钢筋混凝土梁长期与短期加载装置研制
2018-10-30黄海东向中富
黄海东， 向中富
(重庆交通大学 土木学院，重庆 400074)
0 引 言
钢筋混凝土及预应力混凝土结构在长期和短期荷载作用下的结构行为，是评价结构安全性和长期使用性能的重要指标。以桥梁工程为例，在汽车、人群等短期荷载作用下，产生结构内力及变形，而在自重、预应力荷载作用下，由于混凝土的徐变作用，引起结构的长期变形及内力重分布。特别是大跨度连续梁、连续刚构桥由于长期的收缩徐变、预应力损失及结构开裂等因素的影响，结构的受力状态及材料特性不断变化，桥梁开裂及下挠病害严重且持续恶化，受到工程界的普遍关注[1～8]。为了验证结构的安全性，建设完成的桥梁在正式投入使用之前，必须进行荷载试验，验证桥梁结构的安全性。然而结构的长期行为无法做到“事前”判断，需要依赖材料和结构模型的徐变试验。
目前，针对混凝土结构的短期、长期行为试验方法,加载设备及测试手段已经相对较为完备。其中混凝土材料徐变测试一般采用标准试件的压缩试验，主要采用的试验标准包括美国试验与材料协会标准(ASTM C512)[9]及国内《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[10]。国内实验室试验加载设备主要采用定型设备购置或依据以上标准进行仿制和加工[11]。与标准压缩徐变试验不同，梁式结构徐变试验除了要求所施加的荷载保持长期恒定外，还要求较高的加载吨位，特别是研究高应力条件下的非线性徐变问题。针对混凝土梁式结构的长期徐变试验尚无统一的试验标准，试验加载装置主要根据研究目标、内容研制。通过对国内外大学实验室的调研发现[12～15]，目前常采用的梁体徐变加载方式包括：堆载加载法、反力式加载法及杠杆增力法等。其中，反力式加载法由于具有加载操作方便、加载过程安全性高及占地面积较小等优势，而被广泛采用。然而现有试验梁徐变加载设备往往功能单一、重复利用率不高，造成实验室经费和资源的不必要浪费。本文在充分考虑实验室现有场地和设备条件的基础上，研制一种新的多功能混凝土梁长期徐变兼顾短期加载装置。
1 加载设备研制与配套测试系统
1.1 试验加载装置设计
为实现梁式结构静载试验和长期徐变变形测试，加载装置要同时满足静力加载及长期持载作用。以反力式结构为基础，采用加载结构模块化思路，设计了多层分配体系的反力加载装置(见图1)，设计可施加的最大静载为35 t，长期持载吨位为30 t。加载装置设计为由3道横向分配梁和1道纵向分配梁所组成的3层式结构。最上层为加载层，满足加载千斤顶、压力计安装和加载要求；第2层为持载层，由4个10 t持载弹簧组成，通过弹簧的弹性变形，消除加载装置由于自身松弛的影响，保证长期加载的恒定；第3层为荷载分配层，采用分配钢梁横、纵向交叉布置，实现试验梁多点弯曲加载。竖向拉杆采用两根R32精轧螺纹钢，并联3个横向分配梁，并采用螺帽及配套刚垫板锁定，拉杆下端锚固于试验室反力槽内。为实现模块化设计理念，竖向拉杆在第1层被划分为两段，并用专用连接器进行接长连接。待完成静力加载后，可拆卸第1层结构，而依靠第2、3层结构实现长期持载。
1.2 试验梁测试系统
试验梁测试系统包括加载设备监测系统和试验梁测试系统两部分。加载设备监测系统由布置于千斤顶顶部的压力传感器和安装于竖向拉杆钢弦式应变计(E1、E2)组成。传感器E1、E2主要用于拉杆受力不均匀性监测，避免加、卸载过程中加载装置产生横向偏位，同时也用于拉杆长期蠕变变形监测。
试验梁测试系统可根据试验研究目的和重点考察的内容进行设计。以本项目试验为例，测试内容包括荷载作用下试验梁结构长期、短期的挠度及应变观测。挠度观测采用千分表进行测量，分别布置于梁支座位置、跨中及左右L/4处。为保证挠度长期观测数据的稳定可靠，在跨中及左右L/4处横向设置两块千分表进行复测，千分表编号为A1～A5，A1-1～A3-1。应变测试元件包括埋入式应变计、表贴式应变计及钢筋应变片。其中埋入式应变计布置于试验跨中上、下截面及左右L/4截面，编号为D1～D4。表贴式应变计布置在试验梁跨中截面腹板与翼缘板交界处及L/4截面附近，编号为C1～C4。电阻应变片安装在跨中截面上下缘纵向钢筋及左右L/4截面箍筋，试验梁测试系统详见图2。
1.3 试验操作流程
静载加载过程中，首先预紧拉杆顶、底部螺帽，调整各横向分配梁的水平度和拉杆的竖直度。精确调整千斤顶的平面位置，确保整个加载装置不发生横向及纵向变形。此后，施加最大加载工况10%初始荷载，根据E1、E2读数确定拉杆在加载过程中拉力增量。保证两根拉杆受力同步、均匀，要求E1、E2读数差小于5%,如不满足需要,再次调整千斤顶位置。静载加载完成后，将中横梁上端锚固螺栓旋紧，千斤顶卸载，依靠压力弹簧保持对梁体的持续加载作用。
2 短期及长期荷载效应试验
2.1 试验梁设计
试验梁设计为工字型梁，跨径300 cm，梁高50 cm,腹板厚度为7 cm，具体尺寸如图3所示。试验梁混凝土水灰比设计为0.37,28 d立方体抗压强度为56.4 MPa。为保证试验梁在加载过程中不出现应力集中现象，在梁体支座位置处预埋1 cm厚钢垫板。由于试验梁翼缘板及腹板厚度较小，普通钢筋设计为单层，其中纵向筋为R12钢筋,箍筋为R8钢筋.试验梁下缘设置纵向预应力，预应力筋采用单根低松弛钢绞线φj15.2，张拉吨位为4 t。
首先对试验梁进行逐级循环加、卸载，试验梁最大峰值荷载为30 t，整个加载过程共分为4个加卸载循环、41个荷载步。每级荷载稳载5 min，待结构受力稳定后，读取挠度及应变读数。短期荷载试验完成后，即锁定精轧螺纹钢筋螺母，保持荷载(12 t)进行长期变形观测。试验梁长期及短期荷载作用试验均在重庆交通大学结构实验室大厅内进行，试验过程中室内最低温度为7 ℃，最高温度为32 ℃。环境湿度变化范围为60%～85%。
2.2 试验梁整体变形规律及整体刚度分析
对于一般预应力混凝土梁，处于简支状态，在单调加载时,其荷载变形曲线近似为三折线。其中:Pcr为开裂荷载;Pu为钢筋屈服荷载。在单调加载过程中，荷载变形曲线以Pcr及Pu为拐点，分为三阶段。当荷载P
(a)梁跨中挠度荷载曲线图
(b)试验梁整体变形刚度
在循环加、卸载过程中，当外荷载P
刚度是表征结构在荷载作用下变形情况的重要参数。在短期荷载作用下，研究试验梁开裂前后结构刚度变化特点。对于结构变形刚度的描述一般以荷载变形曲线为基础，包括切线刚度法和割线刚度法。文中采用荷载增量ΔP与挠度增量Δf的比值来表征试验梁不同受力阶段的变形刚度K。采用多段直线对试验梁加、卸载全过程的荷载-变形曲线进行拟合，分析试验梁在不同荷载作用和结构开裂条件下的变形刚度衰变规律，其中,K1为开裂前结构刚度;K2为开裂后结构;K3、K4等为重复加、卸载结构刚度，见图4(b)。试验梁开裂后变形刚度降低为开裂前的32%。卸载及加载变形刚度K5为开裂前刚度的60%。在静力循环加卸载过程中，结构的变形数据、变形规律与传统试验结果相吻合，表明加载装置满足短期静载试验技术要求。
2.3 长期徐变变形分析
完成短期静载试验及相关数据采集后，锁定紧固螺母，维持长期荷载12 t，即开始长期加载试验，试验梁跨中截面长期长度、应变结果见图5。不难看出，由于混凝土的徐变效应，即使外荷载维持恒定，梁体挠度及截面变形仍随时间持续增加。在第300 d时，试验梁跨中截面徐变变形已经增大到2.62 mm，此后徐变变形增大趋势逐渐变缓。与徐变挠度发展规律相似，跨中截面上缘混凝土处于弯曲压缩状态，压缩变形也随持载时间的增加而变大，在第300 d时压缩变形增大至-690×10-6(见图5(b))。另外在70～100 d附近，各梁下挠及混凝土压缩变形曲线均存在明显转折，这一时间段恰为环境温度和湿度转折点。可见环境温、湿度变化对试验梁长期变形均有不同程度的影响。
(a)跨中截面长期变形
(b)跨中截面上缘长期压缩变形
混凝土梁的裂缝与长期徐变变形存在耦合关系：一方面，由于裂缝的存在导致梁体刚度降低、变形增大；另一方面，在梁体变形持续增加的过程中，既有裂缝的长度和裂缝跨度也不断发展。对于大跨度混凝土梁式桥，这种裂缝与变形之间的恶性循环关系将对结构安全性和耐久性产生不利影响。由于目前考虑徐变与裂缝相互作用的分析理论尚不完善，同时由于对试验设备的可靠性和稳定性均有较高要求，相关问题的试验研究进展不大。为了研究斜裂缝在长期持载下的变化规律，在试验梁斜裂缝区混凝土表面安装了表贴式应变计，监测裂缝区的发展。测试数据表明：应变计C2读数为先产生拉伸变形而后进入压缩状态，在第65 d时拉伸变形达到172×10-6，而370 d时为压缩变形-211×10-6。在前65 d内裂缝宽度增大22 μm，而后裂缝宽度不断缩小，370 d时缩小27 μm。初步分析原因可知，裂缝处混凝土的长期变形实际上包括收缩变形及徐变变形两部分。其中徐变变形方向与初始弹性变形方向一致，表现为裂缝的加宽；而收缩变形则表现为裂缝宽度的减小。当收缩变形大于徐变变形时便出现裂缝宽度随持载时间的增加而不断变小的现象。
图6 试验梁斜裂缝区长期变形
3 有限元模拟分析
为进一步验证试验结果的合理性，采用Adina软件对工字型试验梁进行仿真分析。根据结构的对称性，取1/2梁长建模。钢筋及预应力钢筋采用truss单元模拟，混凝土采用3D-solid单元模拟。模型中包含606个3D-solid单元及403个truss单元(见图7)。为防止模型在加载点、支座及张拉锚固点处出现集中破坏，设置刚性单元，避免分析结果不收敛。工字梁有限元模型如图3所示。混凝土材料属性按C50混凝土取值，其中单轴极限抗压强度32.4 MPa，抗拉强度为2.65 MPa，初始切线弹模为34.5 GPa。普通钢筋采用两种材料形式，一种为常规钢筋模型，另一种为受拉钢筋带模型。其中常规钢筋模型采用理想双线性弹塑性材料模拟钢筋，弹性模量为200 GPa，屈服应力为335 MPa。受拉钢筋带模型弹性模量为307 GPa，临界开裂应力35 MPa，屈服应力为335 MPa。
试验梁计算分析中，采用N-R法进行迭代，计算试验梁加、卸载全过程结构变形及应力分布。受拉侧普通钢筋分别采用常规钢筋模型及受拉钢筋带模型进行计算，图8为试验梁跨中截面计算值与试验值。采用两种钢筋模型时，单调加载曲线较为接近，但极值荷载变形量相差较大。另外，由于常规钢筋模型未考虑钢筋与混凝土的黏结滑移效应，因此残余变形量原小于试验值，而受拉钢筋条带模型通过修正的钢筋本构来考虑钢筋与混凝土黏结力的不断退化，因此计算残余变形量与实测值较为接近。主要区别为受拉钢筋条带模型卸载残余变形接近测试值，而常规钢筋模型计算最大残余变形值仅为试验值的10%。
Adina软件采用弥散型裂缝模拟混凝土的开裂及压碎等情况，计算中根据混凝土单元高斯积分点的应力情况判别结构是否开裂。达到开裂后，在相应的积分点上设置开裂标记。D梁极值荷载条件下计算裂缝分布与实际裂缝分布见图9。
图8 试验梁有限元分析与实测数据比较
图9 试验梁计算裂缝与实测裂缝分布
4 结 论
为开展混凝土梁长期与短期荷载作用下的结构行为试验研究，成功研制了反拉式多功能加载装置。由于采用了模块化设计，使得该系统不但可以满足短期静载试验要求，而且在长期加载状态下，加载系统能够保持荷载恒定，满足梁式结构徐变试验技术要求。主要结论及建议如下：
(1) 通过开展3 m钢筋混凝土的循环加、卸载试验以及在长期持载条件下的徐变变形试验，试验结果与理论分析结果基本一致，验证了加载装置的稳定性和可靠性。
(2) 由于混凝土长期变形受环境温湿度变化影响显著，为消除环境因素对测试数据的影响，应采用必要的环境温度、湿度控制措施。同时在试验数据分析处理的过程中，应充分考虑环境因素。此外，由于结构长期变形测试周期往往较长，因此测试元器件的长期稳定性、可靠性也是决定试验结果的重要因素。
(3) 该系统具有操作容易、结构简单及性能可靠等优势。加载系统中所采用的构件均为工程实验室常备式构件，因此装配、拆卸方便，造价较低，满足相关试验与教学使用要求。
