徐建設(shè)，許瑜麟，馬柯佳，楊發(fā)隆，郭潤開

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海市工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司，上海 200433)

0 引言

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件可分為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土(bonded pre-stressed concrete，BPC)構(gòu)件和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土(unbonded pre-stressed concrete，UPC)構(gòu)件[1]，在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，BPC構(gòu)件前期施工工序較復(fù)雜，易出現(xiàn)灌漿不密實等問題，UPC抗震性能等存在一定問題。國內(nèi)外學(xué)者通過不斷探索與試驗，研發(fā)了新型預(yù)應(yīng)力混凝土體系——緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土(retard-bonded pre-stressed concrete，RPC)[2-4]體系。

目前，國內(nèi)學(xué)者對RPC構(gòu)件受力性能進(jìn)行了研究，包括構(gòu)件破壞過程、破壞模式、裂縫發(fā)展情況、極限承載力等。熊學(xué)玉等[5]對3根RPC梁進(jìn)行了靜載試驗研究，并與1根BPC梁進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果表明，所有試驗梁均表現(xiàn)為非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服后混凝土被壓碎的適筋破壞，卸載后均表現(xiàn)出良好的變形恢復(fù)性能。RPC梁抗裂性能和極限承載力與BPC梁相近，甚至略優(yōu)于后者，具有良好的使用性能。受試驗條件限制，多對RPC簡支梁進(jìn)行縮尺模型試驗研究[6-10]，而實際結(jié)構(gòu)中多以RPC框架梁的形式出現(xiàn)，其受力機(jī)理存在差異。

為進(jìn)一步了解基于實際工程的大跨足尺RPC梁受力性能，對設(shè)有緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的自平衡反力框架梁進(jìn)行靜載試驗，對比RPC梁與BPC梁在豎向荷載作用下的受力特性和破壞模式，為RPC結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于實際工程提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計制作了1榀預(yù)應(yīng)力混凝土自平衡矩形反力框架梁試件，由1根RPC梁和1根BPC梁通過2根UPC柱(拉桿)進(jìn)行連接。試件垂直放置，下部與墩臺脫開，以保證在受力平面內(nèi)自由變形。試件總長12m，高3m。UPC柱軸線間距11.2m，凈高1.6m。試件縱筋混凝土保護(hù)層厚度為30mm，幾何尺寸及配筋如圖1所示。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉時，考慮試件設(shè)計特殊性，重力對RPC梁與BPC梁作用不同，BPC梁張拉時，其重力方向與預(yù)應(yīng)力鋼絞線平衡荷載方向均向下。為避免BPC梁張拉過程中開裂，并保證與RPC梁初始參數(shù)一致，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力取0.5fptk(fptk預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值)，單根張拉力為651kN；緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力取0.7fptk，單根張拉力為390.6kN[11-12]。

1.2 加載裝置與加載制度

本試驗采用兩點集中對稱同步分級加載的方式，試驗裝置如圖2所示。上、下梁加載點處混凝土澆筑前預(yù)埋400mm×400mm×20mm(長×寬×厚)鋼板，加載設(shè)備采用2臺250t油壓千斤頂，千斤頂下部布置1段H250×250×9×14，其端部加焊300mm×300mm×30mm(長×寬×厚)鋼板。試件自身形成自平衡反力框架結(jié)構(gòu)，豎向荷載由UPC柱平衡，彎矩由框架梁和UPC柱共同承擔(dān)。

試驗開始前對試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查支座是否平穩(wěn)，儀表及加載設(shè)備是否正常[13]。正式加載采用力控制加載方式，2臺千斤頂同時加載，荷載施加以試驗梁純彎段計算控制彎矩為依據(jù)，每級荷載持荷10min，荷載穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。第1級施加60kN的荷載，然后每級荷載增量為30kN(如果裂縫發(fā)展緩慢則加大增量，如果裂縫發(fā)展較快則減小增量)，加載至700kN時每級荷載增量為10kN，當(dāng)荷載作用下降至極限荷載的85%、大量受壓區(qū)混凝土壓碎剝落或受拉鋼筋拉斷時，結(jié)束加載。

圖1 試件幾何尺寸及配筋

圖2 試驗裝置

每級荷載施加穩(wěn)定后,記錄荷載、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并觀察裂縫開展情況。本研究涉及的加載荷載值除特別說明外，均不包括試驗梁及加載設(shè)備自重[14]。

1.3 測點布置

1.3.1混凝土應(yīng)變測點

試驗梁混凝土應(yīng)變片采用BX120-100AA型電阻應(yīng)變片，基底尺寸為108mm×6mm(長×寬)，敏感柵尺寸為100mm×3mm(長×寬)。在每根試驗梁內(nèi)表面跨中布置2個應(yīng)變片，距跨中1 500mm處各布置1個應(yīng)變片，外表面應(yīng)變片布置同內(nèi)表面；在每根試驗梁內(nèi)、外表面兩端距支座900mm處分別布置1個應(yīng)變片；在試驗梁跨中正立面布置3個應(yīng)變片，如圖3所示。由于混凝土應(yīng)變片直接暴露在外部環(huán)境中，為確保不受潮，在其表面涂抹卡夫特705透明RTV硅橡膠，引出線盡量全部包裹在硅橡膠內(nèi)。

圖3 混凝土應(yīng)變片布置

1.3.2鋼筋應(yīng)變測點

試驗梁緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變片采用BX120-1AA型電阻應(yīng)變片，基底尺寸為5.0mm×2.5mm(長×寬)，敏感柵尺寸為1.0mm×1.0mm(長×寬)。應(yīng)變片布置在距支座200mm處鋼絞線上表面,所有應(yīng)變片布置方向與其所在鋼絞線邊絲走向一致，如圖4a所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼絞線及普通鋼筋應(yīng)變片布置

普通鋼筋應(yīng)變片采用BX120-5AA型電阻應(yīng)變片，基底尺寸為8.5mm×2.8mm(長×寬)，敏感柵尺寸為5.0mm×3.0mm(長×寬)?？紤]受力特點，在靠近鋼筋內(nèi)、外表面均布置應(yīng)變片,以測量試驗梁在靜力荷載作用下普通鋼筋總應(yīng)變及殘余應(yīng)變，如圖4b所示。

1.3.3鋼筋應(yīng)變片防護(hù)

1)普通鋼筋應(yīng)變片防護(hù) 為確保應(yīng)變片防護(hù)得當(dāng)，具體做法如下：①將環(huán)氧樹脂與聚酰胺按2∶1進(jìn)行配制；②將配好的混合劑均勻涂抹在紗布上；③用紗布一層一層地將貼有應(yīng)變片的區(qū)域纏緊，此時混合劑會從中滲出，表面呈光滑狀；④待混合劑固化后用絕緣膠帶螺旋纏緊，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變片防護(hù)處理

2)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變片防護(hù) 由于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線后期張拉會發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動，因此，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變片不能簡單地采用普通鋼筋應(yīng)變片防護(hù)方法。本研究選用橡膠圈進(jìn)行防護(hù)，利用其支護(hù)特性，使應(yīng)變片與橡膠圈形成空囊，在張拉過程中不影響應(yīng)變片隨鋼絞線的移動。具體操作方法如下：①切割合適尺寸的半圓形橡膠圈，在適當(dāng)位置打孔，以便引出應(yīng)變片導(dǎo)線；②在橡膠圈四周涂抹AB膠，覆蓋在應(yīng)變片上方，從孔中引出應(yīng)變片導(dǎo)線，并在橡膠圈內(nèi)預(yù)留足夠長度；③再次利用AB膠將橡膠圈固定；④使用絕緣膠帶螺旋纏緊，如圖6所示。

圖6 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變片防護(hù)處理

1.4 撓度測量

在試驗梁支座、跨中、加載點處布設(shè)位移計(見圖7)，除跨中選用YHD-200型位移計外，其余均為YHD-100型位移計，該布置方式可較全面和準(zhǔn)確地測量試驗梁撓度變化。

圖7 位移計布置

2 試驗現(xiàn)象與分析

2.1 裂縫發(fā)展

圖8所示為BPC，RPC梁在880，1 220，1 400kN荷載作用下及梁柱交界處在700kN荷載作用下的裂縫發(fā)展情況。同級荷載作用下，BPC梁裂縫少而長，較稀松，發(fā)展迅速；RPC梁裂縫多而短，較密集，發(fā)展較均勻。相對而言，RPC梁表現(xiàn)出良好的裂縫分布形式，較理想。梁柱交界處裂縫主要以斜裂縫為主，由UPC柱內(nèi)力與預(yù)應(yīng)力局壓共同作用引起。BPC，RPC梁梁端上部均存在斜裂縫，RPC梁數(shù)量較少，為梁體非純彎段受彎剪作用引起，梁柱接縫處存在沿接縫的垂直裂縫。卸載后，RPC梁大部分裂縫閉合，表明試件具有良好的彈性恢復(fù)能力，且抗裂性能與同試驗條件下的BPC梁相當(dāng)。

圖8 試驗梁裂縫分布情況

根據(jù)試驗梁裂縫分布情況，著重記錄了16條裂縫在不同荷載作用下的寬度。經(jīng)統(tǒng)計得到BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度隨荷載變化情況，如圖9所示。由圖9可知，隨著荷載的增加，BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度均逐漸增大，初期增幅較小，后期增幅較大，且BPC梁平均裂縫寬度增大速率較快，使加載后期剛度退化較明顯，抗裂性能較差。

圖9 試驗梁荷載-裂縫寬度曲線

2.2 破壞模式

試驗梁開裂后，隨著荷載的增大，裂縫數(shù)量持續(xù)增加，由受拉區(qū)向受壓區(qū)擴(kuò)展，直至受拉區(qū)混凝土破壞退出工作，此時荷載主要由受拉區(qū)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線、普通鋼筋承擔(dān)。試件進(jìn)入破壞狀態(tài)時，受壓區(qū)混凝土仍可承擔(dān)部分工作。

隨著荷載的持續(xù)增加，試驗梁經(jīng)歷較大的塑性變形，裂縫激增。但在試驗加載最后階段，由于油泵油壓表不易控制，使2個千斤頂頂升不完全同步，當(dāng)加載至1 000kN以上，伴有“嘭”的巨響，BPC梁發(fā)生破壞，破壞位置位于跨中附近，靠近右側(cè)加載點上方，現(xiàn)場實拍梁體破壞及開裂情況如圖10，11所示，破壞處混凝土被破碎，受拉鋼筋屈服，截面出現(xiàn)輕微轉(zhuǎn)角。破壞時測得BPC梁撓度為124.21mm，RPC梁撓度為94.40mm，分別為跨度的1/100，1/125。RPC梁未破壞，卸載后變形基本可以全部恢復(fù)。

圖10 BPC梁現(xiàn)場破壞

圖11 BPC梁柱交界處裂縫形態(tài)

圖12 試驗梁荷載-跨中位移曲線

2.3 荷載-跨中位移曲線

BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線如圖12所示，需注意，縱坐標(biāo)為2個加載點的合力值。圖12反映了試驗梁由初期加載到破壞的受力變形全過程，可大致分為以下階段。

1)混凝土未開裂階段 該階段為加載初期，荷載較小，跨中位移隨荷載的增大呈線性增大，表明試件處于彈性工作階段。BPC梁荷載達(dá)210.35kN，RPC梁荷載達(dá)217.63kN(實測開裂荷載值)時，混凝土開裂，曲線出現(xiàn)第1個拐點，此前BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線近乎重合，此時緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及普通鋼筋與混凝土協(xié)同工作，截面剛度基本一致。

2)裂縫開展階段 該階段受拉區(qū)混凝土裂縫數(shù)量隨荷載增大逐漸增多，裂縫寬度逐漸增大，受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作，此時拉力主要由受拉區(qū)縱向緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及普通鋼筋承擔(dān)，跨中位移呈非線性增大，曲率變小，出現(xiàn)第2個拐點。在相同荷載條件下，RPC梁跨中撓度小于BPC梁，RPC梁剛度略大于BPC梁，RPC梁表現(xiàn)出良好的變形性能。

3)鋼筋屈服至破壞階段 隨著裂縫發(fā)展的穩(wěn)定，荷載緩慢增大，荷載-跨中位移曲線迅速偏向位移軸?？v向鋼筋屈服后，鋼筋承受的總拉力基本維持穩(wěn)定，跨中位移顯著增加，裂縫迅速擴(kuò)展，裂縫寬度大幅度增大，受拉區(qū)混凝土退出工作。當(dāng)荷載加至1 400kN左右時，荷載-跨中位移曲線幾乎水平，跨中位移短暫增加，隨即受壓區(qū)混凝土被壓碎，截面破壞。此階段BPC，RPC梁剛度退化顯著，RPC梁荷載-跨中位移曲線始終在BPC梁之上，但二者差距較小。

整體來看，BPC，RPC梁荷載-跨中位移曲線形態(tài)相似，但RPC梁剛度、抗裂性能及承載力略大于BPC梁。現(xiàn)場試驗中，RPC梁未發(fā)生脆斷，表現(xiàn)出較好的彈性恢復(fù)性能，卸載后裂縫閉合較好。

2.4 普通鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

BPC，RPC梁普通鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖13所示，根據(jù)圖13可將普通鋼筋受力變形分為以下階段。

圖13 普通鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

1)加載初期，跨中與梁端普通鋼筋荷載、應(yīng)變關(guān)系均呈線性，且基本重合，表明鋼筋處于彈性工作階段。

2)加載中期，普通鋼筋應(yīng)變隨荷載的增加而增大，混凝土逐漸退出工作，鋼筋應(yīng)變明顯增加，曲線偏向應(yīng)變軸，斜率變小，且在1 000～1 500με出現(xiàn)明顯拐點。

3)加載后期，BPC梁受壓區(qū)普通鋼筋未屈服，RPC梁受壓區(qū)普通鋼筋部分屈服，受拉區(qū)BPC，RPC梁普通鋼筋均屈服。梁端1應(yīng)變片在加載后期失效，導(dǎo)致部分測點數(shù)據(jù)有反折現(xiàn)象。

2.5 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線荷載-應(yīng)變曲線

RPC梁緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線荷載-應(yīng)變曲線(包括張拉后的鋼絞線應(yīng)變值)如圖14所示，根據(jù)圖14可將緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線受力變形分為以下階段。

圖14 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線荷載-應(yīng)變曲線

1)混凝土開裂前，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變很小且發(fā)展緩慢，荷載-應(yīng)變曲線偏向荷載軸。

2)混凝土開裂后，荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)第1個拐點，應(yīng)變隨荷載的增大而增大，曲線向應(yīng)變軸偏移，荷載、應(yīng)變關(guān)系仍大致為線性關(guān)系。

由于應(yīng)變片測量范圍有限，當(dāng)荷載達(dá)1 200kN時應(yīng)變片失效，故僅給出荷載<1 200kN的應(yīng)變值，此時鋼絞線未屈服。整體來看，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線荷載-應(yīng)變曲線拐點較明顯，混凝土開裂后，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線起承擔(dān)荷載的作用。

2.6 截面應(yīng)變分布

BPC，RPC梁跨中梁側(cè)高度范圍內(nèi)不同荷載作用下應(yīng)變分布情況如圖15所示。由圖15可知，BPC，RPC梁沿截面高度的應(yīng)變分布規(guī)律大體一致，隨著荷載的增加，截面應(yīng)變與轉(zhuǎn)角不斷增大；截面各點應(yīng)變規(guī)律基本符合平截面假定。

BPC梁中和軸位于距梁底250mm左右，RPC梁中和軸位于距梁底350mm左右。BPC梁受壓區(qū)截面面積較RPC梁大9.1%。

3 對比分析

3.1 撓度

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范公式計算BPC，RPC梁撓度，與試驗實測撓度進(jìn)行對比分析，如表1，2所示。

表1 試驗梁開裂時撓度對比

表2 試驗梁在極限荷載作用下?lián)隙葘Ρ?/p>

由表1，2可知，開裂時，BPC，RPC梁撓度試驗值與計算值比值分別為0.71，0.81；極限荷載作用下，BPC，RPC梁撓度試驗值與計算值比值分別為0.93，0.73；BPC梁在極限荷載作用下的撓度試驗值與計算值比值較開裂時大31%，RPC梁在極限荷載作用下的撓度試驗值與計算值比值較開裂時小10%，說明RPC梁在極限荷載作用下可更好地抵制裂縫開展，具有良好的延性；開裂時和極限荷載作用下BPC，RPC梁撓度試驗值均小于計算值。

3.2 剛度

不同荷載作用下BPC，RPC梁剛度變化規(guī)律如圖16所示，由圖16可知，加載過程中，BPC，RPC梁剛度均不斷下降；混凝土開裂前，同一荷載作用下，BPC梁剛度略大于RPC梁；混凝土開裂后，BPC梁剛度小于RPC梁；600～1 000kN荷載作用下，BPC，RPC梁剛度下降平緩，此時普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線承擔(dān)大部分拉力，后期普通鋼筋屈服，梁剛度退化顯著。整體來看，RPC梁在整個受力過程中剛度下降趨勢與BPC梁相似，剛度略優(yōu)于BPC梁，說明緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與周圍混凝土具有較好的共同工作性能。

圖16 剛度-荷載關(guān)系曲線

4 結(jié)語

對BPC，RPC梁進(jìn)行試驗研究，詳細(xì)記錄加載過程中BPC，RPC梁整體受力情況，觀察試驗現(xiàn)象并對荷載、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出荷載與跨中位移、普通鋼筋應(yīng)變、預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變的關(guān)系。根據(jù)試驗破壞過程，分析破壞特點與模式、應(yīng)變分布特點、裂縫發(fā)展規(guī)律等。

1)同級荷載作用下，BPC梁裂縫少而長，較稀松，發(fā)展迅速；RPC梁裂縫多而短，較密集，發(fā)展較均勻。相對而言，RPC梁表現(xiàn)出良好的裂縫分布形式，在控制裂縫寬度、改善裂縫分布方面優(yōu)于BPC梁。

2)隨著荷載的增加，BPC，RPC梁最大裂縫寬度與平均裂縫寬度均逐漸增大，初期增幅較小，后期增幅較大，且BPC梁平均裂縫寬度增大速率較快，使加載后期剛度退化較明顯，抗裂性能較差。

3)BPC，RPC梁受力過程中，荷載-跨中位移曲線形態(tài)相似，RPC梁剛度、撓度、承載力略大，抗裂性能略優(yōu)，且卸載后表現(xiàn)出良好的變形恢復(fù)能力。

4)加載初期，跨中與梁端普通鋼筋荷載、應(yīng)變關(guān)系均呈線性，且基本重合，鋼筋處于彈性工作階段。加載中期，普通鋼筋應(yīng)變隨荷載的增加而增大，混凝土逐漸退出工作，鋼筋應(yīng)變明顯增加。加載后期，BPC梁受壓區(qū)普通鋼筋未屈服，RPC梁受壓區(qū)普通鋼筋部分屈服，受拉區(qū)BPC，RPC梁普通鋼筋均屈服。

5)混凝土開裂前，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變很小且發(fā)展緩慢。混凝土開裂后，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)第1個拐點，應(yīng)變隨荷載的增大而增大，荷載、應(yīng)變關(guān)系仍大致呈線性?；炷灵_裂后，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線起承擔(dān)荷載的作用，表明其具有良好的黏結(jié)性能。

6)BPC，RPC梁沿截面高度的應(yīng)變分布規(guī)律大體一致，截面各點應(yīng)變規(guī)律基本符合平截面假定。

7)RPC梁在極限荷載作用下可更好地抵制裂縫開展，具有良好的延性。

8)RPC梁在整個受力過程中剛度下降趨勢與BPC梁相似，剛度略優(yōu)于BPC梁，表明緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與周圍混凝土具有較好的共同工作性能。