于潤澤，李 杰，司炳君

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

對于遭受長期荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)，如混凝土大壩，安全殼以及冷卻塔等，由于混凝土內(nèi)部損傷的積累，結(jié)構(gòu)的安全性及服役性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。長期荷載作用下，荷載水平以及加載時(shí)間是影響混凝土服役性能的主要因素。一般來說，混凝土在低荷載水平作用下產(chǎn)生線性黏彈性變形，并且在持續(xù)加載過程中保持穩(wěn)定。相對地，高荷載水平作用下，裂縫擴(kuò)展與混凝土黏彈性相互作用產(chǎn)生非線性變形甚至可能造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞[1]。因此，為了更加充分地了解長期荷載作用對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性的影響，對長期高荷載水平作用后，混凝土的剩余承載力進(jìn)行評估是非常有必要的。

在過去的幾十年里，關(guān)于混凝土徐變行為已進(jìn)行大量的研究[2-4]?，F(xiàn)有的研究主要針對混凝土拉壓荷載作用下的徐變變形，主要考慮荷載水平[2]、水泥種類[5]、粗骨料類型[6]以及混凝土強(qiáng)度[7]等對徐變的影響。研究結(jié)果表明拉壓荷載作用下混凝土的徐變規(guī)律類似。在高荷載水平作用下，徐變過程根據(jù)徐變速率可分為三個(gè)階段，第一階段，徐變率逐漸減??；第二階段，徐變率保持穩(wěn)定；第三階段，徐變率快速增加，其中第二階段徐變持續(xù)的時(shí)間大概占整個(gè)破壞時(shí)間的70%，因此研究認(rèn)為第二階段徐變速率可以用來預(yù)測徐變破壞時(shí)間[1]。相對地，在低荷載水平作用下，徐變過程經(jīng)歷第一階段和第二階段并不會進(jìn)入第三階段。此外，混凝土組成成分的變化對徐變并無明顯的影響。目前，對于在彎曲荷載作用下混凝土徐變過程的研究相對較少。而且，這些少量針對混凝土彎曲徐變的研究大多較短時(shí)間內(nèi)完成，如1個(gè)月、3個(gè)月[8-10]。因此，為了更清楚地了解混凝土在長期荷載作用下的徐變規(guī)律，對混凝土進(jìn)行長期彎曲徐變研究并對長期荷載作用后混凝土的剩余承載力進(jìn)行分析是非常有意義的。

目前，已有一些學(xué)者針對徐變后混凝土的斷裂性能進(jìn)行了研究。Omar等[10]研究了混凝土在80%極限荷載 (Pmax) 持續(xù)加載3個(gè)月后混凝土的斷裂性能。結(jié)果表明長期荷載作用后混凝土的斷裂能有明顯的減小。與伴隨試件相比，徐變混凝土的剩余承載力并無明顯變化。Saliba等[8-9]對85%極限荷載作用120 d后的混凝土進(jìn)行斷裂特性分析。研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)荷載作用后，混凝土的剩余承載力有一定的增加。這一現(xiàn)象被解釋為是由于長期加載過程中混凝土受壓區(qū)得到強(qiáng)化而引起。此外，Dong等[11-12]、Rong等[13]和吳喬等[14]對不同荷載水平作用1個(gè)月和3個(gè)月后混凝土的斷裂特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明長期荷載作用后混凝土的剩余承載力有較為明顯的提高。根據(jù)數(shù)值分析可知在長期荷載作用過程中，由于應(yīng)力松弛的發(fā)生，混凝土裂縫尖端的應(yīng)力減小，這造成混凝土剩余承載力的增加。如上所述，目前關(guān)于持續(xù)荷載作用后混凝土剩余承載力的研究結(jié)果并不一致，且持續(xù)加載過程均在較短時(shí)間內(nèi)完成。

基于以上分析，為了評估長期荷載作用后混凝土的剩余承載力，本文首先對混凝土梁施加60%極限荷載和80%極限荷載的恒定荷載并進(jìn)行為期6個(gè)月和12個(gè)月的長期加載。長期加載試驗(yàn)結(jié)束后，對一部分混凝土梁進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)。此外，對在80%Pmax持續(xù)加載12個(gè)月的混凝土梁進(jìn)行5 500 N (靜載峰值荷載)和6 000 N (1.1倍靜載峰值荷載)的持載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中得到在長期加載過程中加載點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線以及混凝土的起裂荷載和極限荷載。最終，對長期荷載作用后混凝土剩余承載力進(jìn)行評估。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件準(zhǔn)備

本文采用尺寸為500 mm ×100 mm×100 mm(長×寬×高)的混凝土梁，初始縫高比為0.3。混凝土的強(qiáng)度等級為C30，其配合比為水泥∶沙子∶石子∶水=1∶ 2∶3.7∶0.6。水泥為P42.5普通硅酸鹽水泥，沙子采用最大粒徑為5 mm的河沙，石子的最大粒徑為10 mm。試件在澆筑24 h后進(jìn)行拆模，并且放入溫度為20℃±2℃，濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)27 d。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50081—2002)，采用300 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測定混凝土基本力學(xué)性能參數(shù)。其中劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，彈性模量試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件。混凝土在28 d時(shí)的材料參數(shù)如表1所示，表中E、ft以及fc分別為彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度。為了防止在長期加載過程中混凝土水分散失，使用雙層錫紙對養(yǎng)護(hù)到期的混凝土梁進(jìn)行密封。與徐變試件同時(shí)澆筑、養(yǎng)護(hù)、未進(jìn)行徐變加載的混凝土梁作為伴隨試件。

表1 混凝土材料參數(shù)

1.2 徐變試驗(yàn)

為了標(biāo)定徐變過程中施加的恒定荷載，對養(yǎng)護(hù)到期的混凝土梁首先進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)，三組試件的平均極限為4 021 N。徐變試驗(yàn)在溫度為20℃±2℃、濕度為50%的恒溫恒濕試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。混凝土梁在自制的徐變加載架進(jìn)行長期加載，加載裝置如圖1所示。荷載傳感器及顯示器與加載架連接，通過旋轉(zhuǎn)加載架上的螺桿調(diào)節(jié)施加在混凝土梁上荷載的大小。在本試驗(yàn)中施加60%Pmax(60%×4 021=2 400 N)和80%Pmax(80%×4 021=3 200 N) 兩種荷載水平，并且持續(xù)加載6個(gè)月和12個(gè)月。需要說明的是，在靜載斷裂試驗(yàn)中混凝土梁的起裂荷載均值為2 644 N(約65.7%Pmax)。因此認(rèn)為混凝土梁在加載60%Pmax時(shí)并未起裂，而在80%Pmax作用下，混凝土已經(jīng)起裂。在徐變過程中，使用千分表對混凝土加載點(diǎn)位移進(jìn)行監(jiān)測。由于混凝土變形的增加，持載過程中荷載值會隨時(shí)間的增加逐漸小，當(dāng)荷載減小超過2%，則通過轉(zhuǎn)動螺桿進(jìn)行補(bǔ)載使荷載保持穩(wěn)定。

圖1 徐變加載裝置圖

1.3 斷裂試驗(yàn)

徐變試驗(yàn)結(jié)束后，將混凝土梁從加載架取出并進(jìn)行靜載三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)。斷裂試驗(yàn)在25 t伺服萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載過程采用位移控制，加載速率為0.036 um/min。試驗(yàn)過程中，使用夾式引伸儀測量混凝土梁的加載點(diǎn)(δ)以及裂縫口張開位移，如圖2 所示。

圖2 三點(diǎn)彎加載裝置圖

對于伴隨試件及60%Pmax作用后的混凝土梁，為了得到試件的起裂荷載，四個(gè)應(yīng)變片分別粘貼于試件前后面距離裂縫尖端5 mm處。在加載過程中，隨著荷載的增加，裂縫尖端彈性應(yīng)變能逐漸增大引起應(yīng)變值的增大。當(dāng)縫尖起裂后，彈性應(yīng)變能釋放造成應(yīng)變值快速減小[16]，據(jù)此可判定起裂荷載的數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 荷載水平對徐變變形的影響

圖3 所示為混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下，加載6個(gè)月和12個(gè)月過程中加載點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線?；炷亮涸诔州d過程中均未發(fā)生破壞，徐變經(jīng)歷第一階段與第二階段，未進(jìn)入第三徐變階段。試件在60%Pmax荷載作用下，加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩(wěn)定且加載點(diǎn)位移幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。相對地，混凝土梁在80%Pmax荷載作用下，加載點(diǎn)位移變化規(guī)律與60%Pmax作用下類似。但在持載過程中，加載點(diǎn)位移仍然有一定的增長，徐變過程明顯為非線性徐變。這表明混凝土梁在80%Pmax作用下，裂縫已經(jīng)擴(kuò)展并且與混凝土黏彈性相互作用產(chǎn)生非線性徐變。此外，試驗(yàn)結(jié)果也表明在持續(xù)荷載作用下即使有裂縫擴(kuò)展，混凝土也有可能保持穩(wěn)定不發(fā)生破壞。

圖3 長期荷載作用下加載點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線

2.2 徐變對混凝土斷裂性能的影響

徐變試驗(yàn)結(jié)束后，混凝土在靜載條件下加載到破壞。試驗(yàn)結(jié)果見表2，Pini、Pmax、Sc和Gf分別為起裂荷載、剩余承載力、臨界裂縫口張開位移和斷裂能。60%-6和80%-6分別代表混凝土試件在60%Pmax和80%Pmax荷載作用下持續(xù)加載6個(gè)月。60%-12表示混凝土試件在60%Pmax荷載作用下持續(xù)加載12個(gè)月。由表可見，與伴隨時(shí)間相比，徐變后混凝土的Pini及Pmax均有明顯的增加。對于80%Pmax作用下的試件，由于混凝土在持載過程中已經(jīng)起裂，因此在靜載斷裂試驗(yàn)中并未得到起裂荷載。此外荷載水平越高，混凝土梁的剩余承載力越大。如徐變6個(gè)月后，伴隨試件，60%Pmax和80%Pmax徐變試件的平均剩余承載力分別為5 113 N，5 308 N以及5 661 N。Dong等[12]研究表明在徐變過程中，由于應(yīng)力松弛，混凝土梁縫尖的應(yīng)力明顯減小。徐變試驗(yàn)結(jié)束后，在進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)的過程中，縫尖減少的應(yīng)力需要填補(bǔ)才能驅(qū)使裂縫擴(kuò)展，這造成徐變試件起裂荷載和剩余承載力的提高。此外，根據(jù)試驗(yàn)測得的結(jié)果可知徐變對臨界裂縫口張開位移Sc并無明顯的影響。

混凝土斷裂能是評估混凝土承能力的重要參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線和線彈性斷裂力學(xué)方法可以得到混凝土梁的斷裂能[17]為：

(1)

式中：Alig為韌帶面積；W0和δ0分別為三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)中P-δ曲線包圍的面積和P-δ曲線中最大的加載點(diǎn)位移，mg為三點(diǎn)彎曲梁的自重；b、d分別為試件的寬、高。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表可見長期荷載作用及不同荷載水平對混凝土斷裂能并無明顯影響。

對80%Pmax持載12月后的混凝土梁分別進(jìn)行5 500 N (伴隨試件極限荷載)和6 000 N的持續(xù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為在5 500 N荷載作用下的荷載-時(shí)間曲線?？梢钥吹交炷亮涸? 500 N荷載作用下維持穩(wěn)定約22 000 s(6 h 10 min)后進(jìn)入失穩(wěn)破壞?；炷亮涸? 000 N荷載作用下維持穩(wěn)定5 200 s(1 h 24 min)后發(fā)生破壞，如圖4(b)所示。可以看到隨著荷載水平的增大，混凝土梁的失效時(shí)間逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果也同樣表明混凝土在徐變加載后，剩余承載力提高較為明顯。

表2 三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果

圖4 持續(xù)加載荷載-時(shí)間曲線

3 結(jié) 論

為了研究徐變對混凝土剩余承載力的影響，混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下進(jìn)行6個(gè)月和12個(gè)月徐變試驗(yàn)。徐變試驗(yàn)結(jié)束后，混凝土梁加載到破壞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對徐變過程中荷載水平對混凝土徐變變形的影響以及徐變后混凝土起裂荷載，剩余承載力，起裂斷裂韌度以及斷裂能的變化進(jìn)行討論。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1) 低荷載水平作用下，混凝土梁加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩(wěn)定幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。在高荷載水平作用下，加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，并且在持載過程中仍然有一定的增長，徐變過程明顯為非線性徐變。

(2) 由于徐變過程中縫尖的應(yīng)力松弛，混凝土的起裂荷載及剩余承載力均有明顯提高。且荷載水平越高，徐變混凝土起裂荷載及剩余承載力提高越明顯，此外，徐變對臨界裂縫口張開位移及斷裂能無明顯影響。

(3) 徐變后的混凝土在高荷載水平作用下具有一定持載能力。80%Pmax持載12個(gè)月后的混凝土梁在靜載極限荷載作用下可以保持穩(wěn)定22 000 s，在1.1倍靜載極限荷載作用下可以保持穩(wěn)定5 200 s。