钢纤维部分增强高强混凝土梁的疲劳变形性能.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C EME NT P R0DUC T S 2 01 3 No 2 F e b r u a r y 钢纤维部分增强高强混凝土梁的疲劳变形性能 张 明 ， 张庆伟 ， 赵 军 ( 1 郑州大学 ， 4 5 0 0 0 0； 2 安 阳师范学院建筑工程学院， 4 5 5 0 0 0 ) 摘要 ： 通 过普 通高强混凝土梁和钢纤 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 土梁挠度随循 环次数增加的 变化规律 ， 探讨 了钢纤维掺入层厚对钢 纤维高强混凝 土梁变形性能的影响 ， 研究 了钢 纤维部 分增强高强混凝土 梁刚度及挠度 的计 算方法， 并提 出了相应的计算公式 。结 果表 明 ， 在 高强混凝土梁 中 掺加钢 纤维能有效控制梁的刚度 ， 疲劳变形性能随着钢纤维混凝土层厚的增加 而提 高， 计算结果与试验测 量结果吻 合 较 好 。 关键词 ： 钢 纤维 ； 高强混凝 土梁 ； 疲 劳； 挠 度 Abs t r a c t ： B a s e d o n t h e f a t i g u e t e s t o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a m a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a ms ， t h e d e v e l o p me n t l a w o f d e fl e c t i o n o f 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 n g t h c o n c r e t e b e a ms w i t h t h e i n c r e a s i n g l o a d i n g c y c l e s i s d i s c u s s e d u n d e r t h e f a t i g u e l o a d i n g a n d t h e i n fl u e n c e s D f t h e d e p t h o f s t e e l fi b e r l a y e r o n t h e d e f o r ma t i o n p e r f o rm a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a ms a r e d i s c u s s e d T h e c a l c u l a t i n g me t h o d s o f d e fl e c t i o n a n d s t i f f n e s s o f s t e e l fi b e r p a r t i a l l y r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a ms a r e s t u d i e d ，a n d t h e r e l a t e d c a l c u l a t i o n f o rm u l a s a r e p u t f o r w a r d T h e r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g s t e e l fi b e r i n t o t h e h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a ms c a n c o n t r o l t h e s t i f f n e s s o f t h e b e a ms e f f e c t i v e l y ，t h e f a t i g u e d e f o rm a t i o n p e rfo rm a n c e wo 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 ， a n d t h e c a l c u l a t e d v a l u e s h a v e g o o d a g r e e me n t wi t h t h e t e s t d a t a Ke y wo r d s ：S t e e l fi b e r ； Hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e a m； F a t i g u e ； De fl e c t i o n 中图分类号： T U 3 7 5 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 4 7 - 0 3 0前 言 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的发展 ， 在公路 、 铁路 、 桥梁及 工业 与 民用建筑等领域的应用也越来越 广 泛 。上述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 功能退化及 结构 变形增大会影 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 的变形性 能进行研究。 本研究 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 下变形 随着 钢纤维掺入层 高变化 的发展规律 ， 探讨 了疲劳荷载作用下钢纤维 部分增 强高强混凝土梁 的刚度与挠度 的计算 方法 及公式 。 1 试验概况 本试 验共制作 了 1根普通 高强混凝 土梁和 3 根钢纤维高强混凝土梁 。试验研究的 目的主要是探 基 金 项 目 ：河 南 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 重 点 项 目 ( 1 2 A5 6 0 01 3 ) 。 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 钢纤维掺人范围的变化。 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。安置试验梁时力求几何对 中， 并保持两支座等 高。加载点与支座处均垫有钢板 ， 以防止发生混凝 土局部压坏。疲劳试验采用固定最大及最小应力水 平 的等 幅正 弦波加 载 ，施 加的疲 劳荷 载最大值 为 0 5 Mu ， 最小值 固定为 0 1 5帆 ( 根据试验机能够控制 的最小 荷 载选取 ) 。 根据混凝土结构试验方法标准网 ， 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三 个 阶段 ： 在静载试验阶段 ， 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 正常后进行加载至疲劳上限 、卸载 的静载试验 ； 在 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 。试验过程 中， 动载循环至 1万 、 5万 、 1 0万 、 1 5万 、 2 0万 、 5 O万 、 1 0 0万 、 1 5 0万 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 和 2 0 0万次后停止 ， 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 2 0 0万次后 ，如果试验梁仍未发生破坏 ， 则 继续进行一次试件静载试验直至试验梁破坏 。 试验梁的参数设计方案详见表 1 。 表 1 试验梁的参数 2试验 结果 分析 2 1 静载作用下挠度发展规律分析 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。本文结合试验参数变化 ， 分析 了 钢纤维掺加范围对高强混凝土梁挠度的影响。图 1 为不 同参数 影响下第一次静载试验 的梁跨 中挠度 发展规律 。 6 0 5 0 z 4 O 3 0 挺 2 O 1 O 0 0 2 3 4 挠度 mm 图 1 试 验 梁静 截 试 验 荷 载 一 挠 度 曲 线 从 图 1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一 些共 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 ，表现出具有匀质弹性材料 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是一致的。 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， 增加了梁的整体性和刚 度。所以 ， 加入钢纤维后 ， 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。说 明钢纤维对 高强混凝土梁静载作用下的变形影响是显著的。随 48 着钢纤维掺人梁层厚 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 h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的一定范围掺加钢 纤维 同样能够起到限制梁的刚度衰减 的效果 ， 与文 献 4 研究结果是一致的。 2 2 疲劳荷载作用下挠度发展规律分析 图 2着重分析不同因素下钢纤维高强混凝土 梁在疲劳上 限荷载作用下 的最大挠度随着循环次 数的发展规律。 循 环 次 数 万次 图 2 挠度与循环次数的关系 在重复荷载作用初期 1万次内 ， 挠度增加是 比 较迅速的 ； 在 5 2 0万次 时 ， 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入层高的增大而变小 ， 但影 响并不显著 ， 钢纤维掺入范 围的变化主要影 响第一 次静载作用下梁的跨中挠度 。以往的研究结果 表 明， 混凝土梁疲劳荷载作用下挠度不断增大 的主要 原 因是 ： 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 ，钢筋和混凝土间的粘 结不断破 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 刚度的下 降。其原理同样适用于钢纤维混凝土及钢纤维高强 混凝土 。 3挠度的计算方法 钢筋混凝土构件和钢纤 维混凝 土梁构件属于 带裂缝工作 的受弯构件 ， 对变形计算 的主要 内容就 是确定构件在短期荷载作用下抗弯刚度的大小 。根 据材料力学 的基本理论 ， 短期荷载作用下受弯构件 跨中最大挠度的计算公式为 ： f = s 等 ( 1 ) 式 中 厂 为跨 中最大挠度 ； 为跨 中最大弯矩 ； Z 为梁 的计算跨度 ； 5为与荷载形式 、支撑条件有关的系 数 ； 为截面抗弯刚度 。 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 纤维混凝土结构技术规程 用， 在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 明 ， 张庆伟 ， 赵 军 钢纤维部分增强高强混凝土梁 的疲劳变形性能 普通混凝土受弯构件的基础上 ， 基于刚度解析法的 理论分 析 ， 考虑 了钢纤 维的阻裂增强效果 ， 给出了 静载作 用下受拉区出现裂缝 的钢纤维混凝土矩形 截面受弯构件的短期刚度的计算公式 ： = B ( 1 + fl B A ， ) ( 2 ) 式中， 为根据钢纤维混凝土的强度等级 ，按照混 凝 土结构技术规程计算 的普通钢筋 混凝 土的抗弯 刚度 ； 为钢纤维对短期 刚度的影 响系数 ，对于钢 纤 维部分 增强混凝 土受弯构 件 以 2 代 替 ， 0 5时 严0 5取 ； A ， 为钢纤维的特征参数。 在疲劳荷载作用下 ， 钢筋和混凝土的应变随着 循环次数的增加而变大 ， 混凝土受弯构件 的弹性模 量在减小 ， 裂缝 也不断 向顶部发展 ， 所以 ， 在计算疲 劳荷载作用下 的钢纤维高强混凝土梁的刚度 时， 应 根据试 验结果 引入疲劳荷载作用下 的刚度衰减 系 数来考虑疲劳荷载下的刚度折减 。 从 图 2可以看 出，虽然在疲劳荷 载作用下 ， 钢 纤维掺入 范围等 因素对 钢纤 维高强混凝土梁跨 中 最大挠度 的增长速率有一定 的影 响 ，但其挠度增 大 、刚度下降 的主要控制 因素仍然是疲 劳循 环次 数 。故高强钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳荷载 下的刚度可写为 ： = ( 3 ) 式中 ， 为疲劳荷载作用下跨中截面刚度的衰减系 数 ，随着疲劳荷载的循环次数 的变化而变化 ， 即 为钢纤维高强混凝土梁的疲劳刚度 。 根据本次试验结果 进行 回归分析 ，结合公式 ( 2 ) 可得 ： 1 O n a + b l g N ( 4 ) = ( 1 嘞 A ， ) ( 5 ) 式 中， a = 0 8 3 2 ， b = 0 0 6 6 7 ， 则疲劳荷载作用下钢纤维 高强混凝土梁 的挠度计算公式可写为 ： =5 ： S( 0 8 3 2 +O O 0 。 6 7 1 g N 、 ) M l 一 ( 6 ) ( 1 帕A r ) 不同循环次数下 ， 挠度试 验值与计算值 的比值 见 表 2 。 由表 2可以看 出， 本试验的钢纤维高强混凝土 梁 ， 按公式 ( 6 ) 得 到试验值 与计算值 的比值 的平均 值为 0 9 8 5 ， 变异系数 0 6 1 9 ， 试验结果 与计 算结果 均吻合 良好。 表 2 疲劳荷载下挠度试验值 与计算值 的比值 4结论 ( 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 加截面刚度是十分有利的。 ( 2 ) 在疲劳荷载作用下 ， 钢 纤维部分增强高 强 混凝土梁 的挠度会 随着循环次数 的增加而增大 ， 随 着钢纤维掺入范围的增加 ， 钢纤维高强混凝土梁 的 挠度增大速率会有所降低 。 ( 3 ) 钢纤维部分增强高强混凝土梁在静 载作用 下的挠度计算可以参照现行 纤维混凝土结构设计 规程 进行 ， 疲 劳荷载下梁的挠度 的计算可 以按照 本文提 出的基于刚度衰减系数的计算方法进行 ， 计 算值与试验值吻合 良好 。 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 】中华人 民共和 国国家标 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构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 ， 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 - 8 8 7 】 中华人民共和 国行业标 准 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4纤维混凝 土结 构技术规程 S 】 北京： 中国计划 出版 社 2 0 0 4 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 2 9 作者简 介 ： 张明( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 博士研究生 。 通 讯地 址 ： 河南省安 阳市安 阳师范学 院建筑工程学院 联 系电话 ： 1 3 8 4 9 2 8 8 9 4 6 ( 张庆伟 ) E- ma i l ： z h a n g mi n g z z u 1 2 6 c o m 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m