預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁受彎性能試驗(yàn)研究

程東輝，王楷文，宋 超

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著中國改革開放的深入推進(jìn)，城市化進(jìn)程不斷加快，新建筑如雨后春筍般層出不窮，而部分既有建筑物或已達(dá)到設(shè)計(jì)年限，或因當(dāng)時設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能滿足當(dāng)代標(biāo)準(zhǔn)要求而面臨被拆除的命運(yùn)。拆除建筑時會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，不僅不符合可持續(xù)發(fā)展的理念，而且會對生態(tài)環(huán)境造成不利的影響。如何對建筑垃圾進(jìn)行合理利用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素[1-4]。

再生混凝土是廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗和分級，將其作為粗骨料或細(xì)骨料，按一定配合比配制而成的混凝土。將再生混凝土應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)中可以有效減少環(huán)境污染，節(jié)約資源，有利于建筑垃圾的再循環(huán)利用，促進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè)。張毅等[5]對5根翼緣采用再生混凝土、腹板采用普通混凝土的T形截面疊合梁進(jìn)行了受彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[6](以下簡稱《規(guī)范》)對再生混凝土T形截面疊合梁極限承載力的計(jì)算仍然適用。曹萬林等[7]進(jìn)行了不同再生粗骨料取代率和不同再生細(xì)骨料取代率在鋼筋混凝土梁的正截面抗彎性能方面的測試，結(jié)果表明：在相同配筋和混凝土條件下的再生混凝土梁極限承載力和普通混凝土梁的極限承載力相近,再生粗骨料取代率對梁的受彎性能影響不是很明顯,而再生細(xì)骨料對裂縫的分布以及梁的撓度有一定的影響。Arezoumandi等[8]對8根不同再生粗骨料取代率試驗(yàn)梁進(jìn)行了三分點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：再生混凝土梁不僅具有與普通混凝土梁相似的抗彎性能，而且再生混凝土梁的撓度比普通混凝土梁提高了約13%。Knaack等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土梁的剛度降低，破壞時的撓度較大[10]。

綜合國內(nèi)外研究成果[11-26]可以看出：再生混凝土應(yīng)用于梁受彎構(gòu)件中是能夠滿足承載力要求的；由于再生混凝土自身材料的限制，導(dǎo)致再生混凝土梁受彎構(gòu)件變形量較大，為解決這一問題，可以考慮將再生混凝土應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力疊合梁受彎構(gòu)件。為此，本文以再生混凝土梁受彎構(gòu)件為研究對象，開展了預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究。本次疊合梁采用一次加載，主要考慮工程中施工階段在預(yù)制梁下設(shè)有可靠支撐,能保證施工階段作用的荷載全部傳給支撐，澆筑疊合層及養(yǎng)護(hù)成型后撤出支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作了8根混凝土試驗(yàn)梁，其中包括1根預(yù)應(yīng)力普通混凝土整澆梁L0-1、1根預(yù)應(yīng)力再生混凝土整澆梁L0-2和6根預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁，這6根試驗(yàn)梁分別以再生混凝土在疊合梁的位置、疊合層高度、構(gòu)件的配筋率為參數(shù)；所有試驗(yàn)梁均為一次受力構(gòu)件。

表1 配合比Table 1 Mix Ratio

表2 再生混凝土的主要特性Table 2 Main Characteristics of Recycled Concrete

表3 試驗(yàn)梁參數(shù)及配筋Table 3 Test Beam Parameter and Reinforcement

圖1 試驗(yàn)梁截面尺寸及配筋(單位:mm)Fig.1 Cross-section Size and Reinforcement of Test Beam (Unit:mm)

試驗(yàn)前對試驗(yàn)梁的材料性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 混凝土實(shí)測力學(xué)性能Table 4 Measured Mechanical Properties of Concretes

表5 鋼筋力學(xué)性能Table 5 Mechanical Properties of Steel Bars

1.2 試驗(yàn)加載與測量方案

對試驗(yàn)梁采用兩點(diǎn)集中加載，荷載P由位于千斤頂上部的壓力傳感器測量。每級荷載為計(jì)算極限承載力的10%，當(dāng)加載至縱向受力鋼筋屈服后，改為位移控制加載，以承載力下降至極限荷載的70%作為終點(diǎn)。

試驗(yàn)過程中，設(shè)置如下測量裝置：在支座加載點(diǎn)及梁跨中設(shè)置位移計(jì)用以監(jiān)測試件梁變形；在縱向受力鋼筋表面設(shè)置鋼筋應(yīng)變片，用以監(jiān)測其應(yīng)力變化；預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力由位于端部壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測；試驗(yàn)梁跨中沿截面高度方向在混凝土表面設(shè)置一定數(shù)量混凝土應(yīng)變片，用以測量沿高度方向的應(yīng)變變化，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test Loading Device

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)梁L0-1與L0-2在試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)較為相近的破壞形態(tài)：加載至極限荷載的34%左右時，試驗(yàn)梁跨中附近對稱出現(xiàn)彎曲豎向裂縫；隨著荷載的增加，不斷有新的裂縫出現(xiàn)，而且裂縫的寬度及高度隨著荷載的增加而不斷增大。臨近極限承載力時，梁內(nèi)縱向受力普通鋼筋首先屈服；此后繼續(xù)加載，梁的撓度增長加快。當(dāng)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時，跨中部分混凝土被壓碎，隨機(jī)試驗(yàn)梁宣告破壞。

6根試驗(yàn)梁在試驗(yàn)過程中呈現(xiàn)出與上述2根梁較為相近的破壞特征，荷載增加至極限荷載的30%左右時，梁控制截面首先出現(xiàn)第1條裂縫，相比于其他不斷出現(xiàn)的裂縫，這條裂縫隨著荷載的增加，其寬度與高度發(fā)展較快，當(dāng)荷載增加至極限荷載的60%時，受拉區(qū)混凝土裂縫穿越疊合層并向受壓區(qū)不斷擴(kuò)展。達(dá)到承載力極限狀態(tài)時，6根試驗(yàn)梁的受拉區(qū)普通鋼筋先后屈服，但各梁呈現(xiàn)不同的破壞形態(tài)：試驗(yàn)梁L1-4達(dá)到承載力極限狀態(tài)時鋼筋雖然受拉屈服，但是受壓區(qū)混凝土并未被壓碎，由于其跨中控制截面撓度實(shí)測值已經(jīng)超過計(jì)算跨度的1/50，且試驗(yàn)梁呈現(xiàn)出撓度變形不斷增加而承載力不斷降低的現(xiàn)象，隨即停止加載；其余5根試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)均為“通縱向受拉鋼筋屈服，加載點(diǎn)間受壓區(qū)混凝土被壓碎”。試驗(yàn)梁破壞形態(tài)及典型破壞特征如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)及典型破壞特征Fig.3 Failure Forms and Typical Failure Characteristics of Test Beams

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 平截面假定驗(yàn)證

由跨中混凝土布置的應(yīng)變片可以得到試驗(yàn)梁控制截面處混凝土沿高度方向的應(yīng)變變化情況，如圖4所示?？梢钥闯觯涸诩虞d初期，試驗(yàn)梁截面符合平截面變化；加載至后期，各測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)逐漸離散，但基本符合平截面假定。因此可以認(rèn)為，普通混凝土與再生混凝土之間有較好的相互作用，能夠協(xié)同受力，共同變形。

圖4 試驗(yàn)梁跨中截面混凝土應(yīng)變分布Fig.4 Concrete Strain Distribution in Mid-span Section of Test Beam

3.2 荷載-跨中撓度曲線

圖5給出了8根試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線。由圖5可以看出，在配筋相同條件下，由于普通現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度略高于再生混凝土，試驗(yàn)加載時現(xiàn)澆再生混凝土梁比現(xiàn)澆普通混凝土梁撓度更大。在相同荷載下，當(dāng)再生混凝土位于預(yù)制層時，跨中撓度較大；在配筋相同條件下，隨著預(yù)制層高度的增加，跨中撓度變?。辉陬A(yù)制層高度相同條件下，隨著配筋率的增加，撓度變小。

圖5 試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-mid-span Deflection Curves of Test Beams

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋荷載-應(yīng)力增量曲線

由位于預(yù)應(yīng)力鋼筋端部的力傳感器可以測得試驗(yàn)過程中預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力變化情況，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯河捎诓捎脽o黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式，混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋之間沒有黏結(jié)作用，因此達(dá)到承載力極限狀態(tài)時，各試驗(yàn)梁的極限應(yīng)力值均未達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度。此外，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力變化可以分為3個階段，分界點(diǎn)為受拉區(qū)混凝土開裂和梁內(nèi)縱向受力普通鋼筋受拉屈服處。在這2個分界點(diǎn)處，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)，鋼筋應(yīng)力增量加快，尤其是在普通鋼筋屈服后，增加的荷載均由預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)，此時應(yīng)力增量顯著增大。

圖6 試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力鋼筋的荷載-應(yīng)力增量曲線Fig.6 Load-stress Increment Curves of Prestressed Steel Bars of Test Beams

3.4 裂縫分布特點(diǎn)

圖7為8根試驗(yàn)梁一側(cè)裂縫分布及發(fā)展變化實(shí)測圖，裂縫處數(shù)字為在該高度時的荷載等級。從圖7可以看出：在相同配筋條件下，與現(xiàn)澆普通混凝土梁相比，現(xiàn)澆再生混凝土梁達(dá)到極限荷載時裂縫數(shù)量較多，裂縫擴(kuò)展高度較小；在相同配筋條件下，當(dāng)再生混凝土位于疊合層時，與普通混凝土位于疊合層相比，裂縫數(shù)量有所增加，裂縫間距相對較??；當(dāng)再生混凝土位于預(yù)制層時，在相同配筋條件下，隨著預(yù)制層高度的增加，平均裂縫間距逐漸增大，裂縫向上擴(kuò)展高度增大；同樣，當(dāng)再生混凝土位于預(yù)制層時，保持預(yù)制層高度相同條件下，隨著構(gòu)件配筋率的增加，裂縫數(shù)量略微減少，平均裂縫間距逐漸增大，裂縫向上擴(kuò)展高度逐漸減小。

圖7 試驗(yàn)梁裂縫分布(單位:kN)Fig.7 Crack Distributions of Test Beams (Unit:kN)

3.5 彎矩特征值分析

表6列出了8根試驗(yàn)梁各階段彎矩以及跨中撓度實(shí)測值。由表6可以看出：當(dāng)預(yù)制層為普通混凝土?xí)r，試驗(yàn)梁的開裂彎矩有所提高，這主要是由于相對于普通混凝土，再生粗骨料與水泥砂漿之間的初始微裂縫較多，在拉應(yīng)力作用下，裂縫不斷形成和擴(kuò)展，使拉變形很快增長，從而降低了試驗(yàn)梁的開裂彎矩。隨著試驗(yàn)梁配筋率的提高，試驗(yàn)梁的屈服彎矩和極限彎矩顯著增加。隨著預(yù)制層高度的增加，試驗(yàn)梁的屈服彎矩和極限彎矩均增大。

表6 試驗(yàn)梁試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test Results of Test Beams

4 承載力計(jì)算

由前述內(nèi)容可知，平截面假定適用于無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁，采用《規(guī)范》中預(yù)應(yīng)力普通混凝土梁正截面受彎極限承載力Mu的計(jì)算公式，即

α1fcbx=σpAp+fyAs

(1)

(2)

式中：α1為系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時，α1取為1.0；fy為普通鋼筋屈服強(qiáng)度的實(shí)際測量值；x為混凝土受壓區(qū)高度；As為拉伸區(qū)域中的縱向普通鋼筋的橫截面面積；σp為在極限承載力狀態(tài)下無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力，取值見表7；Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面面積；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度的實(shí)際測量值，根據(jù)表3，普通混凝土取41.94 MPa，再生混凝土取33.13 MPa；b為梁寬度；hp為受壓區(qū)混凝土邊緣至預(yù)應(yīng)力筋合力作用點(diǎn)的距離；hs為從受壓區(qū)混凝土邊緣到拉伸區(qū)中縱向普通鋼筋合力作用點(diǎn)的距離。

表7 極限承載力狀態(tài)下無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力值Table 7 Stress Values of Unbonded Prestressed Steel Strand Under Ultimate Bearing Capacity State

按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度ωmax可按照公式(3)～(6)計(jì)算。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為按荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力或按標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋等效應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑；Ate為有效受拉混凝土截面面積；di為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的公稱直徑；ni為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的根數(shù)；νi為受拉區(qū)第i種鋼筋的相對黏結(jié)特性系數(shù)。

各試驗(yàn)梁極限承載力的計(jì)算值與實(shí)測值對比情況見表8。由表8可知：依據(jù)《規(guī)范》計(jì)算的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁的受彎承載力與實(shí)測值比值的平均值為0.964，標(biāo)準(zhǔn)差為0.051，變異系數(shù)為0.053，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合良好，說明運(yùn)用《規(guī)范》中的公式進(jìn)行無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁構(gòu)件受彎承載力計(jì)算是可行的。為指導(dǎo)工程應(yīng)用，在實(shí)際工程計(jì)算中，為偏于安全，對公式(2)計(jì)算得到的極限承載力乘以0.9的折減系數(shù)。

表8 試驗(yàn)梁極限承載力計(jì)算值與實(shí)測值對比Table 8 Comparison of Calculated Values and Measured Values of Ultimate Bearing Capacity of Test Beams

5 結(jié)語

(1)當(dāng)再生混凝土應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力疊合受彎構(gòu)件時，跨中截面高度的應(yīng)變變化規(guī)律與截面平截面假定一致，普通混凝土與再生混凝土之間有較好的相互作用，能夠協(xié)同受力，共同變形。

(2)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力增量曲線為三折線。當(dāng)再生混凝土位于預(yù)制層時，在配筋相同條件下，預(yù)制層高度增加會延緩梁內(nèi)縱向受力普通鋼筋受拉屈服。相同預(yù)制層高度時，提高縱向鋼筋強(qiáng)度，會有效提高梁的性能。

(3)與普通混凝土梁相比，再生混凝土梁裂縫數(shù)量相對較多，達(dá)到極限荷載時裂縫擴(kuò)展高度相對較??；再生混凝土位于疊合層時，裂縫數(shù)量有所增加，裂縫間距相對較??；隨著預(yù)制層高度和構(gòu)件配筋率的增加，試驗(yàn)梁平均裂縫間距逐漸增大。

(4)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對承載力極限狀態(tài)下無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力再生混凝土疊合梁承載力進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好。