冻融循环对混凝土梁抗弯性能的影响.pdf

第 4 1 卷第 1 期 2 0 1 4 年 1 月 建筑技术开发 B u d i l d i n g T e c h n i q u e D e v e l o p me n t Vo l _ 41 No 1 J a n 2 01 4 冻融循环对 混凝 土 梁抗 弯性 能的影响 张治军 周禹 罗辉 ( 1 中建城市建设发展有限公司， 北京 1 0 0 0 3 7 ； 2 沈 阳建筑大学土木工程 学院， 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘 要】 冻融作用是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要原因之一， 通过对快速冻融试验后试验梁的纯弯试验， 研究了 梁截面混凝土应变、 挠度开展情况及承载力的变化规律。屈服荷载和极限荷载随着冻融循环次数的增加而降 低； 相同荷载下梁的挠度也明显增大， 梁的刚度逐渐减小。结合快速冻融试验结果 ， 基于已有冻融循环作用下 混凝土梁抗弯承载力计算模型的分析， 选择 了合理的抗弯承载力计算公式进行计算分析， 试验值与计算值基 本吻合， 为多因素影响下梁承载力损伤模型的建立奠定了基础。 【 关键词】 混凝土梁 ； 冻融循环； 挠度； 抗弯承载力 【 中图分类号】 T U3 7 5 1 【 文献标志码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 0 8 0 4 EFFECTS oF FREEZE THAW CYCLES oN FLEXURAL P ERFoI U ANCE oF CoNCRETE BEAM S K e y w o r d s 】 Z h a n g Z h i i n n Z h o u Y u L u o H u i F r e e z e t h a w c y c l e s a r e o n e o f t h e ma i n r e a s o n s a f f e c t i n g t h e d u r a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e By p u r e b e n d i n g t e s t aft e r f a s t f r e e z i n g t h a w i n g c y c l e s ， t h e c o n c r e t e s t r a i n v a ri a t i o n ， t h e d e fle c t i o n d e v e l o p me n t a n d t h e b e a rin g c a p a c i t y w e r e s t u d i e d T h e y i e l d l o a d a n d u l t i ma t e l o a d d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f e e z e t h a w c y c l e s Un d e r t h e s a me l o a d ， b e a m d e fle c t i o n i n c r e a s e s a n d t h e b e a m s t i f f n e s s d e c r e a s e s W i t h q u i c k l y f r e e z e t h a w t e s t r e s u h s ， fle x u r a l b e a ri n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n mo d e l u n d e r t h e f r e e z e t h a w c y c l e s w a s a n a l y z e d T h e r e a s o n a b l e f o r mu l a w a s c h o s e n for c a l c u l a t i n g f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y T h e c a l c u l a t e d v a l u e s a g r e e w i t h t h e t e s t v a l u e I t i s t h e fou n d a t i o n for s t u d y i n g t h e b e a m d a ma g e a f f e c t e d b y mu l t i f a c t o r s c o n c r e t e b e a m； f r e e z e t h a w c y c l e s ： d e n e c t i o n： n e x u r a 1 b e a r i n g c a p a c i t y 混凝土在处在水饱和状态因冻融交替作用而产 生的破坏称为冻融破坏。冻融破坏的产生是由于混 凝土内部存在许多连通孔隙和渗水通道， 负温和正 温交替循环， 使得混凝土保护层开裂， 表层剥落导致 结构或构件破坏u 一 1 。对于全球面积广 阔的寒冷地 区 而言 ， 冻融作用无疑是导致这些区域混凝土结构性 能损伤的主要因素之一。混凝土材料本身经冻融循 环作用以后 ， 其力学性能会发生显著的改变。 目前 ， 冻融循环作用的研究手段包括冻融循环试验和基于 混凝土细观力学对混凝土冻融的数值分析。国内外 收稿 日期 ： 2 0 1 31 01 5 作者简介： 张志军( 1 9 7 2 一 ) ， 北京人， 毕业于河北建筑工程学院， 本科 学历 ， 高级 工程师 ， 一级建造师 ， 从事建筑施工及管理工作 。 8 关于冻融方面的研究主要集中于冻融循环后混凝土 的质量损失 、 动弹性模量、 单轴和多轴强度的变化 ， 以及对冻融循环后混凝饱和吸水率和孑 L 结构 、 水化 产物的电镜分析以及 x衍射分析的试验研究 1 。而 对于混凝 土结构构件层次的的研究较少 。 混凝土材料性质的变化必然会对混凝土结构构 件产生一系列的影响， 本文按照现行的 普通混凝土 长期性能和耐久性能试验方法标准 ( G B 厂 I 15 O 0 8 2 2 0 0 9 ) 中的快冻法对普通混凝土梁式试件进行快速 冻融循环试验， 得到了混凝土梁式构件在冻融循环 后承载能力退化 的相关规律。 1 试验过程 1 1 试件尺寸及主要参数 试验试件设计为钢筋混凝 土适筋梁。梁截面尺 第 4 l卷 张治军， 等： 冻融循环对混凝土梁抗弯性能的影响 第 1期 寸为 1 0 0 m m X 1 0 0 1T i m， 梁长 5 0 0 m m， 其中计算跨度 4 0 0 m m， 深入支座部分两端各5 0 m m。混凝土强度 等级 采 用 C 3 0 ， 梁 截 面 的底 部纵 向受 力 主筋 采 用 2 ci) 8 = 1 0 1 m m ， 架立筋及箍筋采用 2 4 ) 6 = 5 7 m m ， 保 护层厚度为 c = 1 5 m m， 受拉区钢筋的最小配筋率为 P=1 2 5 p ， 截面布置及配筋如 图 1 。 图1 钢筋混凝土粱配筋 1 2冻 融过程 冻融循环试验为快冻法 ， 采用天津市惠达实验 仪器厂生产的T D R F I 型混凝土快速冻融试验装 置。试验按照如下步骤进行 ： 1 ) 试验前4 d ， 把冻融试件从养护地点取出， 进 行外观检查 ， 随后放在( 2 0 + 2 ) C 水 中浸泡 ， 冻融试件 浸泡 4 d 后进行冻融试验。 2 ) 浸泡完毕后 ， 取出试件 ， 用湿布擦除表面水 分、 称重 、 按编号置入橡胶试件桶， 放人冷冻箱开始 冻融试验 。 3 ) 每次冻融循环在( 2 4 ) h 内完成， 其中用于融 化的时问不小于整个冻融时间的1 4 。在冻结和融 化终了时， 试件中心温度分别控制在( 一1 8 + 2 ) C 和 ( 5 + 2 ) o C 。每块试件从3 C 降至 一1 6 所用的时间不 少于冻结时间的1 2 。每块试件从 一1 6 升至3 C 所 用 的时间也不少于整个 融化时间的 1 2 ， 试件内外的 温 差 不 超 过 2 8 。冻 和 融 之 间 的转 换 时 间 为 1 0 mi n 。冷冻箱( 室) 内温度均 以其 中心处温度为准。 4 ) 每 隔2 5 次冻融循环 即对冻融试件进行外 观 检查、 称重， 如试件的平均失重率超过5 ， 即可停止 其冻融循环试验。混凝土试件冻融后的失重率按式 ( 1 ) 计算 ： ，1 ，1 = 下 1o -0 -I r n 1 0 0 ( 1 ) 0 式中， 为 次冻融循环后试件的失重率 ， 以3 个试件的平均值计算( ) ； G 为冻融循环试验前 的试件重量( k g ) ； G 为 次冻融循环后 的试件重量 ( k g ) 。 2 试验结果分析 2 1 质量损失与承载力分析 试 验质量损 失率与冻融循环 次数 的关 系如图 2 。混凝土梁经过 5 0 次冻融循环后 ， 质量变化不明 显。随着冻融循环次数的增加 ， 试块表面开始剥落， 并越来越严重 ， 开始出现少量 的边角掉落 ， 质量开始 不断减少 ， 质量损失速率也逐步增加 。 褂 衄I 略 图2 质量损失与循环次数的关系 梁的抗弯性能试验采用四分点加载方案， 使梁 跨 中 1 1 3 部分为纯弯段 。静载试验结果见表 1 。可以 看出， 冻融循环作用下梁的屈服荷载和极限荷载都 随着冻融循环次数的增加而降低。其中冻融循环9 0 次的梁的屈服荷载比未冻融的降低了1 0 1 ， 冻融循 环 1 8 0次 的梁 的屈 服荷 载 比未 冻融 的降低 了 1 4 3 。冻融循环9 O 次和 1 8 0 次的梁极限荷载比未 冻融 的梁的极限荷载分别降低了7 3 和 1 2 4 。冻 融后梁的承载能力下降的主要原因是冻融循环作用 对钢筋混凝土梁的受压区混凝土造成损伤， 降低了 混凝土的抗压强度 ， 同时冻融循环作用也破坏了受 拉 区混凝土和钢筋 的胶着力 和握裹力 ， 影响 了钢筋 与混凝土的粘结作用。 表 1 屈服和极限荷载比较 冻融循 环次数 N瞅 屈服荷 载 P k N 极限荷载 P k N O 5 9 5 8 9 9 0 5 3 5 8 2 5 1 8 O 51 78 2 2 跨 中截 面混凝土应变分析 梁跨中截面混凝土应变近似的呈线性变化， 因 此基本符合平截面假定 ( 图3 ) 。由于冻融循环的劣 化作用使梁薄弱部位产生微小裂缝 ， 在加载过程中 有所发展 ， 导致一部分梁混凝土应变有所滑移。跨 中截面最大混凝土压应变变化曲线见图4 。 可以看出相同荷载作用下 ， 梁跨中截面混凝土 最大压应变随着冻融循环次数的增加而增加。主要 是由于冻融循环作用降低 了混凝土的轴心抗压强度 和弹性模量， 使相同受力状态下混凝土的应变大大 增加。另一方面， 冻融循环作用也降低了受拉区混 凝土 的抗拉强度 和钢筋与混凝 土之 间的粘 结力 ， 导 9 第 1期 张治军， 等： 冻融循 环对混凝 土梁抗 弯性 能的影 响 第 4l卷 致中和轴上移 ， 加大了受压混凝土的应变值 。 1 2 0 l 0 O l 8 0 三 6 O 惶 旧 辐4 O 2 0 0 -3 5 0 o 0 4 5 o 0 、 。一 40 0 0 一 3 5 0 0 一3 0 0 0 一 2 5 0 0 - H 一 2 0 0 0 一 1 5 0 0 一1 0 0 0 - 5 0 0 0 混凝土应变 1 0 E 一 6 图3跨中梁截面应变 图4 跨中截面最大混凝土压应变变化曲线 2 3 荷载挠度曲线分析 不同冻融循环次数梁的荷载一 挠度曲线如图5 所示 。在荷载较小的初始 阶段 ， 挠度与荷载基本保 持线性关 系 ， 也就是说 明梁处于弹性工作状态。当 荷载大于6 0 k N时， 梁的整体状态进入非线性阶段。 随着荷载逐渐增加， 曲线的曲率也逐渐增大， 表现出 塑性特性。随着冻融循环次数增加， 荷载挠度曲线 接近于水平线 ， 表明在荷载增加不多的情况下 ， 挠度 仍有较大的发展， 当挠度达到1 5 0 倍计算跨度时， 即 宣告试件破坏 。 1 0 Z 挺 跨 中挠度 f mm 图5不同冻融循环次数梁的荷载一 挠度曲线 不 同荷载对应 的挠度 随冻融 次数 变化见 图 6 。 可以看出 ， 随着冻融循环次数的增加 ， 相同荷载条件 下梁的挠度呈上升趋势， 这主要是由于冻融循环作 用下梁的受压区混凝土抗压强度和受拉 区混凝土的 抗拉强度逐渐下降， 致使梁开裂较早， 中和轴不断上 移， 使梁挠度大幅增加。在荷载为6 0 k N时， 冻融循 环 9 0 次和 1 8 0 次的梁 的挠度分别 比未冻融时增加了 1 9 倍和3 -3 倍。而梁的刚度与挠度呈反比， 即随着 冻融循环次数的增加梁的刚度会下降。 宣 嚣 _ 1 0 k N 一 2 0 k N 1 一 3 0 k N 一 4 0 k N 一 5 0 k N 一 6 0k N 冻 融循 环次 数 次 图6 不同冻融循环次数梁的挠度对比 3 冻融后抗弯承载力计算模型 受弯构件截面到达极限状态时混凝土受压区的 应力应变关系为曲线分布。哈尔滨工业大学王宏伟 在已有的试验资料基础上拟合 出冻融环境下式 ( 2 ) 的混凝土的应力一 应变关系曲线 。 I + (3 2 m ) + (m一 2 ) x 0 1 y 一 l ( 2 ) l k ( x 一1 ) + =- 0 0 1 4 3 A P +1 7 4 4 ( 3 ) k = 0 0 7 9 6 A P +1 5 8 2 ( 4 ) j A p = - 3 5 7 + 3 5 0 e M ( 5 ) 【0 A p 4 0 考虑冻融环境下混凝土本构关系中峰值应力 、 峰值应变、 极限压应变随冻融循环次数变化的关系， 将实际受压区曲线应力图与等效矩形应力图进行对 比分析 ， 得 出了考虑冻融循环作用 的等效应力图的 特征系数19 、 的计算公式 ， 在此基础上建立了冻 融环境下的梁的抗弯承载力模型 ， 见式 ( 6 ) 、 ( 7 ) 。 O L N f c b x N = A s ) ， ， 一 、 M = O l N I h 。 一 51,N I ( 7 ) 厶 = O t 。 一0 0 0 1 8 2 +1 4 8 2 5 1 0 N ( 8 ) ( ) ： J 。 7 1 0 -5 0 0 0( 9 ) L o 8 2 90 7+2 6 2 51 0 N 1 0 0N3 0 0 ( 下转 第3 6 页) 第 l期 韩 勇： 锁 口铜管桩 围堰在 南宁五 象大桥承 台施工 中的应用 第 4 1卷 时 的封 水效 果 是 成功 的关键 。为 此在 加 工 直径 l 5 0 mm的锁 口钢管切 口是时 ， 其宽度较插入的工字 钢腰厚尺寸要小 2 3 mm， 且要上下垂直 ， 利 于锁 口 咬合 密贴 ， 达到最佳封水效果 。为便于工字钢腰部 在插打时顺利进槽 ， 每根锁口钢管的顶部均要设置 长 1 0 c m， 宽 4 5 c m的三角形破 口。 锁 口钢管桩首先打人 四根角桩 ， 控制整个 围堰 的平 面位置 ， 然后再进行其它锁 口钢管桩施工 。在 打人锁 口钢管桩时， 应在锁口钢管桩上端系揽风绳 两根 ， 吊机起 吊锁 口钢管桩接近垂直状态时 ， 利用揽 风绳控制锁 口钢管桩 的方 向和垂直度 ， 防止锁 口偏 斜。 用测量仪器定位 ， 一定要保证锁 口钢管桩 的平 面位置、 垂直度等符合要求 ， 保证工字钢的顺利下 插 。锁 口封堵拟采用水泥砂浆袋 ( 袋不透水 ) 、 石油 泥浆或砂子拌锯末 。 锁 口钢管桩同堰在施工 中应选择河床较低处为 合拢面， 插打至合拢面时， 应精确丈量尺寸， 考虑到 锁 u钢管桩锁 口的间隙和锁 口钢管桩本身的特点 ， 合拢面尺寸偏差不大于 1 0 c m为宜， 避免合拢口尺寸 过大或过小 的现象。 内支撑除了考虑受力情况外 ， 还要考虑不影 响 墩身支模 。内支撑由上往下设置 ， 一边抽水一边安 装， 其数量和材料的大小根据水压力和土压力计算 确定。在抽水时若发现有明显的渗漏 ， 可在渗漏的 围堰外侧放锯末， 随着水流由外向内流人 ， 锯末也流 入锁 口钢管桩缝隙内， 从而起到堵漏的作用 ， 也可在 围堰的内测用刮刀将干海带或棉纱插进锁口钢管桩 缝隙内。 4 结语 在施工精心组织下 ， 锁 口钢管桩加工需要 2 0 d ( 在承台施工之前提前加工) ； 在五象大桥5 号、 6 号 主塔最后一个钻孔桩基础循环结束之前开始进行锁 口钢管桩插打 ， 桩基础施工完毕 1 0 d 后完成围堰合 拢。围堰 内开挖、 支撑 1 0 d ， 承 台钢筋 、 模板 、 混凝土 施工 1 2 d 。从钻孑 L 桩施工完毕到围堰内承台浇筑完 毕历 时3 2 d 顺利完成承 台施工 ， 保证 了该桥在 邕江 汛期之前主桥索塔基础施_T完毕 ， 达到 了非常理想 的效果。该工程实例说明采用锁 口钢管桩围堰施工 技术进度要快于钢围堰 ， 为以后 同类项 目施 工积 累 了宝贵的经验。 参考文献 1 钢结构T程施工质量验收规范 ， G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 S 1 【 2 1 建筑桩基技术规范 ， J G 9 4 2 0 0 8 S 1 ( 上接第1 0 页) 利用上述公式进行本试验的抗弯承载力计算 ， 与计算值基本吻合。说明式文献嘲 的计算方法具有 并将试验值与计算值进行对比， 见表2 。可见试验值 可靠的精度。 表2 理论计算值与试验值对比 冻融次数 N 次 计算值肘 ( k N m ) 试验值 ( k N m ) M M O 1 3 5 4 9 40 9 5 1 1 5 4 9 0 0 8 48 3 4 0 3 8 3 5 1 1 2 8 1 8 O 07 2 0 3 3 7 3 3 3 8 0 1 1 0 2 4 结 论 对快速冻融循环的钢筋混凝土试件粱进行 了抗 弯性能试验 ， 并对试验结果进行了分析 ， 得到了以下 结论 ： 1 ) 混凝土梁经过 5 0 次冻融循环后 ， 质量变化不 明 。随着冻融循环次数的增加 ， 质量损失速率逐 渐增加 。冻融循环作用下梁的屈服荷载和极限荷载 都随着冻融循环次数 的增加而降低 。 2 ) 通过对试验梁荷载挠度 曲线 的分析 ， 随着冻 融次数的增大， 相同荷载下梁的挠度明显增大， 梁的 刚度逐渐减小。 3 ) 通过对 已有冻融循环作用下混凝土梁抗 弯承 载力计算模型的分析 ， 选择了冻融循环作用下钢筋 混凝土梁抗弯承载 力计算公式 ， 计算值与实测值基 本吻合 。 36 参考文献 1 冀晓东， 宋玉普 混凝土冻融损伤本构模型研究l J 1 计算力学学 报 ， 2 0 l l ， 2 8 ( 3 ) ： 4 6 l 一 4 6 7 2 牛荻涛 ， 肖前慧 昆 凝土冻融损伤特性分析及寿命预测 J 1 _ 西安建 筑科技大学学报， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 3 ) ： 3 1 9 3 2 2 3 邹超英 ， 赵娟 ， 梁锋， 等 冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律 J 1 _ 建筑结构学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 1 7 - 1 2 3 4 罗听 ， 卫 军 冻融条件 下混凝土损 伤演变与强度 相关性能研 究 J I _ 华 中科技大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 ) ： 9 8 1 0 0 【 5 l 施 士升 冻融循 环对 混凝 土力学 性能 的影 响 J 1 _ 土 小 T程 学报 ， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 4 ) ： 3 5 4 1 【 6 】 杨忠伟 冻融循环作用下混凝土单轴受压性能试验研究f D 1 扬州： 扬州大学硕士学位论文 ， 2 叭0 7 】 程红强 ， 张雷顺 ， 李平先 冻融对 混凝土强度 的影 响j J l _ 河南科学 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 2 1 4 2 1 6 【 8 1 王宏伟 冻融环境下混凝 土受弯构件 的计算模 式研 究 D1 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学硕士学位论文 ， 2 0 0 7