预应力再生混凝土叠合梁受弯性能试验研究

程东辉，王楷文，宋 超

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引 言

随着中国改革开放的深入推进，城市化进程不断加快，新建筑如雨后春笋般层出不穷，而部分既有建筑物或已达到设计年限，或因当时设计标准不能满足当代标准要求而面临被拆除的命运。拆除建筑时会产生大量的建筑垃圾，不仅不符合可持续发展的理念，而且会对生态环境造成不利的影响。如何对建筑垃圾进行合理利用是实现可持续发展的重要影响因素[1-4]。

再生混凝土是废弃混凝土经过破碎、清洗和分级，将其作为粗骨料或细骨料，按一定配合比配制而成的混凝土。将再生混凝土应用到工程结构中可以有效减少环境污染，节约资源，有利于建筑垃圾的再循环利用，促进国家生态文明建设。张毅等[5]对5根翼缘采用再生混凝土、腹板采用普通混凝土的T形截面叠合梁进行了受弯性能试验，结果表明：现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[6](以下简称《规范》)对再生混凝土T形截面叠合梁极限承载力的计算仍然适用。曹万林等[7]进行了不同再生粗骨料取代率和不同再生细骨料取代率在钢筋混凝土梁的正截面抗弯性能方面的测试，结果表明：在相同配筋和混凝土条件下的再生混凝土梁极限承载力和普通混凝土梁的极限承载力相近,再生粗骨料取代率对梁的受弯性能影响不是很明显,而再生细骨料对裂缝的分布以及梁的挠度有一定的影响。Arezoumandi等[8]对8根不同再生粗骨料取代率试验梁进行了三分点弯曲加载试验，结果表明：再生混凝土梁不仅具有与普通混凝土梁相似的抗弯性能，而且再生混凝土梁的挠度比普通混凝土梁提高了约13%。Knaack等[9]研究发现随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土梁的刚度降低，破坏时的挠度较大[10]。

综合国内外研究成果[11-26]可以看出：再生混凝土应用于梁受弯构件中是能够满足承载力要求的；由于再生混凝土自身材料的限制，导致再生混凝土梁受弯构件变形量较大，为解决这一问题，可以考虑将再生混凝土应用于预应力叠合梁受弯构件。为此，本文以再生混凝土梁受弯构件为研究对象，开展了预应力再生混凝土叠合梁受弯构件试验研究。本次叠合梁采用一次加载，主要考虑工程中施工阶段在预制梁下设有可靠支撑,能保证施工阶段作用的荷载全部传给支撑，浇筑叠合层及养护成型后撤出支撑。

1 试验概况

1.1 试验梁设计

设计制作了8根混凝土试验梁，其中包括1根预应力普通混凝土整浇梁L0-1、1根预应力再生混凝土整浇梁L0-2和6根预应力再生混凝土叠合梁，这6根试验梁分别以再生混凝土在叠合梁的位置、叠合层高度、构件的配筋率为参数；所有试验梁均为一次受力构件。

表1 配合比Table 1 Mix Ratio

表2 再生混凝土的主要特性Table 2 Main Characteristics of Recycled Concrete

表3 试验梁参数及配筋Table 3 Test Beam Parameter and Reinforcement

图1 试验梁截面尺寸及配筋(单位:mm)Fig.1 Cross-section Size and Reinforcement of Test Beam (Unit:mm)

试验前对试验梁的材料性能进行了测试，结果如表4和表5所示。

表4 混凝土实测力学性能Table 4 Measured Mechanical Properties of Concretes

表5 钢筋力学性能Table 5 Mechanical Properties of Steel Bars

1.2 试验加载与测量方案

对试验梁采用两点集中加载，荷载P由位于千斤顶上部的压力传感器测量。每级荷载为计算极限承载力的10%，当加载至纵向受力钢筋屈服后，改为位移控制加载，以承载力下降至极限荷载的70%作为终点。

试验过程中，设置如下测量装置：在支座加载点及梁跨中设置位移计用以监测试件梁变形；在纵向受力钢筋表面设置钢筋应变片，用以监测其应力变化；预应力钢筋应力由位于端部压力传感器进行监测；试验梁跨中沿截面高度方向在混凝土表面设置一定数量混凝土应变片，用以测量沿高度方向的应变变化，如图2所示。

图2 试验加载装置Fig.2 Test Loading Device

2 试验现象

试验梁L0-1与L0-2在试验过程中呈现较为相近的破坏形态：加载至极限荷载的34%左右时，试验梁跨中附近对称出现弯曲竖向裂缝；随着荷载的增加，不断有新的裂缝出现，而且裂缝的宽度及高度随着荷载的增加而不断增大。临近极限承载力时，梁内纵向受力普通钢筋首先屈服；此后继续加载，梁的挠度增长加快。当达到承载力极限状态时，跨中部分混凝土被压碎，随机试验梁宣告破坏。

6根试验梁在试验过程中呈现出与上述2根梁较为相近的破坏特征，荷载增加至极限荷载的30%左右时，梁控制截面首先出现第1条裂缝，相比于其他不断出现的裂缝，这条裂缝随着荷载的增加，其宽度与高度发展较快，当荷载增加至极限荷载的60%时，受拉区混凝土裂缝穿越叠合层并向受压区不断扩展。达到承载力极限状态时，6根试验梁的受拉区普通钢筋先后屈服，但各梁呈现不同的破坏形态：试验梁L1-4达到承载力极限状态时钢筋虽然受拉屈服，但是受压区混凝土并未被压碎，由于其跨中控制截面挠度实测值已经超过计算跨度的1/50，且试验梁呈现出挠度变形不断增加而承载力不断降低的现象，随即停止加载；其余5根试验梁的破坏形态均为“通纵向受拉钢筋屈服，加载点间受压区混凝土被压碎”。试验梁破坏形态及典型破坏特征如图3所示。

图3 试验梁破坏形态及典型破坏特征Fig.3 Failure Forms and Typical Failure Characteristics of Test Beams

3 试验结果分析

3.1 平截面假定验证

由跨中混凝土布置的应变片可以得到试验梁控制截面处混凝土沿高度方向的应变变化情况，如图4所示。可以看出：在加载初期，试验梁截面符合平截面变化；加载至后期，各测点的实测数据逐渐离散，但基本符合平截面假定。因此可以认为，普通混凝土与再生混凝土之间有较好的相互作用，能够协同受力，共同变形。

图4 试验梁跨中截面混凝土应变分布Fig.4 Concrete Strain Distribution in Mid-span Section of Test Beam

3.2 荷载-跨中挠度曲线

图5给出了8根试验梁的荷载-跨中挠度曲线。由图5可以看出，在配筋相同条件下，由于普通现浇混凝土强度略高于再生混凝土，试验加载时现浇再生混凝土梁比现浇普通混凝土梁挠度更大。在相同荷载下，当再生混凝土位于预制层时，跨中挠度较大；在配筋相同条件下，随着预制层高度的增加，跨中挠度变小；在预制层高度相同条件下，随着配筋率的增加，挠度变小。

图5 试验梁荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load-mid-span Deflection Curves of Test Beams

3.3 预应力钢筋荷载-应力增量曲线

由位于预应力钢筋端部的力传感器可以测得试验过程中预应力钢筋应力变化情况，结果如图6所示。可以看出：由于采用无黏结预应力混凝土结构形式，混凝土与预应力钢筋之间没有黏结作用，因此达到承载力极限状态时，各试验梁的极限应力值均未达到其设计强度。此外，预应力钢筋的应力变化可以分为3个阶段，分界点为受拉区混凝土开裂和梁内纵向受力普通钢筋受拉屈服处。在这2个分界点处，无黏结预应力钢筋的应力曲线均出现拐点，钢筋应力增量加快，尤其是在普通钢筋屈服后，增加的荷载均由预应力钢筋承担，此时应力增量显著增大。

图6 试验梁预应力钢筋的荷载-应力增量曲线Fig.6 Load-stress Increment Curves of Prestressed Steel Bars of Test Beams

3.4 裂缝分布特点

图7为8根试验梁一侧裂缝分布及发展变化实测图，裂缝处数字为在该高度时的荷载等级。从图7可以看出：在相同配筋条件下，与现浇普通混凝土梁相比，现浇再生混凝土梁达到极限荷载时裂缝数量较多，裂缝扩展高度较小；在相同配筋条件下，当再生混凝土位于叠合层时，与普通混凝土位于叠合层相比，裂缝数量有所增加，裂缝间距相对较小；当再生混凝土位于预制层时，在相同配筋条件下，随着预制层高度的增加，平均裂缝间距逐渐增大，裂缝向上扩展高度增大；同样，当再生混凝土位于预制层时，保持预制层高度相同条件下，随着构件配筋率的增加，裂缝数量略微减少，平均裂缝间距逐渐增大，裂缝向上扩展高度逐渐减小。

图7 试验梁裂缝分布(单位:kN)Fig.7 Crack Distributions of Test Beams (Unit:kN)

3.5 弯矩特征值分析

表6列出了8根试验梁各阶段弯矩以及跨中挠度实测值。由表6可以看出：当预制层为普通混凝土时，试验梁的开裂弯矩有所提高，这主要是由于相对于普通混凝土，再生粗骨料与水泥砂浆之间的初始微裂缝较多，在拉应力作用下，裂缝不断形成和扩展，使拉变形很快增长，从而降低了试验梁的开裂弯矩。随着试验梁配筋率的提高，试验梁的屈服弯矩和极限弯矩显著增加。随着预制层高度的增加，试验梁的屈服弯矩和极限弯矩均增大。

表6 试验梁试验结果Table 6 Test Results of Test Beams

4 承载力计算

由前述内容可知，平截面假定适用于无黏结预应力再生混凝土叠合梁，采用《规范》中预应力普通混凝土梁正截面受弯极限承载力Mu的计算公式，即

α1fcbx=σpAp+fyAs

(1)

(2)

式中：α1为系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0；fy为普通钢筋屈服强度的实际测量值；x为混凝土受压区高度；As为拉伸区域中的纵向普通钢筋的横截面面积；σp为在极限承载力状态下无黏结预应力钢绞线的应力，取值见表7；Ap为预应力筋的截面面积；fc为混凝土抗压强度的实际测量值，根据表3，普通混凝土取41.94 MPa，再生混凝土取33.13 MPa；b为梁宽度；hp为受压区混凝土边缘至预应力筋合力作用点的距离；hs为从受压区混凝土边缘到拉伸区中纵向普通钢筋合力作用点的距离。

表7 极限承载力状态下无黏结预应力钢绞线的应力值Table 7 Stress Values of Unbonded Prestressed Steel Strand Under Ultimate Bearing Capacity State

按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度ωmax可按照公式(3)～(6)计算。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：αcr为构件受力特征系数；ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力或按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为钢筋的弹性模量；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径；Ate为有效受拉混凝土截面面积；di为受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；ni为受拉区第i种纵向钢筋的根数；νi为受拉区第i种钢筋的相对黏结特性系数。

各试验梁极限承载力的计算值与实测值对比情况见表8。由表8可知：依据《规范》计算的无黏结预应力再生混凝土叠合梁的受弯承载力与实测值比值的平均值为0.964，标准差为0.051，变异系数为0.053，计算结果与试验实测结果吻合良好，说明运用《规范》中的公式进行无黏结预应力再生混凝土叠合梁构件受弯承载力计算是可行的。为指导工程应用，在实际工程计算中，为偏于安全，对公式(2)计算得到的极限承载力乘以0.9的折减系数。

表8 试验梁极限承载力计算值与实测值对比Table 8 Comparison of Calculated Values and Measured Values of Ultimate Bearing Capacity of Test Beams

5 结语

(1)当再生混凝土应用于预应力叠合受弯构件时，跨中截面高度的应变变化规律与截面平截面假定一致，普通混凝土与再生混凝土之间有较好的相互作用，能够协同受力，共同变形。

(2)无黏结预应力钢绞线的应力增量曲线为三折线。当再生混凝土位于预制层时，在配筋相同条件下，预制层高度增加会延缓梁内纵向受力普通钢筋受拉屈服。相同预制层高度时，提高纵向钢筋强度，会有效提高梁的性能。

(3)与普通混凝土梁相比，再生混凝土梁裂缝数量相对较多，达到极限荷载时裂缝扩展高度相对较小；再生混凝土位于叠合层时，裂缝数量有所增加，裂缝间距相对较小；随着预制层高度和构件配筋率的增加，试验梁平均裂缝间距逐渐增大。

(4)基于试验数据，对承载力极限状态下无黏结预应力再生混凝土叠合梁承载力进行验证，计算值与实测值吻合较好。