周文龍，覃荷瑛

(1.桂林理工大學(xué) 廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，住宅、工業(yè)廠房、基礎(chǔ)建設(shè)等越來(lái)越多采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1]，在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常常面臨外荷載、疲勞、腐蝕等不利環(huán)境，對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷積累[2]。預(yù)應(yīng)力筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[3]，牽一發(fā)而動(dòng)全身，因此對(duì)于不同線型孔道的預(yù)應(yīng)力筋在大比例預(yù)應(yīng)力梁中的抗彎性能進(jìn)行研究分析迫在眉睫[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力梁抗彎性能進(jìn)行了諸多研究，強(qiáng)旭紅等[5]對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼-混凝土梁進(jìn)行了抗彎性能研究，得出了加固后對(duì)梁的極限承載能力有顯著提高，同時(shí)提高初始預(yù)應(yīng)力有助于延緩鋼梁屈服；劉超等[6]通過(guò)改變非預(yù)應(yīng)力筋的配筋率，對(duì)8根預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，結(jié)果表明非預(yù)應(yīng)力筋配筋率對(duì)試驗(yàn)梁開(kāi)裂前的抗彎性能基本無(wú)影響；萬(wàn)秋實(shí)等[7]進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)力等級(jí)下碳纖維布混凝土梁靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明使用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁能夠有效提高工作性能,施加預(yù)應(yīng)力越大,效果越明顯；齊輝等[8]對(duì)加固PC梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，研究表明施加預(yù)應(yīng)力提高了加固PC梁的抗彎承載力、剛度及FRP板材的利用率，有利于推遲構(gòu)件開(kāi)裂和抑制裂縫擴(kuò)展；在一系列研究中，針對(duì)預(yù)應(yīng)力筋線型布置對(duì)抗彎性能方面的研究成果還不多，特別是對(duì)大比例預(yù)應(yīng)力梁受彎性能研究比較少。

本文以后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁為研究對(duì)象，通過(guò)三分點(diǎn)對(duì)稱集中力加載抗彎試驗(yàn)，探究預(yù)應(yīng)力筋線型布置對(duì)大比例預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎中的性能影響，希望為工程應(yīng)用領(lǐng)域提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

在橋梁工程中，簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理、受力明確[9]，且高強(qiáng)鋼絞線作為橋梁最主流的預(yù)應(yīng)力材料，后張法對(duì)高強(qiáng)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力有著減輕結(jié)構(gòu)自重，提高其剛度，抑制裂縫開(kāi)展，減少撓度等優(yōu)勢(shì)。故本文采用后張預(yù)應(yīng)力法設(shè)計(jì)2片大比例預(yù)應(yīng)力混凝土梁模型，為了研究孔道形狀對(duì)梁抗彎性能的影響，布置了沿中心對(duì)稱布置的曲線型孔道，和曲線型進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)GB50010—2019 《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]及JGJ 369-2016 《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]設(shè)計(jì)了試驗(yàn)梁。該梁全長(zhǎng)7 m，截面尺寸為300 mm×550 mm，保護(hù)層厚度25 mm。采用C30商品混凝土，底部縱向受拉鋼筋配備2Φ22的HRB400鋼筋，配箍率為0.46%；頂部架立筋配備3Φ10的HRB400級(jí)鋼筋，對(duì)稱布置；中部腰筋配備4Φ12的HRB400級(jí)鋼筋，每側(cè)兩根；箍筋端部加密區(qū)為Φ8@100，非加密區(qū)為Φ8@200。為避免梁端在施加預(yù)應(yīng)力期間產(chǎn)生局部破壞，在靠近梁端附近配置間距為50 mm的錨下空間網(wǎng)狀加強(qiáng)鋼筋，并于梁端增設(shè)300 mm×300 mm×10 mm的方形鋼墊板。本試驗(yàn)共澆筑2根預(yù)應(yīng)力混凝土梁，編號(hào)B1、B2，每根預(yù)應(yīng)力梁布設(shè)2根直徑為15.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線，截面面積為140 mm2，極限抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，預(yù)埋波紋管成孔，鋼絞線編號(hào)規(guī)則為：T1、T1'分別為B1梁內(nèi)兩根鋼絞線的編號(hào),T2、T2'為B2梁內(nèi)兩根鋼絞線的編號(hào)。試驗(yàn)梁截面尺寸及配筋示意圖如圖1～5所示。

圖1 試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖2 直線型孔道梁B1預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置(單位：mm)

圖3 直線型孔道梁B1截面(單位：mm)

圖4 曲線型孔道梁B2預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置(單位：mm)

圖5 曲線型孔道梁B2截面(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)梁澆筑及張拉

1.2.1 試驗(yàn)梁澆筑過(guò)程

模板采用紅木模板，定制尺寸300 mm×550 mm×7 000 mm，保護(hù)層厚度為25 mm，拼接處釘牢以防止漏漿，對(duì)內(nèi)膜刷油方便后期的脫模。將鋼絞線穿過(guò)波紋管后固定在預(yù)先設(shè)計(jì)好的位置，波紋管采用塑料波紋管，內(nèi)徑36 mm，外徑40 mm，在離波紋管兩端1 000 mm處留2個(gè)灌漿孔道[12]。在模板內(nèi)四周及兩側(cè)各放置1塊25 mm厚素混凝土試塊，用來(lái)固定梁。試驗(yàn)梁采取現(xiàn)澆施工工藝，為了保證澆筑質(zhì)量，全程對(duì)其監(jiān)督。澆筑完成后養(yǎng)護(hù)48 h方脫去側(cè)模，且澆筑完成28 d后方可進(jìn)行張拉試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)梁張拉過(guò)程

試驗(yàn)梁張拉時(shí)，采用量程為50 t的手動(dòng)液壓千斤頂，墊板與千斤頂之間放置量程為30 t的壓力傳感器，張拉時(shí)鋼絞線一端張拉，試驗(yàn)梁兩端同時(shí)張拉，為保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，同時(shí)提高鋼絞線的粘結(jié)力，減少孔道摩擦，在張拉完成后48 h內(nèi)需對(duì)其預(yù)留孔道進(jìn)行灌漿，灌漿15 d后方可進(jìn)行加載試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用三分點(diǎn)集中加載，分別在跨中、兩加載點(diǎn)、兩支座處各布置百分表，用來(lái)測(cè)量試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中的撓度變化及支座位移變化；同時(shí)在梁上、下表面及側(cè)面粘貼電阻應(yīng)變片，記錄預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形情況；電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)由DH3816動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)自動(dòng)采集，電阻應(yīng)變片布置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況如圖6，7所示。

對(duì)2片預(yù)應(yīng)力混凝土梁分別進(jìn)行三分點(diǎn)集中加載,總長(zhǎng)7 000 mm,凈跨6 300 mm,兩加載點(diǎn)相距2 100 mm，具體步驟如下：

1) 預(yù)加載:分三級(jí)進(jìn)行，加載至30 kN，每級(jí)加載10 kN后穩(wěn)定2 min，檢查各儀器儀表是否正常工作，結(jié)束后對(duì)各設(shè)備重新調(diào)零；

圖6 電阻應(yīng)變片平面布置

圖7 現(xiàn)場(chǎng)效果

2) 正式加載:以每級(jí)10 kN逐級(jí)加載，每級(jí)加載完畢后保持荷載10 min，記錄應(yīng)變儀、百分表和解調(diào)儀中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，并觀察試驗(yàn)梁表面是否開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；

3) 開(kāi)裂后，認(rèn)真觀察裂縫擴(kuò)展情況和新裂縫出現(xiàn)情況并進(jìn)行標(biāo)記，用裂縫探測(cè)儀去記錄裂縫寬度，同時(shí)記錄預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度;

4) 繼續(xù)加載，當(dāng)實(shí)驗(yàn)梁出現(xiàn)明顯較大裂縫時(shí)，立即撤去百分表，然后繼續(xù)加載至梁完全破壞，記錄傳感器和各儀器數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 混凝土應(yīng)變分析

2.1.1 平截面假定分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)梁應(yīng)力是否符合平截面假定,將試驗(yàn)梁純彎段沿截面高度均勻布置的5個(gè)應(yīng)變片記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)整理，以應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，距梁底部高度為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8～9所示。

(a) A1-A5應(yīng)變片測(cè)量值

(a) A1-A5應(yīng)變片測(cè)量值

通過(guò)B1和B2試驗(yàn)梁的應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)曲線可知，2片試驗(yàn)梁在開(kāi)裂前基本符合平截面假定。在試驗(yàn)梁開(kāi)裂前，在試驗(yàn)梁的截面高度上，出現(xiàn)兩頭大中間小現(xiàn)象，即靠近中和軸處應(yīng)變小，靠近梁上、下表面呈線性增大。開(kāi)裂后，開(kāi)裂處的混凝土應(yīng)變突然增大，中和軸上移，內(nèi)力發(fā)生重分布，不再符合平截面假定。

2.1.2 彎剪段分析

為了研究試驗(yàn)梁彎剪段在試驗(yàn)加載過(guò)程中的應(yīng)變變化以及裂縫開(kāi)展情況，在彎剪段均勻粘貼5個(gè)45°的應(yīng)變花。將在試驗(yàn)過(guò)程中記錄的應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)整理，以剪力為橫坐標(biāo)，應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖10和11所示(注：a1表示為a11、a12、a13三個(gè)應(yīng)變片組成的應(yīng)變大小，其他的與之相同)。

由圖10和11可知，在剪力相等的彎剪段，離支座越遠(yuǎn)，彎矩和應(yīng)變也越大，支座處的彎矩幾乎等于0，所以支座處的應(yīng)變花測(cè)量值變化較小，與理論相符合。通過(guò)計(jì)算，應(yīng)變花的受力方向剛開(kāi)始為0°～10°之間，隨著荷載的增加，受力方向逐漸變化為27°～45°之間，與裂縫開(kāi)始時(shí)垂直向上發(fā)展，慢慢地發(fā)展成斜裂縫向?qū)?yīng)。

(a) a1-a5應(yīng)變片測(cè)量值

(a) a1-a5應(yīng)變片測(cè)量值

通過(guò)對(duì)應(yīng)變花的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理驗(yàn)證了試驗(yàn)梁在受彎矩剪力共同作用下的受力性能，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證裂縫發(fā)展的方向與試驗(yàn)梁的主拉應(yīng)力方向相對(duì)應(yīng)，與規(guī)范相一致，屬于適筋梁的延性破壞。

2.1.3 梁頂混凝土壓應(yīng)變分析

在整個(gè)試驗(yàn)梁的混凝土應(yīng)變測(cè)量中，有代表性的應(yīng)變測(cè)量部位是試驗(yàn)梁受壓區(qū)邊緣混凝土的壓應(yīng)變。由于開(kāi)裂處的拉應(yīng)力會(huì)變得很大，同時(shí)裂縫的開(kāi)展也可能會(huì)對(duì)應(yīng)變的變化產(chǎn)生影響，即裂縫處的應(yīng)變意義不大。因此對(duì)試驗(yàn)梁上表面的混凝土壓應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將3個(gè)應(yīng)變片測(cè)量值相加然后取平均值，結(jié)果如圖12所示。

圖12 梁B1、B2壓應(yīng)變曲線

由圖12可知，在試驗(yàn)梁開(kāi)裂前，試驗(yàn)梁的壓應(yīng)變與荷載基本成線性關(guān)系，可以認(rèn)為試驗(yàn)梁上表面承受的壓應(yīng)力是均勻變化的。裂縫出現(xiàn)后，試驗(yàn)梁的受力面積在不斷減小。試驗(yàn)梁上表面承受的壓應(yīng)力增加較快，壓應(yīng)變的增長(zhǎng)不再呈線性關(guān)系。3個(gè)應(yīng)變片的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)略有偏差，這是由于試驗(yàn)梁上表面不是絕對(duì)光滑平整導(dǎo)致，但是壓應(yīng)變的變化趨勢(shì)是一致的，與理論的變化趨勢(shì)相符。

2.2 裂縫分析

為了分析試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展規(guī)律，在試驗(yàn)梁上記錄試驗(yàn)過(guò)程中裂縫出現(xiàn)的位置、發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)應(yīng)的荷載，試驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)將試驗(yàn)梁上的裂縫繪制到網(wǎng)格紙中，并在CAD中進(jìn)行等比例繪制，2片試驗(yàn)梁裂縫如圖13所示，最大裂縫寬度如表1所示。

(a) 梁B1裂縫

2片試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展都經(jīng)歷了3個(gè)破壞階段，與普通的適筋梁破壞形式相似，有明顯的破壞征兆。梁B1最大裂縫寬度的實(shí)測(cè)值為1.57 mm，梁B2最大裂縫寬度實(shí)測(cè)值為1.66 mm。梁B2的裂縫寬度更大，因?yàn)榘凑曳绞讲贾玫念A(yù)應(yīng)力鋼絞線在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中承受的荷載更大。

表1 最大裂縫寬度對(duì)比

2.3 撓度分析

為了分析試驗(yàn)梁的撓度變化，記錄每級(jí)加載后撓度值，以撓度為橫坐標(biāo)，荷載為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖14所示，最大撓度值如表2所示。

圖14 梁B1、B2荷載-撓度曲線

表2 撓度對(duì)比

由表2可知，梁B1和B2的最大撓度實(shí)測(cè)值均比最大撓度理論計(jì)算值稍大，大約在1.1～1.2倍之間。實(shí)測(cè)值比理論值稍大的主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置在試驗(yàn)梁的中間，在底部縱向受拉鋼筋屈服后，預(yù)應(yīng)力鋼絞線還能承擔(dān)一部分的荷載，使2片試驗(yàn)梁還能繼續(xù)承載；曲線孔道的實(shí)測(cè)值比直線孔道的實(shí)測(cè)值大，因?yàn)檎也贾玫念A(yù)應(yīng)力鋼絞線能承受更大的外荷載。

3 結(jié)論

1) 開(kāi)裂前，混凝土發(fā)生延性破壞，符合平截面假定，與理論一致。

2) 開(kāi)裂后，裂縫經(jīng)歷3個(gè)破壞階段，與普通混凝土梁一致，曲線型梁最大裂縫大于直線型梁。

3) 在加載過(guò)程中，曲線型梁最大撓度略大于直線型梁，故實(shí)際工程更適應(yīng)直線型預(yù)應(yīng)力混凝土梁。