冻融循环后预应力混凝土梁受弯性能研究_李琮琦.pdf

第 45 卷 第 24 期 2015 年 12 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 24 Dec 2015 冻融循环后预应力混凝土梁受弯性能研究 * 李琮琦 1， 2， 葛文杰2， 曹大富2 ( 1 江苏大学土木工程与力学学院，镇江 212013; 2 扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127) 摘要 为研究冻融循环次数对预应力混凝土梁受弯性能的影响， 制作了普通混凝土梁和预应力度分别为 0. 35， 0. 52 和 0. 62 的预应力混凝土梁各 4 根， 将构件经历一定次数的冻融循环后进行静力受弯性能试验。研究表明， 预 应力度和冻融循环次数对预应力混凝土梁的承载力影响比较明显， 随冻融循环次数的增加， 预应力混凝土梁的受 弯承载力明显下降。中、 低预应力度混凝土梁的受弯承载力随冻融循环次数增加而下降的速率较高预应力度混凝 土梁的缓慢。冻融循环后预应力混凝土梁的开裂弯矩可按规范相关公式计算， 极限弯矩也可按规范公式计算， 但 需考虑综合影响系数。 关键词 预应力混凝土梁;预应力度;冻融循环;受弯性能 中图分类号: TU375. 1文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 24- 0101- 05 Study on the mechanical behaviors of prestressed concrete beams after freeze- thaw cycles Li Congqi1， 2，Ge Wenjie2，Cao Dafu2 ( 1 College of Civil Engineering and Mechanics，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2 College of Civil Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China) Abstract: In order to study the flexural behavior of prestressing concrete beams after freeze- thaw cycles， four normal concrete beams and four prestressed concrete beams with three different partial prestressing ratios ( PP)0. 35， 0. 52 and 0. 62 were made and theirs static flexural experiments were carried out after certain freeze- thaw cycles The results show that PP and freeze- thaw cycles are the two main influence factor to the flexural behavior of prestressing concrete beams Ultimate moment decreases significantly with the increasing of freeze- thaw cycles Ultimate moments of prestressing concrete beams with moderate and low PP decrease slower than prestressing concrete beams with high PP Cracking moment of prestressed concrete beams after the freeze- thaw cycle could calculate by current design code of concrete structure Ultimate moment could also calculate by current design code，but comprehensive influence coefficient should be taken into consideration Keywords: prestressed concrete beam;partial prestressing ratio ( PP) ;freeze- thaw cycle;flexural behavior * 国家自然科学基金资助项目( 51278445，51278230，50978224) ， 江苏省普通高校研究生科研创新计划 ( CXZZ12- 0655) 。 作者简介: 李琮琦， 硕士， 讲师，Email:licq yzu edu cn。 0引言 研究冻融循环作用后混凝土结构构件受力性 能， 既可为现有结构构件进行耐久性评定和剩余寿 命预测提供科学依据， 也可对新建工程结构构件进 行耐久性设计提供技术参考。目前， 关于冻融循环 作用下混凝土的研究大多偏重于材料方面， 对混凝 土结构冻融循环后的受力性能研究较少。刁波 等 1 对承受不同持续荷载的钢筋混凝土梁在冻融 循环与混合侵蚀溶液交替作用下的正截面受弯、 斜 截面受剪性能进行了研究。曹大富等 2- 5 对冻融循 环作用后普通钢筋混凝土梁的静力受弯性能、 预应 力混凝土梁受弯性能、 钢筋混凝土梁受剪性能、 钢筋 混凝土柱的偏心受压性能进行了试验研究。 预应力混凝土结构用途广泛、 数量巨大， 其长期 在使用环境( 如碳化、 冻融、 化学介质侵蚀等) 作用 下功能将逐渐衰退， 直至最终破坏。因此， 应用中对 预应力混凝土耐久性的要求越来越高， 对其加强研 究已迫在眉睫。本文对冻融循环作用后预应力钢筋 混凝土梁的静力受弯性能进行了试验， 研究冻融循 环后的预应力混凝土梁受力性能的变化。 1试验概况 1. 1 试件设计 受冻融试验箱尺寸限制， 并考虑试件易于制作、 方便波纹管的预埋及预应力能够顺利施加等因素， 试件截面尺寸 b h = 100mm 150mm， 长度 l = 600mm， 混凝土强度等级为 C40。受拉区普通钢筋 为 210， 受压区架立钢筋为 2 8， 箍筋纯弯段采 用 6100， 弯剪段采用 650， 预应力筋采用 p5 光面消除应力的钢丝。 共制作了 16 根混凝土梁试件， 其中 12 根为预 应力混凝土梁试件， 预应力筋布置成直线形， 并采用 后张法张拉， 预留孔道采用 30 特制波纹管 6 。预 应力筋采用螺纹锚且对一端进行超张拉。普通混凝 土梁和预应力混凝土梁配筋分别见图 1， 2， 锚具及 端头钢板详图见图 3。构件的截面尺寸及配筋见表 建筑结构2015 年 1， 钢筋的力学性能见表 2， 冻融试验前试件预应力 张拉应变及有效预应力实测值见表 3。 图 1普通混凝土梁配筋图 图 2预应力混凝土梁配筋图 图 3锚具及端头钢板详图 构件截面尺寸及配筋表 1 试件号预应力筋PPconpn PTB100000. 124 PPB1- 1 1 P5 0. 350. 75fptk0. 1040. 228 PPB2- 1 2 P5 0. 520. 75fptk0. 2080. 332 PPB3- 1 3 P5 0. 620. 75fptk0. 3130. 437 0 PTB200000. 124 PPB1- 2 1 P5 0. 350. 75fptk0. 1040. 228 PPB2- 2 2 P5 0. 520. 75fptk0. 2080. 332 PPB3- 2 3 P5 0. 620. 75fptk0. 3130. 437 25 PTB300000. 124 PPB1- 3 1 P5 0. 350. 75fptk0. 1040. 228 PPB2- 3 2 P5 0. 520. 75fptk0. 2080. 332 PPB3- 3 3 P5 0. 620. 75fptk0. 3130. 437 50 PTB400000. 124 PPB1- 4 1 P5 0. 350. 75fptk0. 1040. 228 PPB2- 4 2 P5 0. 520. 75fptk0. 2080. 332 PPB3- 4 3 P5 0. 620. 75fptk0. 3130. 437 75 注: PP 为基于强度比定义的预应力度， 即 PP = Apfpy/(Apfpy+ Asfy) ; 配筋指数 p= Apfpy/fcbh0， = ( Apfpy+ Asfy Asfy) /fcbh0 ， 其 中 Ap， As， As分别为预应力筋、 受拉非预应力筋、 受压非预应力筋面 积，fy， fpy分别为非预应力筋、 预应力筋屈服强度， f c为混凝土单轴抗 压强度， b， h0分别为梁的截面宽度及有效高度， fptk为预应力筋抗拉 强度标准值; n 为冻融循环次数。 钢筋的力学性能表 2 类型D/mm fy/MPafu/MPaEs/GPa /%/% HB3006256380210 HB3358370575200 HPB40010430668200 P5 51 5631 708205646 注: D 为钢筋直径; fu为抗拉强度; Es为弹性模量; 为延伸率; 为断面收缩率。 预应力张拉应变及有效预应力实则值表 3 试件号 预应力筋 1/(10 6) 2/(10 6) f pe/( N/mm 2) PPB1- 1 1 P5 5 1255 0621 037. 7 PPB1- 2 1 P5 6 4135 9441 218. 5 PPB1- 3 1 P5 5 5585 1551 056. 8 PPB1- 4 1 P5 5 0705 0441 034. 0 PPB2- 1 2 P5 5 9395 8771 204. 8 PPB2- 2 2 P5 5 8595 7301 174. 7 PPB2- 3 2 P5 5 2405 1171 049. 0 PPB2- 4 2 P5 5 4995 3841 103. 7 PPB3- 1 3 P5 5 7925 4731 122. 0 PPB3- 2 3 P5 4 8004 794982. 7 PPB3- 3 3 P5 5 2105 1531 056. 4 PPB3- 4 3 P5 5 0384 9121 007. 0 注: 1为锚固后应变平均值; 2为拆除应变仪时应变平均值; fpe 为最终有效预应力实测值。 1. 2 材料性能 图 4不同冻融循环次数下梁试件表面混凝土剥落情况 冻融试验选用 ASTM 快速冻融法中的水冻水融 法 7 ， 冻融循环试验分 3 批进行， 分别冻融 0 次、 25 次、 50 次和 75 次。 观察不同预应力度、 不同冻融循环次数下混凝 土的表面损坏情况发现( 图 4) ， 混凝土表面剥落损 伤与预应力度大小无明显的关系， 与冻融循环次数 关系较大。由图 4 可以看出， 在 25 次冻融循环后， 混凝土表面基本没有剥落; 50 次冻融循环后， 混凝 201 第 45 卷 第 24 期李琮琦， 等 冻融循环后预应力混凝土梁受弯性能研究 土表面浮浆基本剥落， 并露出少量粗骨料; 75 次冻 融循环后， 大量粗骨料外露。 试验中每隔 25 次对混凝土梁进行横向基频测 量， 梁相对动弹性模量随冻融循环次数变化如图 5 所示。 图 5梁相对动弹性模量随冻融循环次数变化图 从图 5 可以看出， 经历冻融循环后， 混凝土梁的 相对动弹性模量呈下降趋势， 高预应力度混凝土梁 的相对动弹性模量高于低预应力度混凝土梁的， 并 且随着冻融循环次数的增加， 这种现象更加明显。 从普通混凝土的冻融破坏机理可以看出， 出现这种现 象的原因在于: 在冻融循环过程中， 预压应力的存在 抵消了一部分冻胀压力， 延缓了混凝土内部裂缝的开 展， 从而表现出经历相同冻融循环次数的预应力度大 的混凝土梁相对动弹性模量相对较高的现象。 冻融试验后测试了同步冻融标准试块的强度 ( 表 4) ， 测得梁的混凝土强度与冻融循环次数关系 见图 6( 图中 fd为不同冻融循环次数后的混凝土抗 压强度) 。由图 6 可知， 混凝土强度与冻融循环次 数成线性关系， 这与国内很多学者已做的大量试验 研究结果相吻合。 图 6混凝土单轴抗压强度与冻融循环次数的关系曲线 冻融循环后混凝土力学性能/( N/mm2)表 4 nfcufckftk 046. 921. 92. 56 2533. 315. 62. 14 5029. 614. 11. 99 7520. 9101. 58 注:fcu为冻融后混凝土标准试块立方体抗压强度平均值; f ck为 冻融后混凝土换算轴心抗压强度标准值; ftk为冻融后混凝土换算轴 心抗拉强度标准值。 在冻融循环过程中， 随着冻融循环次数的增加， 混凝土内部损伤逐渐加大， 使得混凝土强度下降。 宋玉普等 8 的试验研究表明， 抗压强度与冻融循环 次数的关系可以用下式表示: fd/fc= a + bn( 1) 式中 a， b 为回归系数。 由混凝土冻融后单轴抗压强度试验数据回归分 析得 a =0. 957 7， b = 0. 006 79， 从而式( 1) 变为: fd/fc= 0. 957 7 0. 006 79n( 2) 1. 3 静载试验 试验分别采用 1. 0 和 1. 6 两种不同的剪跨比进 行加载， 其中普通混凝土梁和 PP 为 0. 35 的预应 力混凝土梁的剪跨比为 1. 0， PP 为 0. 52 和 0. 62 的预应力混凝土梁剪跨比均为 1. 6。试验加载装置 见图 7。 图 7试验加载装置 试件梁的各弯矩实测值见表 5， 各预应力度下 预应力混凝土梁和普通混凝土梁破坏弯矩与冻融循 环次数的关系见图 8， 开裂弯矩与冻融循环次数的 关系见图 9。 弯矩实测值表 5 组别试件编号 Mcr/( kN m)My/( kN m)Mu/( kN m) PTB12. 815. 946. 56 PTB PTB22. 505. 316. 25 PTB32. 504. 695. 94 PTB42. 194. 385. 31 PPB1- 13. 7511. 8812. 50 PPB1 PPB1- 23. 4410. 9411. 56 PPB1- 33. 139. 7510. 94 PPB1- 42. 819. 3110. 31 PPB2- 14. 5012. 0014. 94 PPB2 PPB2- 24. 0011. 0015. 12 PPB2- 34. 5010. 5014. 03 PPB2- 44. 009. 5013. 11 PPB3- 15. 5016. 5016. 96 PPB3 PPB3- 24. 5013. 5014. 03 PPB3- 34. 5011. 5012. 94 PPB3- 44. 5010. 5012. 00 注: Mcr为开裂弯矩; My为屈服弯矩; Mu为破坏弯矩。 301 建筑结构2015 年 图 8破坏弯矩- 冻融循环次数关系图 图 9开裂弯矩- 冻融循环次数关系图 由图8 可知， 随冻融循环次数的增加， 各预应力 度预应力混凝土梁的破坏弯矩均呈明显的下降趋势; 而普通混凝土梁的破坏弯矩下降曲线比较平缓， 这表 明虽然预应力混凝土梁承载能力较高， 但遭受冻融的 预应力混凝土梁的承载力下降幅度较大。由图 9 可 知， 经历冻融循环后， 较大的预应力度仍有利于构件 抗裂能力的提高; 随冻融循环次数的增加， 构件的开 裂弯矩呈下降趋势， 但冻融后期这种下降趋缓。 2开裂弯矩 由于在开裂前预应力混凝土梁符合平截面假 定， 因此预应力混凝土梁的开裂弯矩可以按照现行 规范 6 给定的公式计算: Mcr= ( pc+ ftk) W0( 3) 式中: pc为截面下边缘混凝土的预压应力; W0为换 算截面抗裂验算边缘的截面抵抗矩; 为受拉混凝 土应力塑性发展系数; ftk值见表 4。 运用式( 3) 对三组不同预应力度下的预应力混 凝土梁开裂弯矩进行计算， 结果见表 6。由表 6 可 以看出， 各预应力混凝土梁的开裂弯矩试验值与理 论计算值符合较好。由此可以说明， 预应力混凝土 梁冻融后仍然可以使用规范给定的计算公式来计算 开裂弯矩， 只是在计算中抗拉强度标准值需采用混 凝土在冻融循环后的实测抗拉强度标准值。 3正截面极限承载力分析 由截面应变的分析结果可知， 预应力混凝土梁 梁开裂弯矩理论值与试验值对比表 6 PP试件编号Mcr， t/( kN m) Mcr， e/( kN m) Mcr， e/Mcr， t 0. 35 PPB1- 13. 453. 751. 09 PPB1- 23. 283. 441. 05 PPB1- 33. 023. 131. 04 PPB1- 42. 902. 810. 97 0. 52 PPB2- 14. 364. 501. 03 PPB2- 23. 974. 001. 01 PPB2- 33. 774. 501. 19 PPB2- 43. 604. 001. 11 0. 62 PPB3- 15. 355. 501. 03 PPB3- 25. 104. 500. 88 PPB3- 34. 794. 500. 94 PPB3- 44. 544. 500. 99 注: Mcr， t为开裂弯矩理论值; Mcr， e为开裂弯矩实测值。 在整个受力过程中平截面假定符合较好， 故其正截 面承载力的推导可依据混凝土规范进行9 。规 范规定， 一般预应力混凝土梁正截面承载力计算方 法为: Mu= 1fcbx( h0 x 2 )+ fyAs( h0 as)( 4) x = fpyAp+ fyAs fyAs 1fcb ( 5) 运用式( 4) 对 PP 分别为 0. 35 和 0. 52 的混凝 土梁进行理论计算， 结果见表 7。 梁极限承载力理论值与试验值对比表 7 PP试件编号Mu， t/( kN m) Mu， e/( kN m)Mu， e/Mu， t 0. 35 PPB1- 111. 7412. 501. 06 PPB1- 29. 3411. 561. 24 PPB1- 38. 6210. 941. 27 PPB1- 47. 5210. 311. 37 0. 52 PPB2- 112. 7414. 941. 17 PPB2- 210. 9615. 121. 38 PPB2- 310. 6214. 031. 32 PPB2- 49. 3413. 111. 40 注: Mu， e为极限承载力试验值; Mu， t为极限承载力理论计算值。 从表 7 数据对比中发现， 虽然计算中考虑了混 凝土强度降低， 但预应力混凝土梁极限承载力试验 值与计算值仍然存在较大的偏差， 尤其是在经历 75 次冻融循环后。可见， 在计算冻融循环后预应力混 凝土梁正截面承载力时单纯考虑混凝土强度降低是 不够的。 宋玉普等 8 的试验研究表明， 在相同冻融循环 次数下， 适当的应力约束可以使得混凝土强度较无 应力约束时有明显提高。因此计算预应力混凝土梁 正截面极限承载力时还需考虑混凝土、 钢筋以及预 应力钢筋施加的预应力在冻融循环过程中的相互 影响。 现引入预应力混凝土梁正截面极限承载力综合 401 第 45 卷 第 24 期李琮琦， 等 冻融循环后预应力混凝土梁受弯性能研究 影响系数 d， 则有: Mud = dMu0 ( 6) 式中: Mud为冻融循环后预应力混凝土梁的正截面极 限承载力; Mu0为仅考虑混凝土强度降低时预应力 混凝土梁的正截面极限承载力。 试验研究表明， d仍然与冻融循环次数 n 有关， 经线性回归得下式: d= 1. 146 + 0. 003 44n( 7) 运用式( 7) 计算 PP 为 0. 62 的预应力混凝土 梁的极限承载力理论值 Mu， t， 并将其与试验值 Mu， e 对比， 结果见表 8。由表 8 可知， PP 为 0. 62 的预 应力混凝土梁的极限承载力理论值与试验值基本吻 合， 说明式( 7) 可以反映预应力混凝土梁在冻融循 环后正截面极限承载力计算的一般规律。 PP 为 0. 62 的梁极限承载力 表 8 试件编号 Mu， t/( kN m)Mu， e/( kN m)Mu， t/Mu， e PPB3- 116. 9616. 071. 06 PPB3- 214. 0314. 460. 97 PPB3- 312. 9413. 200. 98 PPB3- 412. 0011. 841. 01 4结论 ( 1) 预应力度大的构件的动弹性模量损失得较 慢; 随着冻融循环次数的增大， 预应力度对动弹性模 量下降的影响随着预应力度的提高而明显。构件在 冻融循环后表面的剥落损伤与预应力度无直接关 系， 冻融循环次数增大后， 混凝土表面剥落情况均越 来越明显。 ( 2) 构件承载力随着冻融循环次数的增大呈衰 减趋势， 并且衰减速率逐渐加大。在中等预应力度 下， 早期的冻融对构件承载力没有明显的影响， 在构 件内部的冻融损伤达到一定程度时， 预应力混凝土 梁承载力突然下降; 在高预应力度下， 构件在较少次 的冻融循环后承载力就有明显的下降， 说明相比于 中、 低预应力度预应力混凝土梁， 高预应力度预应力 混凝土梁的极限承载力对冻融循环更加敏感。 ( 3) 同一种预应力度下， 冻融循环次数的增加使 得构件的开裂荷载有下降趋势， 冻融循环作用降低了 构件的抗裂性能。虽然冻融循环显著降低了预应力 混凝土构件的承载力， 但当经历相同冻融循环次数 时， 较大的预应力度仍有利于构件抗裂能力的提高。 ( 4) 冻融循环后， 预应力混凝土梁的开裂弯矩 仍可采用规范给定的相关公式进行计算， 极限弯矩 也可按规范公式计算， 但需考虑综合影响系数。 参考文献 1 刁波，孙洋，马彬 混合侵蚀和冻融交替作用下持续 承载钢筋混凝土梁试验 J 建筑结构学报，2009， 40 ( S2) : 281- 286 2 曹大富，葛文杰，郭容邑， 等 冻融循环作用后钢筋混 凝土梁受弯性能试验研究 J 建筑结构学报，2014， 35( 6) : 137- 144 3 曹大富，秦晓川，袁沈峰 冻融后预应力混凝土梁受 力全过程试验研究J 土木工程学报，2013，46 ( 8) : 38- 44 4 CAO DAFU，ZHOU KAIFU，ZHOU MIN Study on the shear behaviors of C beams after freeze- thaw cycles C/ /2013InternationalConferenceonMaterials Science and Engineering ApplicationBeijing，2013: 750- 754 5 曹大富，马钊，葛文杰 冻融循环作用后钢筋混凝土 柱的偏心受压性能 J 东南大学学报: 自然科学版， 2014， 44( 1) : 188- 193 6 GB 500102010 混凝土结构设计规范 S 北京: 中 国建筑工业出版社， 2011 7 GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验方法标准 S 北京: 中国建筑工业出版社， 2009 8 商怀帅， 宋玉普， 覃丽坤 普通混凝土冻融循环后性能 的试验研究 J 混凝土与水泥制品， 2005( 2) : 9- 11 9 蓝宗建，梁书亭，孟少平 混凝土结构设计原理 M 南京:东南大学出版社， 2002: 291 501