李長永, 聶旭, 康星星, 彭超, 張曉燕, 趙順波

(華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州450045)

鋼纖維全輕混凝土疊澆梁斜截面受剪疲勞性能的試驗研究

李長永, 聶旭, 康星星, 彭超, 張曉燕, 趙順波

(華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州450045)

為了充分發(fā)揮鋼纖維全輕混凝土對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本性能、抗凍融能力等的增強作用，通過在一定高度的鋼纖維全輕混凝土上澆筑普通混凝土的方法研發(fā)了一種新型鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁。在承受疲勞荷載作用的情況下，需要明晰鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁的疲勞性能及其設(shè)計方法。為此,進行了鋼纖維全輕混凝土截面高度和鋼纖維摻量變化的10根鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁的斜截面受剪疲勞性能試驗，研究了不同疲勞破壞特征受疲勞荷載上限值和剪跨段斜裂縫初始寬度的影響機理。結(jié)果表明：疲勞荷載上限值控制了斜裂縫初始寬度和箍筋的初始應(yīng)力幅，并對疲勞壽命產(chǎn)生了顯著影響。隨著疲勞荷載上限值的增大，斜裂縫寬度發(fā)展迅速，疊澆梁因箍筋脆性斷裂而發(fā)生疲勞破壞；疲勞過程中超載導致斜裂縫寬度和箍筋應(yīng)力幅的突然增大，是造成疲勞破壞的主要原因之一?？紤]受拉區(qū)鋼纖維全輕混凝土的增強作用，提出了疊澆梁斜裂縫寬度計算公式和疲勞次數(shù)驗算公式。

疊澆梁;鋼纖維全輕混凝土;截面高度;鋼纖維摻量;受剪疲勞;斜裂縫寬度;箍筋應(yīng)力幅;疲勞壽命

對于高層建筑、大跨和大空間結(jié)構(gòu)，混凝土自重對其正常使用和承載能力具有明顯的影響。因此，高性能輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注[1-4]。在此背景下，本文作者的課題組研發(fā)了全部粗、細骨料均采用燒結(jié)膨脹頁巖陶粒的鋼纖維全輕混凝土[5-10]，并對其進行了試驗研究。由試驗結(jié)果知，鋼纖維全輕混凝土在最大程度減輕自重的前提下，具有很多綜合優(yōu)良性能，比如增強了基本力學性能特別是抗拉強度[5-8]，提高了抗凍融能力[9]，降低了收縮等[10]。當將鋼纖維全輕混凝土用于現(xiàn)場澆筑成型的鋼筋混凝土疊澆梁的截面受拉區(qū)時，疊澆梁在靜載作用下的抗裂度、裂縫寬度和撓度等正常使用性能以及承載能力均可得到改善和提高[11-16]。

NES and ?VERLI 進行了類似的分層梁受力性能研究[17](分層梁由鋼纖維輕骨料混凝土底層和澆筑其上的普通混凝土層組成)，結(jié)果表明，在彎矩和剪力作用下，梁的同截面上下層黏結(jié)良好，沒有出現(xiàn)滑移，鋼纖維輕骨料混凝土提高了梁的抗拉延性，可以減少普通抗剪鋼筋的配置量。文獻[18]研究了將超高韌性水泥基復(fù)合材料用于受拉區(qū)的分層混凝土復(fù)合梁的靜力和疲勞抗彎性能。結(jié)果表明，在靜力和疲勞荷載作用下，梁受彎時平截面假定仍然成立，層間界面具有可靠的黏結(jié)強度，超高韌性水泥基復(fù)合材料對受拉區(qū)混凝土層的延性具有增強作用，使得復(fù)合梁具有延性變形能力。

將鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁應(yīng)用于橋梁、吊車梁、列車軌枕和海洋平臺工程時，它將承受反復(fù)荷載作用，其可靠的疲勞壽命對于結(jié)構(gòu)安全性是非常重要的[19-22]，而在現(xiàn)行的輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中尚未有相關(guān)規(guī)定[1-2]。因此，需要開展鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁抗疲勞性能的研究。鑒于此，筆者進行了鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁斜截面受剪疲勞性能試驗研究，提出了相應(yīng)的評價鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁斜截面受剪疲勞性能的計算方法。

1 試驗概況

1.1 試驗梁的設(shè)計與制作

試驗設(shè)計、制作了10根矩形截面梁。梁的寬度b=150 mm、高度h=400 mm、長度l=3.2 m，如圖1所示。 跨度l0=2.9 m，剪跨比λ=2.0。縱向受拉鋼筋為2φ25 mmHRB400，架立筋為2φ8 mmHPB335，箍筋為φ6@120 mm HPB300?？v向受拉鋼筋配筋率ρ=1.84%，配箍率ρsv=0.32%?？v向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度c=25 mm。 鋼纖維全輕混凝土的截面高度h1=200～280 mm，對應(yīng)的截面高度比h1/h=0.5～0.7。鋼纖維全輕混凝土的鋼纖維體積率ρf=0.8 %～1.6 %。

圖1 鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁立視圖(單位：mm)

試驗梁在實驗室制作。在完成鋼筋骨架和模板組裝后，首先澆筑并振搗鋼纖維全輕混凝土至設(shè)計截面高度，然后在鋼纖維全輕混凝土達到初凝前在其上澆筑普通混凝土并振搗、抹面成型[11-16]。見表1所列，梁的編號含義：疊澆梁(SB)鋼纖維體積率(ρf)-截面高度比(αhh1/h)；每組有2根梁，代號分別為a、b。其中截面尺寸b和h為實測值。

1.2 混凝土的制備

原材料采用P·O 52.5水泥，其物理力學性能見表2。礦物摻合料為II-級粉煤灰，密度2 049 kg/m3、需水量比95%、細度3.9%。

表1 試驗梁特征參數(shù)

表2 水泥的物理力學性能

鋼纖維全輕混凝土采用燒結(jié)膨脹頁巖陶粒作為粗細骨料，其物理力學性能見表3，陶粒的級配按照最大緊密堆積密度調(diào)配。薄板剪切型鋼纖維，長度36 mm、等效直徑1.35 mm。這些材料的外貌特征如圖2所示。

表3 粗細輕骨料的物理力學性能

普通混凝土采用粒徑5～20 mm的石灰?guī)r碎石和細度模數(shù)2.84的天然砂，其物理力學性能見表4。減水劑為減水率19%的萘系高效減水劑，攪拌用水為自來水。鋼筋的性能見表5。

鋼纖維全輕混凝土配合比設(shè)計采用規(guī)范JGJ 51—2002和GB/T 472—2015規(guī)定的絕對體積法[23-24]進行設(shè)計。所有配合比的膠凝材料用量為水泥440 kg/m3、粉煤灰110 kg/m3，水膠比0.25，減水劑用量為膠凝材料用量的1.0%。用于預(yù)濕輕骨料的附加用水量按圖3所示的輕骨料1 h吸水率確定，吸水率按規(guī)范GB/T 17431.2—2010的規(guī)定測試[25]。鋼纖維全輕混凝土和普通混凝土的配合比見表6和表7。

圖2 輕骨料和鋼纖維的外貌特征

粒徑/mm細度模數(shù)堆積密度/(kg/m3)表觀密度/(kg/m3)緊密堆積密度/(kg/m3)壓碎指標/%片狀顆粒含量/%含泥量/%5～20—1583277016827.2110.70.16～5.002.84148926181598——1.7

表5 鋼筋的性能

鋼纖維全輕混凝土和普通混凝土拌合物坍落度按規(guī)范GB/T 50080—2002規(guī)定的坍落度筒法進行測試[26]。所有拌合物均具有良好的工作性能，適宜于模內(nèi)澆筑成型，坍落度實測值見表6和表7。

鋼纖維全輕混凝土和普通混凝土基本力學性能試驗按規(guī)范GB/T 50081—2002的規(guī)定進行[27]。立方體抗壓和劈裂抗拉強度試驗采用邊長150 mm的立方體試塊，軸心抗壓強度和彈性模量試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊。所有試塊成型后伴隨試驗梁的養(yǎng)護至驗梁疲勞試驗時，試驗梁的各項測試結(jié)果見表6和表7。

圖3 輕骨料吸水率變化曲線

表6 鋼纖維全輕混凝土的配合比

表7 普通混凝土的配合比

1.3 疲勞試驗方法

試驗梁加載方式采用頂部2點集中荷載，如圖4所示。

按規(guī)范GB 50152—2012規(guī)定[28]，選取等幅正弦荷載，頻率10 Hz。加載及控制設(shè)備采用MTS 疲勞試驗系統(tǒng)。試驗步驟如下：

圖4 試驗梁疲勞試驗裝置實景照片

步驟1在疲勞上限荷載20%范圍內(nèi)預(yù)加載2～3次，調(diào)試并保證試驗加載和測試系統(tǒng)正常工作；

步驟2正式進行2次靜力反復(fù)荷載試驗，在荷載達到疲勞荷載上限后卸載，開始疲勞試驗；

步驟3當疲勞次數(shù)N=5 000、1萬、5萬、10萬、20萬、50萬和100萬次時，進行試驗測試。此后疲勞次數(shù)每增加5萬次，進行一次試驗指標測試；

步驟4重復(fù)試驗步驟3，直至試驗梁破壞。

疲勞荷載比ρf=0.1。對于試驗梁SB0.8-0.5-a、SB0.8-0.6-a和SB1.2-0.6-a，疲勞荷載上限取為靜載極限抗剪能力的55%。由于這3根試驗梁未產(chǎn)生預(yù)期的疲勞破壞，其他試驗梁的疲勞荷載上限按對應(yīng)于與箍筋相交處斜裂縫寬度0.2 mm取值。

如圖5所示，應(yīng)變片用于測試加載點附近剪壓區(qū)和跨中表面的混凝土應(yīng)變，安裝在跨中、加載點和支座部位的電阻位移計用于測試梁的撓度。與箍筋相交處的斜裂縫寬度采用精度0.02 mm的裂縫寬度讀數(shù)儀觀測。

圖5 位移計和應(yīng)變片布置示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞破壞特征

表8列出了試驗梁的破壞特征，圖6示出了試驗梁破壞段的圖片。SB0.8-0.6-a、SB0.8-0.6-b、SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b等5根梁發(fā)生了箍筋疲勞斷裂特征的斜截面抗剪破壞，這些梁的疲勞荷載上限均取為對應(yīng)于與箍筋相交處斜裂縫寬度達0.2 mm時的荷載值。由于鋼纖維全輕混凝土中的鋼纖維對斜裂縫擴展的約束作用，疲勞荷載上限隨著鋼纖維體積率的增大而增大。

表8 試驗梁的破壞特征

梁SB0.8-0.5-a和SB1.2-0.6-a在疲勞次數(shù)達到數(shù)百萬次后仍沒有發(fā)生疲勞破壞，最終靜載破壞。梁SB0.8-0.5-b發(fā)生了預(yù)料之外的跨中混凝土斜拉破壞，破壞由剪跨段底部一條斜裂縫突然延伸至跨中段，導致跨中段鋼纖維全輕混凝土未受箍筋約束而斜向劈裂破壞。梁SB0.8-0.7-a和SB0.8-0.7-b僅承受十幾萬次的疲勞荷載作用就發(fā)生了預(yù)料之外的支座區(qū)域梁底部鋼纖維全輕混凝土的壓碎破壞。

圖6 試驗梁破壞形態(tài)

由于截面受壓區(qū)普通混凝土的抗壓強度高于鋼纖維全輕混凝土的，加載點附近剪壓區(qū)混凝土應(yīng)變隨著疲勞次數(shù)的增加而線性增大，但沒有發(fā)生剪壓區(qū)混凝土破壞。

2.2 斜裂縫寬度(ωcr)的驗算

如圖7所示，疲勞荷載上限取為靜力抗剪荷載的55%時，卸載時殘余斜裂縫寬度平均值和疲勞荷載達到上限時的斜裂縫寬度平均值隨疲勞次數(shù)的發(fā)規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)初始快速而后平穩(wěn)的發(fā)展變化趨勢。在疲勞次數(shù)5萬次之前，梁側(cè)面出現(xiàn)數(shù)條斜裂縫，伴隨著裂縫寬度快速增大并向加載點延伸。受新出現(xiàn)裂縫和鄰近裂縫擴展的影響，殘余最大裂縫寬度值和疲勞荷載上限時的最大裂縫寬度值隨疲勞次數(shù)的增加呈波浪形變化。當疲勞次數(shù)分別達到950萬和650萬次時，梁SB0.8-0.5-a和SB1.2-0.6-a對應(yīng)于疲勞荷載上限的最大裂縫寬度依次為0.55 mm和0.40 mm，最大裂縫殘余寬度依次為0.25 mm和0.15 mm。

疲勞荷載上限為55%靜力抗剪荷載的梁SB0.8-0.6-a，在疲勞次數(shù)5 000～10 000次時發(fā)生了超載，導致斜裂縫寬度突然增大，造成了鋼纖維約束斜裂縫的“橋架作用”和斜裂縫間骨料“咬合作用”的不可恢復(fù)性破壞。如圖8所示，疲勞次數(shù)5萬次后，殘余裂縫寬度的平均增加量為0.18 mm、最大增加量為0.75 mm，對應(yīng)的殘余最大裂縫寬度值為0.86 mm，疲勞荷載上限時的裂縫寬度最大值為1.07 mm。此后直至疲勞破壞前，裂縫寬度最大值增量較小。與疲勞荷載作用的鋼筋混凝土梁和鋼筋鋼纖維混凝土梁類似[29-33]，梁SB0.8-0.6-a的殘余最大裂縫寬度值及其在疲勞荷載上限時的裂縫寬度最大值呈現(xiàn)突然增大、相對穩(wěn)定增大和快速增大的變化規(guī)律。

圖7 疲勞荷載上限為55 %靜力抗剪能力的試驗梁斜裂縫寬度變化

圖8 疲勞初期超載的試驗梁SB0.8-0.6-a斜裂縫寬度變化曲線

當疲勞荷載上限對應(yīng)的初始斜裂縫寬度為0.2 mm時，梁SB0.8-0.6-b和SB1.2-0.6-b的殘余裂縫寬度平均值呈現(xiàn)隨著疲勞次數(shù)增加先快速增加、后穩(wěn)定增加的發(fā)展變化趨勢。與梁SB0.8-0.6-b比較，梁SB1.2-0.6-b在疲勞次數(shù)1萬次后對應(yīng)于疲勞荷載上限的最大裂縫寬度增量較大。疲勞次數(shù)為80萬次時，梁SB0.8-0.6-b的殘余裂縫寬度最大值為0.31 mm，疲勞荷載上限時的裂縫寬度最大值為0.65 mm。疲勞次數(shù)100萬次時，梁SB1.2-0.6-b的殘余裂縫寬度最大值為0.32 mm，疲勞荷載上限時的裂縫寬度最大值為0.90 mm。與此不同的是，梁SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b在疲勞1萬次時的內(nèi)斜裂縫寬度快速增加，在沒有更多斜裂縫出現(xiàn)的情況下發(fā)生了箍筋斷裂破壞。

根據(jù)加載點附近剪壓區(qū)混凝土受壓應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)，試驗梁剪壓區(qū)混凝土具有可靠的抗剪壓疲勞性能，且鋼纖維全輕混凝土與普通混凝土疊澆界面沒有觀測到剪切-滑移現(xiàn)象。因此，疲勞荷載作用下疊澆梁剪壓區(qū)普通混凝土的功能與鋼筋混凝土梁的類似[29,31,34]，鋼纖維全輕混凝土的抗剪-拉作用類似于鋼纖維混凝土梁的和鋼筋混凝土梁的[33,35]。依據(jù)鋼纖維混凝土梁和鋼筋混凝土梁的研究成果[32,35,36]，結(jié)合本文試驗結(jié)果進行修正，疊澆梁側(cè)表面與箍筋相交處斜裂縫寬度可按下列公式計算：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)通過鋼纖維摻量特征值體現(xiàn)了鋼纖維對斜裂縫擴展的約束作用，通過鋼纖維混凝土抗拉強度體現(xiàn)了疊澆梁受拉區(qū)鋼纖維對斜截面抗裂的增強作用及其對箍筋應(yīng)力的降低效果。圖7—9給出了疊澆梁在疲勞荷載上限時的裂縫寬度最大值的實測與計算結(jié)果的比較情況：盡管量值有所差異，但兩者在發(fā)展趨勢上吻合良好。從圖8可以看出，由于超載的影響，斜裂縫寬度增長突然偏離了正常值。受限于試驗數(shù)據(jù)，上述計算公式仍需進一步的試驗研究論證。

圖9 疲勞荷載上限對應(yīng)于斜裂縫寬度0.2 mm的試驗梁斜裂縫寬度變化曲線

2.3 箍筋疲勞應(yīng)力驗算

結(jié)合鋼筋混凝土梁和鋼纖維混凝土梁的研究成果[29,31-32,34-36]，剪跨比相同時，靜載與動載作用下梁的受剪破壞形態(tài)沒有差異。當≥2.0時，梁的疲勞抗剪能力取決于箍筋拉應(yīng)力幅此處為疲勞荷載上限時的箍筋應(yīng)力為疲勞荷載下限時的箍筋應(yīng)力。為了簡化計算，忽略骨料咬合作用和縱向受拉鋼筋的銷栓作用等次要影響，并假定箍筋最小與最大應(yīng)力比等于疲勞荷載的最小與最大值之比，即則箍筋拉應(yīng)力幅可按下式計算：

(4)

圖10給出了試驗梁的箍筋拉應(yīng)力幅計算結(jié)果。由圖10可以明顯看出，試驗梁的疲勞破壞實質(zhì)上取決于箍筋拉應(yīng)力幅的大小。梁SB0.8-0.5-a的初始萬次疲勞試驗后184.0 MPa；梁SB1.2-0.6-a的初始萬次疲勞試驗后；因箍筋的初始拉應(yīng)力幅均小于規(guī)范GB 50010—2010規(guī)定值165 MPa[19]，這2根梁均未發(fā)生疲勞破壞。如果疲勞試驗5 000～10 000次沒有超載，梁SB0.8-0.6-a在箍筋初始條件下的疲勞性能應(yīng)該與這2根梁的相似。然而，超載使得箍筋應(yīng)力達338.2 MPa，破壞了鋼纖維對斜裂縫開展的限制作用和受拉區(qū)鋼纖維全輕混凝土對疊澆梁受剪能力的增強作用，不可避免地造成了箍筋拉應(yīng)力幅的增大，因此箍筋疲勞斷裂導致了疊澆梁的受剪疲勞破壞。

圖10 試驗梁箍筋應(yīng)力幅計算結(jié)果

當疲勞荷載上限按最大斜裂縫寬度0.2 mm取值時，箍筋的應(yīng)力和應(yīng)力幅增大。梁SB0.8-0.6-b、SB0.8-0.7-a、SB0.8-0.7-b、SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a、SB1.6-0.6-b的初始分別為224.2、229.1、244.5、280.1、292.3、290.8 MPa，這些梁均發(fā)生受剪疲勞破壞。梁SB1.2-0.6-b、SB1.6-0.6-a和SB1.6-0.6-b的初始應(yīng)力幅增大，鋼纖維對受剪疲勞的增強作用反映至增大疲勞荷載上限值，沒有直接體現(xiàn)在增加疲勞次數(shù)上。

3 結(jié)語

基于對鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁的受剪疲勞性能的試驗研究，可得到如下的結(jié)論：

1)在疲勞荷載上限的斜裂縫寬度達到一定值時，疊澆梁發(fā)生以箍筋斷裂為特征的受剪疲勞破壞，其實質(zhì)是箍筋初始應(yīng)力幅超過了安全限值。由于疲勞荷載上限隨著鋼纖維摻量的增加而增大，鋼纖維對疊澆梁疲勞壽命的提高作用沒有直接反映在疲勞次數(shù)的增加上。

2)隨著疲勞次數(shù)的增加，斜裂縫寬度呈現(xiàn)快速、穩(wěn)定和失穩(wěn)三階段的增長特征。文中提出了不同疲勞次數(shù)時最大斜裂縫寬度的預(yù)測公式，反映了鋼纖維對裂縫開展的限制作用和鋼纖維全輕混凝土對疊澆梁斜截面抗裂的增強作用。斜裂縫寬度最大值的實測和計算結(jié)果盡管在數(shù)值上存在差異，但發(fā)展趨勢符合良好。

3)疲勞過程中超載導致箍筋應(yīng)力和斜裂縫寬度的突然增大，破壞了鋼纖維對裂縫開展的約束作用和受拉區(qū)鋼纖維全輕混凝土對疊澆梁抗剪能力的提高作用。這不可避免地增大了箍筋的應(yīng)力幅，導致了因箍筋斷裂而產(chǎn)生的疊澆梁受剪疲勞破壞現(xiàn)象。因此，需要重視疊澆梁在正常使用狀態(tài)下的超載情況。

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ExperimentalStudyonShearBehaviorofReinforcedSFRFLCSuperposedBeams

LI Changyong, NIE Xu, KANG Xingxing, PENG Chao, ZHANG Xiaoyan, ZHAO Shunbo

(Henan Province International United Lab of Eco-building Materials and Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

For the optimum application of steel fiber reinforced full-lightweight concrete (SFRFLC), a new reinforced SFRFLC superposed beam was developed by pouring ordinary concrete on a certain height of SFRFLC. Considering the conditions of concrete structures subjected to cyclic loading, the fatigue behaviors and calculation methods of this reinforced SFRFLC superposed beam should be cleared. In this paper, we introduced the shear fatigue experiment of 10 reinforced SFRFLC superposed beams in changes of the sectional depth of SFRFLC and the steel fiber content, and analyzed the mechanisms of different characteristics of fatigue failure affected by the maximum fatigue load and the diagonal crack width at shear-span of test beams. Results show that the maximum fatigue load controls the initial diagonal crack width and the initial stress amplitude of stirrups, which has a great influence on the fatigue life. With the increase of maximum fatigue load, the growth of diagonal crack width becomes fast, the fatigue failure of test beams may take place due to the fracture of stirrups. Overload during fatigue was one of the main reasons of fatigue failure, which resulted in the sudden increase of diagonal crack width and stirrup′s stress amplitude. Considering the enhancement of SFRFLC in tension zone, formulas are suggested for the calculating of diagonal crack width and the checking of fatigue time.

superposed beam; steel fiber reinforced full-lightweight concrete; sectional depth; steel fiber content; shear fatigue; diagonal crack width; stirrup′s stress amplitude; fatigue life

杜明俠)

TV213.4

A

1002-5634(2017)06-0016-09

2017-10-20

河南省高等學校重點科研項目(16A560024)；河南省高校生態(tài)建筑材料與結(jié)構(gòu)工程科技創(chuàng)新團隊(13IRTSTHN002)；河南省新型城鎮(zhèn)建筑技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心(河南省教育廳，教科技〔2013〕638號)。

李長永(1977—)，女，天津人，副教授，博士，從事土木工程材料與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：lichang@ncuw.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.003