计算截面上混凝土法向预应力等于零时的预加力Np0作用点的偏心距。

2.2 最大裂缝宽度试验值与理论值的比较

对于本文预应力混凝土构件，预应力钢筋采用光面消除应力钢丝φp5，Ap=19.63 mm2，张拉控制应力为0.75fptk，所以对于单根预应力钢筋张拉力Np0=23 108 N，已知构件的偏心距ep0=8 mm；对于预应力混凝土受弯构件受力特征系数，《混凝土结构设计规范》(取αcr=1.5)，则由(1)式～(8)式计算冻融作用后预应力混凝土受弯构件在极限荷载时的最大裂缝宽度，与试验结果对比如表2。

表2 预应力混凝土构件最大裂缝宽度对比

由表2可以看出，按照规范法计算的最大裂缝宽度与各构件遭受冻融作用后的最大裂缝宽度的试验值差异较大，且试验值普遍偏大，这说明按照现行规范法计算冻融作用后预应力混凝土受弯构件的最大裂缝宽度值偏小，而且随着冻融次数的增加，构件L2，L3，L4，L5的最大裂缝宽度依次变大，这主要是因为由于冻融作用混凝土会产生开裂，同时冻融会使得钢筋和混凝土间的粘结强度减小，粘结应力降低，造成平均裂缝间距变大，所以冻融后构件的最大裂缝宽度会增加。因此对于遭受冻融作用后的预应力受弯构件最大裂缝宽度的计算，可以调整构件受力特征系数αcr，由(1)式得构件受力特征系数αcr为

(9)

当分别按(2)式-(4)式确定ψ，deq,ρte及σs后，根据实测的构件L2，L3，L4遭受冻融作用后预应力受弯构件在各级荷载作用下的最大裂缝宽度的试验值wmax，由(9)式可以计算得到αcr的值，结果见图6。由图6可得，遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件的受力特征系数αcr取1.8合适。

综上所述，遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件短期最大裂缝宽度计算公式建议为

(10)

依据以上最大裂缝宽度的计算公式，再比较构件L5在M/Mu(Mu预应力混凝土构件极限弯矩)分别为0.5，0.75，1.0时的跨中最大裂缝宽度计算值和试验值，见表3，其中在计算纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ时，应取用对应冻融作用后的混凝土抗拉强度标准值[10]。

表3 预应力混凝土构件L5最大裂缝宽度对比

由表3可以得出，本次试验遭受冻融作用的预应力受弯构件L5在正常使用状态时，跨中最大裂缝宽度的试验值和计算值的比值WcrT/Wcru的平均值为1.11，标准差为0.020 1，变异系数为1.813%，可见遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件的跨中最大裂缝宽度按(10)式计算时符合精度要求。

3 结 论

本文通过对遭受冻融作用后各预应力混凝土受弯构件使用阶段最大裂缝宽度试验结果随冻融次数的变化规律的研究，参考规范法中最大裂缝宽度计算公式，得出结论：对遭受冻融环境作用后允许出现裂缝的预应力混凝土受弯构件，在计算遭受冻融作用后的预应力混凝土受弯构件的最大裂缝宽度时，受力特征系数αcr取1.8更为合适。

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Research on the Maximum Crack Width for Flexural Member of Prestressed Concrete after Freeze-Thawing

HU Qiang-sheng , DU Xiang-qin

(Anqing Vocational & Technical College, Anqing 246003, China )

An experiment is carried out of five prestressed concrete beams after different times of freeze-thawing to investigate the change rule of prestressed concrete the maximum crack width along with the number of freeze-thawing cycles through the analysis of the experimental process and the load deflection curve. Referencing standard method and comparing the value of theoretical calculation and experimental results, the formula of the maximum crack width is established which can reflect the effect of prestressed concrete flexural member after freeze-thawing. It's more appropriate if take the force characteristic coefficientαcras 1.8 when calculate the maximum crack width of prestressed concrete structure after freeze-thawing. The research can provide reference for the deformation calculation of prestressed concrete structure in cold regions.

freeze-thawing, prestressed reinforced concrete, the maximum crack width, force characteristic coefficient

2015-03-06

安徽省质量工程教学研究项目(2015jyxm540)。

胡强圣，男，安徽安庆人，硕士，安庆职业技术学院建筑工程系教师，主要从事混凝土结构耐久性研究。

时间：2016-1-5 13:01 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.019.html

TU528

A

1007-4260(2015)04-0077-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.019