再生混凝土梁抗弯刚度的退化规律.pdf

2 0 1 3 年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 01 3( To t a 1 No 2 8 5) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 0 0 再生混凝土梁抗弯刚度的退化规律 雷斌 佰 。晏育松 他，肖建庄 ( 南 昌大学 a 建筑工程学院；b 基础建设处 ，江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 ；2 同济大学 建筑T程系 ，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 首先理论推导黏结性能退化前后再生混凝土梁抗弯刚度 的计算方法 ， 在此基础上提出了简化计算方法 ， 然后用试验结 果对此方法的准确性进行验证 ， 最后对再生混凝土抗弯刚度的退化规律进行了研究分析。 结果表明， 按提 H 的方法计算得到的刚 度值与试验得到的刚度值很接近， 且基本上偏于安全的一侧。 提出的方法能较好地反应黏结性能退化后钢筋应变不再符合平截面 假定 ， 梁抗弯刚度的降低经历了先慢一 后快一 再慢等客观情况。 关键词： 再生混凝土梁 ；抗弯刚度 ；黏结性能；退化 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 0 0 0 0 De g r a d a t i o n l a w o f be nd i n g s t i ffn e s s o f r e c y c l e d c on c r e t e b e a m s LEI Bi n ， YAN Yu s o n glb XI A0 J i a n z hu a n g ( 1 a De p a r t me n t o f Bu i l d i n g E n g i n e e r i n g； b De p a r tme n t o f C a p i t a l C o n s t r u c t i o n ， Na n c h a n g Un i v e r s i t y ， Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， T o n g fiU n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Fi r s t l y， t he t he o r e t i c a 1 c a l c ul a t i o n me t ho d o f be n di n g s t i f f n e s s of r e c y c l e d c o nc r e t e be a ms wa s e s t a b l i s h e d On thi s b a s i s the s i mp l e c a l c ul a t i o n me t h o d wa s c o n c l u de d， a n d t h e n i t s a c c u r a c y wa s t e s t e d b y e x pe r i me n t a l r e s ul t s Fi n a l l y， the de g r a d ati o n l a w of be nd i n g s t i f f n e s s o f r e c y c l e d c o nc r e t e b e a ms wa s s t u di e d Th e r e s ul t s s h owe d t ha t the c a l c u l a t e d r e s ul t s b y u s i n g t h e me t h od pr e s e n t e d we r e s a t i s f a c t o r y wi th t h e c o r r e s p o nd i n g t e s t r e s ul t s a nd b a s i c a l l y i nc l i n e d t o the s i d e o f s a f e t y Th i s me t h od c o u l d r e s po n d t o t h e a c tua l s i tua t i o n t h a t t h e pl a n e s e c t i o n n o l o ng e r r e ma i n s p l a ne a fte r d e g r a dati o n o f bo n d p e r f o r ma n c e a n d t h at t he d e g r a da t i o n o f be a m be n di n g s t i f f ne s s we n t t h r o u g h a pr o c e s s o fs l o w f a s t s l o w K e y wor d s ： r e c y c l e d c o n c r e t e b e a m ； b e n d i n g s t i f f n e s s ； b o n d i n g b e h a v i o u r ； d e gra d a t i o n ( ) 引言 同强度等级的再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗弯承 载力基本相等 。 但从本课题组兰阳【 1 和国内外其他 学者2 - 7 的试验结果来看 ， 再生混凝土梁的变形 ( 挠度和裂缝宽度 ) 较普通混凝土梁降低较大 。 再生混凝土的弹性模量和抗拉 强度低 于同强度等级的普通混凝土 ， 是造成这一结果 的主 要原 因。 黄清 1 、 宋新伟 【2 _ 、 兰阳3 等对再生混凝土梁抗弯 刚 度进行 了一些研究 ， 均是在 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构 设计规 范 中普通混凝 土梁抗弯刚度计算公式 的基础上 除 以一个大 于 l 的折减 系数 ( 1 2 - 1 5 ) 而得 到再 生混凝土梁 抗弯刚度计算公式 。 但 由于他们各 自的试验梁数量有限 ， 在此基础上 回归得到 的折减 系数 的准确性 还值得进一步 研究 ， 同时这种方法也缺乏严谨 的理论依据 。 已有的试验结果表明， 黏结性能退化对梁的抗弯刚度 的影响很大。 如文献 8 指出 ， 若只考虑钢筋截面损失 ， 并取 钢筋应 变不均 匀系数 ， 按 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构设 计规范 计算 的刚度值仍可能偏高 1 5 左右。 王庆霖等 9 1 对 无黏结梁的模拟试验结果表明 ， 仅黏结力丧失可使梁在使用 阶段的刚度降低达 4 0 。 关于黏结性能退化后普通混凝土 梁抗弯刚度 的计算方法 ， 大多是对现有 混凝土结构设计规 范 中给出的抗弯刚度计算公式中的钢筋应变不均匀系数进 行修正 ， 以考虑黏结性能退化对梁刚度 的影 响， 而修正系数 可以通过 A NS YS 分析或者试验反推得到 ， 如文献 1 0 1 3 。 文献 1 4 提 出假设在裂缝 间距 内钢筋应变和 中和轴高度沿 传递长度是线性分布的 ， 从而推导得到黏结性能退化后梁 的平均抗弯刚度 。 有关黏结性能退化后再生混凝 土梁的抗 弯刚度方面的研究还未见文献报到。 由此可见 ， 开展再生混 凝 土梁抗 弯刚度退化规律的系统研究很有必要。 1 理论推 导 随着黏结性能逐渐退化的加剧 ， 梁的受夸 l生 能介于黏结 完好梁和完全无黏结 梁两种极限状态之间。 根据黏结性能 的退化程度建立黏结性能退后梁截面的变形协调关系f l 5 l ： 。 。_ g 否 h o - x ( 1 ) 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 l 一 1 9 基金项目： “ 十一五” 国家科技支撑计； t ( 2 0 0 8 B A K 4 8 8 0 3 ) ； 江西省青年科学基金( 2 0 1 1 4 B A B 2 1 6 0 0 9 ) ； 江西省教育厅 技计戈 j ( 2 0 1 0 B A K 4 8 8 0 3 ) 1 式 中 ：3 1 时 ，g = 【 争 ( 1 B ) ( 受 集 中 荷 载 时 ) ，g = 【 丁2 + ( 受均布荷载时) ； 卢 1 时， g = l 。 卢为黏结强度强度降低系 数 ， 为退化后的黏结强度 ( ) ( 括号内 表示钢筋锈蚀率 ) 与退化前的黏结强度 ( 0 ) 之 比。 假定受压区按照三角形应力分布( 图 1 ) ， 则有 ： h o = h o - ( 2 ) 式中 ： 裂缝截面间平均内力臂系数。 c 。 ( 图 1 正 常使 用 阶段 锈蚀钢 筋混凝土截 面的 平均应变 和应力分 布图 由式( 2 ) 得到： x = 3 h 。 ( 1 一 ) ( 3 ) 根据力的平衡 ： 0 5 。 6 孑 A + 1 Rf b ( h o - x 。 ) ( 4) 将 否 代人式( 4 ) ， 得到 ： ： 至 墨 + ! ! 二 翌 2 f 5 1 。 1 5 6 。 ( 1 ) 。 1 5 E c ( 1 一 ) 、 根据力矩 的平衡 ： l l ： = 否 E A 0 + M。 ( 6 ) s c = ( 7 ) 式中： 幔考虑裂缝间混凝土参与受拉而承担的外弯矩。 可通过式( 8 ) 计算 ： M：K- Rr b h z h K R r6 争 击 寺 R b h ( ) 式中： K 尺 裂缝间混凝土的平均拉应力 ； R 混凝土的抗拉强度 ； K 。 降低系数。 K 。 随外荷载的增加和裂缝的开展而逐步降低， 其值在 0 2 0 8之间 1 6 3 。 联立方程( 1 ) ( 8 ) 解得瓦 ， 否 。 ， ， 。 刚度 B即 由下式 可求得 ： 曰 ： ： 墼 ( 9 ) sc xc 。 2 简化计算方法 上述给出的黏结性能退化后梁的抗弯刚度计算方法， 在 解方程( 1 ) ( 8 ) 时比较复杂 ， 可以有以下的简便计算方法。 通过分析文献 8 1 4 的试验结果分析得出， 在正常使 用状态下再生混凝土梁的 。 值为 0 2 5 ， 裂缝间受拉区再生 混凝土混凝 土承受的力与钢筋所承受的力之 比为 0 2 0 。 通 过对文献 6 ， 1 7 一 l 8 的试验结果分析得出， 在正常使用状态 下普通混凝土梁的 值为 0 5 0 ， 裂缝间受拉区普通混凝土 2 承受的力与钢筋 所承受 的力之 比为 0 3 6 。 对 即式 ( 4 ) 中右 边第二项是第一项的 0 2 倍 。 因而 ， 对黏结性能退化后再生混凝土梁而言 ， 由式( 4 ) 可得 ： 0 5 |c 6 。 = = 否 A。 十 K1Rf b ( h o - x ) =1 2 否 E A ( 1 0 ) 对式( 1 0 ) 整理后得到 ： 一 2 4 g a o ( 1 ) = 0 ( 1 1 ) 解式( 1 1 ) ， 得到中和轴高度 的公式 ： 孝 n = = 、 ( 1 2 g o t z p ) 2 + 2 4 g o t F p- 1 2 g a o ( 1 2 ) 根据试验结果， 可近似取力臂系数 为 0 8 5 ， 由式( 7 ) 可得钢筋应变为 ： ) 可得梁 的抗弯刚度为： B =Mg ( h o：&h o ) 一 ( 1 4) 将式( 8 ) 、 ( 1 2 ) 和( 1 3 ) 代人式 ( 1 4 ) 得到 ： 曰 s = 堡 丝 盈 啦 ( 1 5 ) M-6 Rr b h 同理， 可得黏绪眭能退化后普通混凝土梁的抗弯刚度为： R ： ： 墨 2 墨 ! = ! ： 鱼 2 ： Z 亘 巳二 ： 鱼 一 去R rb h ( 1 6 ) 3试 验 验 证 本研究 收集 了文献 1 7 】 的 2 1 根再 生混凝 土梁共计 4 l 组试验数据。 再生混凝土与普通混凝土的轴心抗压强度 在 2 0 6 0 MP a 之间 ， 受拉钢筋 的屈服强度在 3 0 0 - 4 1 0 MP a 之间， 梁所受弯矩在 0 5 0 7 倍极限弯矩值的正常使用受载 范 围内。 加载方式均为两点对称加 载。 采用本方法对进 行 计算， 计算值与试验值吻合 良好 ， 计算值与试验值之 比的 平均值为 0 9 9 ， 标准差为 0 1 9 8 。 采用文献 1 3 ， 1 7 1 8 1 中 3 1 根长期暴露 和加 速锈蚀矩 形截面普通混凝土梁 的试验数据 ， 试验梁 的支承条件为简 支 ， 加载方式均为两点对称集 中加载 。 按 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 规范计算公式得到的刚度值偏大， 试验值与计算值之比的均值和变异系数分别为 0 8 1 ， 0 1 9 5 ， 偏于不安全 的一侧 。 按本研究提 出的方法计算得到的刚度 值与试验得到 的刚度值接近 ， 试验值与计算值之 比的均值 和变异系数分别为 1 0 4 ， 0 2 4 6 ， 偏于安全的一侧。 4 讨论分析 随着黏结性能逐渐退化的加剧 ， 梁的工作机理发生 了 改变， 钢筋应变不再符合平截面假定。 规范给出的刚度计算 公式 ， 其计算结果介于开裂截面抗弯刚度值和未开裂截面 抗弯刚度值之间， 而黏结性能逐渐退化后梁的抗弯刚度 降 低很多， 甚至低于开裂截面的抗弯刚度很多 ， 因而其计算 结果往往会偏高许多 。 为 了研究梁抗弯刚度的退化规律 ， 取文献 1 8 L A 2 梁参 数( 见表 1 ) ， 在弯矩为 4 2 k N i n的作用下 ， 不 同钢筋锈蚀率 时梁的抗弯刚度计算结果如图2 所示给出。 由G B 5 0 0 1 O 一 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 公式， 仅考虑锈蚀使得钢筋有 效 截面面积减少的梁抗弯刚度计算结果 随钢 筋锈蚀 率的 变化不大。 由本研究公式得 出的计算结果表明 ， 在钢筋锈蚀 率较小时( 未出现锈胀裂缝 ) ， 黏结强度随锈蚀率增大有所 增大， 梁的刚度基本没有降低。 而锈蚀率继续增大( 出现锈 胀裂缝后) 时， 梁的抗弯刚度降低很快， 在锈蚀率大于 1 0 时 ( 锈胀裂缝超过一定值 ， 文献 1 指 出此值为 2 5 3 0 m m左 右 ) ， 钢筋与混凝土黏结力已基本丧失 ， 刚度下降变缓 。 此结 论与文献 1 的观测结果相一致。 由图 2还表明 ， 再生混凝 土 梁与普通混凝土梁的抗弯刚度退化规律类似的 ， 同条件下再 生混凝土梁的抗弯刚度约为普通混凝土梁的 0 7 0 9 倍 。 表 1 梁参数 5结 论 +本研究方法计算的普通混凝土梁刚度值 +规 范公 式计算 的普通 混凝 土梁 刚度值 +本 研究 方法计 算 的再 生混 凝土梁 刚度 值 O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 钢筋 的锈 蚀率 ， 图 2 梁的抗弯刚度随钢筋锈蚀率的变化 通过对再生混凝土梁抗弯刚度退化规律 的理论分析 ， 可 以得出以下结论 ： ( 1 ) 再生混凝 土梁变形性能较普通混凝土降低不仅是 因为再生混凝土弹性模量 和抗拉强度的减小 ， 由于再生混 凝土 弹性模量 和抗 拉强度的减小影响梁裂缝 间受拉 区混 凝土参与受力 的程度和受压 区混凝土的变形等其他 因素 ， 也是其中的重要原 因。 ( 2 ) 混凝土结构设计规范给出的刚度计算公式 ， 其本 质上是基于平截面假定 的 ， 不能反应黏结性能退化后梁 的 工作机理发生改变， 钢筋应变不再符合平截面假定的客观 情况。 这种计算方法往往给出偏高的结果。 ( 3 ) 本研究提 出的方法能较好地反应黏结性 能退化后 梁的抗弯刚度降低过程经历先慢一后快一再慢， 体现梁的 工作机理发生改变的机理 。 按本研究提 出的方法计算得到 的刚度值与试验得到的刚度值吻合 良好 ， 且基本上偏 于安 全的一侧 。 参考文献： 1 】黄清再生混凝土受弯构件正截面性能试验研究与有限元分析 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 5 2 】宋新伟 再生混凝土梁受弯性能试验研究 D 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 06 3 兰阳再生粗骨料混凝土梁受弯与受剪性能研究 D 上海： 同济 大学 ， 2 0 0 4 4 】Y A G I S H I T A F ， S A N O M， Y A MA D A M B e h a v i o u r o f r e i n f o r c e d c o n - c r e t e b e a ms c o n t a i n i n g r e c y c l e d a g g r e g a t e C D e mo l i t i o n a n d Re u s e o f Co n c r e t e a n d Ma s o n r y P r o c e e d i n g s o f t h e T hi r d I n t e r n a t i o n a l RI L EM Sy mp o s i u m， Ed Er i k KLa u r i t z e n， 1 9 9 3： 3 31 -3 4 3 5 MUK AI T ， KI K UC HI MP r o p e r t i e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms c o n - t a i n i n g r e c y c l e d a g g r e g a t e C P r o c e e d i n g s ， 2 n d I n t e rna t i o n a l S y m - p o s i u m RI L EM De mo l i t i o n a nd Re u s e o f Co n c r e t e a n d Ma s o n r y， To k y o， No v， 1 98 8； Ch a p ma n a n d Ha l l ， L o n d o n Ne w Yo r k， 1 98 8： 6 7 0 -6 7 9 6 】AJ D UK I E WI C Z A B， K L I S Z C Z E WI C Z A T B e h a v i o r o f R C b e a ms f r o m r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e Pr o c e e di n g s of t h e Ame ric a n Co n c r e t e I n s t i t u t e 2 0 02 I n t e rna t i o n a l Co n f e F e nc e， Ca n c u n， 1 01 3 De c e mb e r 2 00 2 7 】MAR UYA MA I ， S OG O M， S OG AB E T， e t a 1 F l e x u r a l P r o p e rt i e s o f Re i n f o r c e d Re c y c l e d C o n c r e t e B e a ms C C o n f e r e n c e O n t h e Us e o f Re c y c l e d Ma t e r i a l s i n B ui l di n g a n d S t r u c t u r e s ， No v e mb e r 2 00 4 Ba r c e l o n a， S p a i n 8 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 ， 混凝土结构耐久性评定标准 s 【 9 王庆霖 ， 池永亮 ， 牛荻涛 锈后无黏结钢筋混凝土梁的模拟试验 与分析 建筑结构 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 4 ) ： 5 1 5 3 1 0 商登峰 锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能研究时上海： 同济大学， 2 0 0 5 1 1 D G T J 0 8 8 0 4 2 0 0 5 既有建筑物结构检测与评定标准 s 1 2 J 彬， 牛荻涛， 王应生锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度评估方法研 究 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 2 ) 1 3 1 王晓刚碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能试验研究【 D 上海： 同济大学， 2 0 0 8 1 4 F R A N C O I S R， C A S T E L A， V I D A L T A fi n i t e M a c r o e l e m e n t f o r c o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ( 3 9 ) ： 5 71 -5 8 4 1 5 雷斌 再生混凝土梁耐久性研究【 D 上海： 同济大学， 2 0 0 9 【 1 6 金芷生， 朱万福， 庞同和 钢筋与混凝土黏结性能试验研究 J 】 _ 南 京工学院学报 ， 1 9 8 5 ( 2 ) ： 7 3 8 5 【 1 7 惠云玲， 林志伸， 等 混凝土受弯构件腐蚀前后构件性能试验研 究报告 R 】 冶金工业部建筑研究总院国家工业建筑诊断与改造 工程技术研究中心 ， 1 9 9 5 1 8 1 李琛 锈蚀钢筋混凝土梁承载力与刚度研究 D 长沙： 长沙理工 大学 ， 2 0 0 8 作者简介 ： 联 系地址 联 系电话 雷斌( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 讲师 ， 博士， 主要研究再生混凝土材 料与结构。 南昌市红谷滩新区学府大道 9 9 9号 南昌大学建筑 工程学院( 3 3 0 0 3 1 ) 1 3 97 91 5 2 41 l 3 7 6 5 4 3 2 1 一 目 z 1 0 I 一 、 毒钟辖