应力水平对混合骨料钢筋混凝土梁疲劳性能影响

2020-12-01刘登辉陈永超

四川建材 2020年11期

刘登辉，陈永超

(河南理工大学，河南焦作 454003)

0 前言

大量的钢筋混凝土构件和预应力钢筋混凝土受弯构件经常遭受反复荷载的作用，混凝土受弯结构经常承受反复循环荷载作用下保证其具有充分的疲劳寿命，对结构正常使用的安全性具有重大的意义。混合骨料轻质混凝土一方面克服普通混凝土自重大缺点，另一方面避免全轻混凝土的弹性模量较低的不足，且能克服再生混凝土耐久性差的问题，能够很好地提高建筑承载力。在重点工程建设中得到了广泛的推广和应用，具有良好的市场应用前景。但是混合骨料混凝土中配置钢筋后在疲劳荷载作用下能否充分发挥其作用，仍然需要进一步研究。

1 研究现状

Williams[1]研究了在不同骨料类型下混凝土的弯曲疲劳强度性质，研究表明：普通骨料混凝土的疲劳强度要比轻骨料混凝土的疲劳强度要大些。Warren等[2]研究了轻骨料混凝土圆柱体试件在25.5 MPa(或3 700 psi)和42.7 MPa(或6 200 psi)两种强度下的抗压疲劳性能，研究表明：静载强度的高低对轻骨料混凝土的疲劳强度的影响不是太明显，轻骨料混凝土的疲劳性能类似于普通骨料混凝土。Tepfers和Kutti[3]对比研究了轻骨料混凝土和普通混凝土的抗压疲劳性能，研究表明：密度对混凝土疲劳性能的影响不是太显著。Sparks[4]的试验得出类似结论。Klaiber和Lee[5]研究了不同粗骨料类型、空气含量对弯曲疲劳强度的影响。研究表明：随空气含量的不断增加疲劳强度是逐渐减小，粗骨料的强度越高混凝土的疲劳强度相应的就越高。Cornellissen[6]发现在波动拉荷载下普通骨料混凝与轻骨料混凝土的疲劳强度大致是相同的，但在波动拉-压荷载下轻骨料混凝土疲劳强度相对较低；王贤磊[7]进行了T 形预应力轻骨料混凝土梁的疲劳受弯试验，并通过与轻骨料纤维混凝土梁试验结果进行对比分析，研究发现前者抗疲劳性能更优。张安安[8]研究了轻骨料混凝土空心板梁桥跨结构的动载试验，并与普通混凝土进行对比。研究发现，轻骨料混凝土桥跨结构具有抗震性能好、结构自振周期长、阻尼系数大的优点；另外，在静载和动载作用下，轻骨料混凝土桥跨的强度、刚度和结构动力能满足规范和安全要求。

本文对钢筋-混合骨料混凝土梁抗弯疲劳性能进行了试验研究。通过对其在疲劳荷载作用下破环规律的系统总结并与普通混凝土比较分析，为轻骨料混凝土能在实际工程中应用提供依据。

2 试验设计

2.1 试件设计

1)配合比设计。试验依据本课题组前期试验结果和工程实践，按照《轻骨料混凝土应用技术规程》(JGJ/T12—2019) 进行试配，设计出强度等级为 LC40的全轻混凝土的最优配合比，在全轻最优配合比的基础上河砂体积取代率(Ss)最佳值为10%，碎石体积取代率(Sa)最佳值为25%配制混轻混凝土的配合比。如表1所示。

表1 LWSCCs 的配合比

2)尺寸拟定和试验梁设计。在设计钢筋混凝土梁时，首先根据《混凝土结构基本原理》确定梁的截面尺寸b×h=150 mm×300 mm，计算跨度l0=2100 mm配筋率为0.56。受力钢筋采用HRB400，纵向受力配筋为2Φ12，配筋率为0.56%。

2.2 试验方法

本试验在电液伺服的疲劳试验机上完成的。机器出自长春，500 kN是其所能承受的最大荷载。静载试验采用分级加载方式，初期5 kN为1级，裂缝产生后变为10 kN。疲劳试验采用等幅正弦波加载，频率定为6 Hz。应力水平选为0.55、0.65、0.75、0.85。在加载到0、1、5、10、20、50、100、150、200万次的循环次数时，转变加载方式，进行一次静力加载，当试件达到 2×106次后，还具备承载能力且裂缝和挠度没有达到极限值，则停止该试验，记下相应次数，施加静力直到破坏同时记下该试件的极限荷载。

3 试验结果

3.1 应力水平对钢筋-混合骨料疲劳变形的影响

不同应力水平下循环次数-挠度曲线如图1所示。从单个挠度-循环次数分析：曲线大致分两个阶段，在10万次时出现拐点，初始阶段挠度随循环次数的增加，挠度迅速增长。这是因为前期循环试验过程中不断有新的裂缝产生，裂缝导致应力重新分布，故挠度变化比较明显。在10万次后由于主裂缝基本全部出现。挠度进入了平稳期，随循环次数的增大没有明显变化。从整体进行分析：应力水平对试件挠度的影响是很大的，且其参与挠度随着应力水平的增加而变大。故高应力水平下，构件能否正常工作，还是值得研究的。

图1 梁挠度-循环次数曲线

3.2 应力水平对钢筋-混合骨料裂缝的影响

试验中测得轻骨料混凝土梁的裂缝情况如图2所示。

图2 不同应力水平循环次数-裂缝最大宽度曲线

根据图2可知，筋-混合骨料混凝土梁初始裂缝宽度比钢筋混凝土梁的大，并且钢筋-混合骨料混凝土梁缝宽度在整个循环过程中变化比较大，相比于钢筋混凝土梁更加稳定；随着应力水平在疲劳荷载作用不断增大，裂缝开展的更迅速及裂缝宽度更大。相同配筋率的钢筋-混合骨料混凝土梁与钢筋混凝土梁在同等应力水平下进行对比，前者的裂缝宽度小于后者，但裂缝产生的数目大于后者，而且裂缝间距相对要小。因此，应力水平对裂缝的发展有着显著影响。