钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳性能的试验研究.pdf

第 3 3卷第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No A h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r V0 I 3 3 No 6 De c2 O1 2 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 5 6 0 3 钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳性能的试验研究 张 明，高丹盈 ，赵 军 ( 郑州大 学， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 通过 1 根普通高强混凝 土梁 和 3根钢纤维 高强 混凝土梁 的疲劳试验 ， 分析 了疲劳荷载作 用下钢纤 维 部分增强高强混凝土梁跨 中挠度及裂缝 宽度 随循环 次数增加 的变化 规律 ， 探讨 了钢纤维 掺人层厚 对钢纤 维 高强混凝土梁跨 中挠度及裂缝宽度 的影 响 结果表明 ， 在 高强混凝 土梁 中部分掺 加钢纤维 能够有效地控 制梁 的刚度及限制裂缝 的发展 ， 疲劳抗裂性能及变形性能随着钢纤维混凝土层厚 的增加而提高 关键词 ： 钢纤 维 ； 高强混凝土梁 ； 疲劳 ； 挠度 ； 裂缝宽度 随着钢纤维的广泛应用， 钢纤 维混凝土在混凝 土结构中的应用得到 了迅速发展 ， 在公路 、 铁路 、 桥 梁、 工业民用建筑等领域的应用也越来越广泛 这些结构形式在其服务期 内除了承受静载作用外 ， 还承受疲劳荷载的作用 在疲劳荷载作用下 ， 由于疲 劳累积损伤的影响， 结构功能退化 ， 结构变形及裂缝 会影响结构的正常使用甚至安全性 因此有必要对 疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土构件及钢纤维部 分增强高强混凝土构件的疲劳变形性能及裂缝开展 情 况进行 研 究 笔者以疲劳试验为基础 ， 分析了钢纤维高强混 凝土梁疲劳荷载作用下 的变形及裂缝宽度随钢纤维 掺 入层厚 变 化 的发 展规 律 1 试验概况 试验共制作 了 1根普通高强混凝土梁 ( 梁号 ： L 一 0 ) 和 3根钢 纤 维 高 强混 凝 土梁 ( 梁 号 ： L一1 ， L一 2 ， L一3 ) ， 研究 的 目的是探求钢纤维高强混凝 土梁 在第一次静载试验及经历一定疲劳循环次数重复加 载后的变形及裂缝发展规律 以及 钢纤维对其 的影 响， 在设计试验梁时主要考虑了钢纤维掺入层厚的 变化 试件设计见表 1 试验梁均采用跨中单点分级疲劳加载 为模 拟 试件实际工作情况 ， 试验梁两端采用平板橡胶支座 安置试验梁时要求几何对中， 保持两支座等高 ， 加载 点 与支 座处 均垫 有 钢 板 ， 以预 防发 生 混 凝 土局 部 压 坏 疲劳试验施加的疲 劳荷载最大值 为 0 5 0 M 最 小值为固定值 0 1 5 M ( 根据试验机能够控制的最小 荷 载选 取 ) ， M 为试 验梁 的极 限荷 载 表 1试件设计 根据混凝土结构试验方法标准 ， 等 幅疲劳试 验加载程序包括静载试验 、 疲 劳试验和破坏试验 3 个阶段 静载试验阶段 ， 按照静力单调加载试验的加 载程序进行 ， 首先进行预加载， 检验设备是否正常后 加载至疲劳上限、 然后卸载； 疲劳试验 阶段 ， 进行等 幅疲劳试验 ， 加载频率为 5 H z ， 在保持加载频率 的 基础 上反 复 调节 ， 保 持荷 载 稳定 ， 使误 差 不 大于 3 在试验过程 中， 动荷 载循环到 1万 、 5万、 1 0 万 、 l 5万 、 2 O万 、 5 0万 、 1 0 0万 、 1 5 0万 和 2 0 0万 次 后 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 3 0 基金项 目： 河南省教育厅科学技术研究重点项 目( 1 2 A 5 6 0 0 1 3 ) 作者简介 ： 张明( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 河南安 阳人 ， 讲师 ， 博士研究生 ， 主要从事钢纤维混凝 土结构性 能方 面的研究 高丹盈 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 河南 三门峡人 ， 教授 ， 博 导 ， 博士 ， 主要 从事新型复合材料结构理论及其应用方面 的研究 第 3 3卷第 6期 张 明 ， 等 ： 钢纤维 部分 增强高强混凝土梁疲劳性能 的试 验研 究 5 7 停止 ， 然后进行一次加载至疲劳上限的静载试验 ， 量 测各级荷载下的应变 、 裂缝 、 挠度及其发展情况 ； 在 破坏试验阶段 ， 当试验重复荷载达 到要求加载 的次 数 2 0 0万次后 ， 如果试验梁仍未发生破坏 ， 则继续进 行一次静载试验直至试验梁破坏 2 试 验结果 分析 2 1 跨 中挠度 发展 规 律 2 1 1 静载作用下挠度发展规律 根 据 试验 规程 的要 求 ， 在疲 劳试 验前 ， 要进 行 一 次加载至疲劳上 限的静载试验 ， 试验过程 中测量各 级荷载下的挠度 笔者结合试验参数变化 ， 分析了钢 纤维掺人层厚对高强混凝土梁跨 中挠度 的影响 图 1给出了不同参数影响下第一次静载试验 的梁跨中 挠度发展情况 6 O 50 Z 40 3 O 柱 2 0 l O O 为h 3 为h 2 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 挠度 mm 图 1 试验梁静载试 验的荷载 一挠度 曲线 从 图 1中可以看出， 不同参数下 ， 钢纤维部分增 强高强混凝土梁的挠度变化具有 以下共同特征 ： 在 荷载较小时 ， 梁基本处于弹性工作状态 ， 荷载 一 挠度 曲线接近线性变化 ， 表现出均质弹性材料梁的特性 随着荷载的逐步增大 ， 截面开始 出现裂缝后 ， 梁的抗 弯刚度下降 ， 曲线偏离线性呈下降趋势 这和普通混 凝土梁 的挠度变化规律一致 但 和普通混凝土梁相 比， 由于钢纤维阻止裂缝 开展 和直接承担拉力 的作 用 ， 使得梁裂缝截面处的钢筋应变降低 ， 裂缝宽度减 小 ， 增强了梁的整体性和刚度 ， 所 以加人钢纤维后 ， 荷载 一挠度 曲线弯 曲程度减缓 ， 在 同级荷载下挠度 明显降低 ， 表明钢纤维对高强混凝 土梁静载作用下 的变形影响显著 随着钢纤维掺人层厚的增加 ， 其相 同荷载下的挠度减小约 1 9 0 6 9 0 ， 但掺加超 过 1 3梁高的钢纤维后 ， 对减小钢纤维高强混凝土 梁挠度的效果并不 明显 ， 说 明在高强混凝土梁 内一 定范围内掺加钢纤维同样能够起到限制梁 的刚度衰 减的效果 ， 与文献 4 研究结果一致 2 1 2疲劳荷载作用下挠度发展规律 不同影响因素下钢纤维高强混凝土梁在疲劳上 限荷载作用下的跨中最大挠度与循环次数 的关系曲 线如图 2所示 4 0 l 3 5 3 0 2 5 一无钢纤维 一钢纤维掺入层厚 为h 3 一 钢纤维掺 入层厚 为h i 2 一 全梁掺入钢纤维 0 l O 2 0 3 0 40 50 6 0 7 0 8 O 9 O l O0 循环次数历 次 图 2挠度与循环次数的关 系曲线 在 重复 荷载作 用 初期 1 万 次 内挠 度增 加 比较迅 速 ， 在 5万 2 0万次内， 挠度的增大速率变缓 ， 超过 2 0万次后 ， 挠度的变化基本趋 于稳定 挠度 的增大 速率随着钢纤维掺人层厚 的增大而变小 ， 但影 响并 不显著 ， 钢纤维掺入层厚的变化主要影响第一次静 载作用下梁的跨 中挠度 根据文献 5 与 6 ， 混凝 土梁疲劳荷载作用下挠度不断增大的主要原因为 ： 在疲劳荷载作用下受拉区混凝土的疲劳裂缝宽度不 断增加 ， 钢筋和混凝土间的黏结不断被破坏 ； 受压 区 混凝土由于疲劳荷载作用产生的累计损伤及徐变； 截面削弱导致的混凝土构件刚度 降低 该原理 同样 适用于钢纤维混凝土及钢纤维高强混凝土 2 2最大 裂缝 宽度 的发 展规 律 2 2 1 静载作用下最大裂缝宽度发展规律 在静载试验中各级荷载作用下 ， 不同钢纤维掺 人层厚 的高强混凝土梁最大裂缝宽度与荷载的关系 曲线 如 图 3所示 g 越 裂 嘣 图 3最 大 裂 缝 宽 度 与 荷 载 关 系 曲线 由图 3可知 ， 随着钢纤维掺入层厚的增加 ， 各级 荷载下的钢筋混凝土梁的裂缝宽度均有所 降低 ， 钢 纤维掺加 1 3梁高时 ， 裂缝宽度减小 3 9 一7 8 ， 掺加 1 2梁高时 ， 裂缝宽度减小 4 5 8 9 与梁 全截面掺加钢纤维的阻裂效果差别并不十分显著 ， 这说明在高强混凝土梁中部分掺加钢纤维可达到显 著的阻裂效果 ， 这与普通钢纤维混凝土梁的研究结 果 基本 一 致 5 8 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 2 2 2 疲劳荷载作用下最大裂缝宽度发展规律 经过一定疲劳循环次数后 ， 疲劳上限荷载作用 下的试验梁最大裂缝宽度与循环次数的关系曲线如 图4所示 钢纤维掺人层厚不同， 在相同循环次数的 情况下 ， 钢纤维高强混凝 土梁 的最大裂缝 宽度随着 钢纤维掺入层厚的增大而降低 ， 但梁的疲 劳裂缝宽 度增大速率的变化受钢纤维掺入层厚变化的影响并 不显著， 裂缝宽度的增大速率随疲劳循环次数 的变 化规 律基本 一致 O 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 8 O 9 O l 0 O 循环次数历 次 图 4最 大 裂 缝 宽度 与 循 环 次 数 关 系 曲线 文献 2 和 6 的研究表明 ， 疲劳荷载作用下钢 筋混凝土构件裂缝宽度增大 的主要原因是 ： 重复荷 载作用下受压区混凝土内部损伤增大 ， 导致混凝 土 压应变随循环次数增加而增 大， 混凝土开裂引起裂 缝截面处钢筋应变增大 ， 钢筋应变和残余应变不断 增加 ， 钢筋与混凝土间黏结退化 对于钢纤维高强混 凝土梁， 钢纤维减小了受压区混凝 土内部损伤 以及 钢筋与混凝土间黏结 的退化， 进而减小 了疲劳荷载 作用下高强混凝土梁的裂缝宽度 3 结语 1 ) 钢纤维加入高强混凝土梁对于增强梁 的阻 裂能力 ， 优化变形性能 ， 即对于减小裂缝宽度和增加 截面刚度非常有利 2 ) 在疲劳荷载作用下 ， 钢纤维部分增强高强混 凝 土梁 的跨 中挠 度 随循 环 次 数 的增 加 而增 大 ， 随钢 纤维掺人层厚的增加 ， 钢纤维高强混凝土梁的挠度 增大速率有所降低 3 ) 在疲劳荷载作用下 ， 钢纤维部分增强高强混 凝土梁的最大裂缝宽度随循环次数 的增加而增大 ， 随钢纤维掺人层厚的增加 ， 钢纤维高强混凝土梁的 裂缝有所减小 ， 但裂缝宽度的增大速率并无明显差别 参 考 文 献 1 高丹盈 ， 赵军 ， 朱海堂 钢纤维混凝 土设计 与应用 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 2 赵国藩 ， 彭 少 民 ， 黄 承 逵 钢纤 维 混凝 土 结 构 M 北 京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 9 3 中国建筑 科学研 究 院 G B 5 0 1 5 2 -1 9 9 2混 凝土 结构 试 验方法标准 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 2 4 赵军 钢纤维增 强部 分混凝 土梅 件力 学性 能及 设计 方 法 的研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 0 ， 5 孟建伟 ， 王海龙 ， 钟 铭 用解 析 刚度法 求解 高 强钢 筋混 凝 土梁 的疲 劳刚度 J 石家庄 铁道学 院学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 3) ： 6 79 0 6 汤红 卫 ， 李士彬 ， 朱慈 勉 基于 刚度 下 降的混 凝土 梁疲 劳累积损 伤模 型的研究 J 铁道学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 3 ) ： 8 4 8R Ex pe r i m e n t a l S t ud y o n Fat i g ue Pr o p e r t y o f St e e l Fi be r Pa r t l y Re i nf o r c e d Hi gh- s t r e ng t h Co nc r e t e Be a m s Z HANG Mi n g ，G AO D a n y i n g，Z HAO J u n ( Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Ba s e d o n t h e f a t i g u e t es t o f 1 hi g h s t r e ng t h c o n c r e t e b e a m a nd 3 s t e e l fib e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e ng t h c o nc r e t e be a ms，t h e de v e l o pme n t l a w o f de fle c t i o n a nd c r a c k wi d t h wi t h t he i n c r e a s i ng l o a di ng c y c l e s a r e d i s c us s e d i n t he pa p e r ，a n d t h e i n flue n c e s o f t he de pt h o f s t e e l fib e r l a y e r o n d e fle c t i o n a n d c r a c k wi d t h un d e r s t a t i c a n d f a t i g ue l o a d s a r e i n v e s t i g a t e dTh e r es u l t s s ho w t ha t a dd i n g s t e e l fib e r i n t o t he h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e be a ms c a n c o n t r o l t he s t i f f n e s s e f f e c t i v e l y a n d r e s t r i c t t h e de v e l o p me n t o f c r a c ks；t he d e f o r ma t i o n p e r f o r ma n c e a n d f a t i g u e c r a c k i n g r e s i s t a n c e w o u l d b e i mp r o v e d a l o n g wi t h t h e i n c r e a s e o f d e p t h o f s t e e l fi b e r l a y e r Ke y wor ds：s t e e l fibe r；hi g h - s t r e n g t h c o n c r e t e be a m；f a t i g ue；de fle c t i o n；c r a c k wi d t h ( 责任 编辑 ： 乔翠平 ) O O O 0 O 0 E 嚼