鋼筋RPC道砟槽板抗彎承載力試驗(yàn)及破壞特征研究

邱麗梅，高 日，趙會(huì)東，聶 磊

(北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100044)

1 鋼筋RPC道砟槽板模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用活性粉末混凝土

1)試件尺寸:抗壓件 100mm×100mm×100mm(3組)，抗折件 100mm×100mm×400mm(3組);

2)攪拌成型工藝:將石英砂與鋼纖維投入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌1 min，再將水泥、硅粉等膠凝材料投入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌2 min，1/2的用水量與減水劑均勻混合，加入攪拌機(jī)，攪拌2 min，剩余1/2水加入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌5min，攪拌完成后，裝入試模中，在振動(dòng)臺上振動(dòng)2～4 min;

3)試件帶模具放入養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)溫度(20±1)℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間24 h，拆模后，放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度80℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間72 h。

表1為本次試驗(yàn)RPC的配合比。

表1 活性粉末混凝土的配合比 kg/m3

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了長度4 550mm，寬度2 990mm的3塊鋼筋RPC道砟槽板，其抗壓容許應(yīng)力為65mPa，抗拉容許應(yīng)力為9 MPa，抗主拉容許應(yīng)力為6 MPa。按2%的配筋率，在板內(nèi)上下布置了兩層φ20@120鋼筋，鋼筋中心距板邊緣3 cm。

1.2 鋼筋RPC道砟槽板試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對3 m×5m的鋼筋RPC道砟槽板抗彎承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測試其抗彎承載力、延性性能，觀測其破壞形態(tài)、裂縫出現(xiàn)的位置和擴(kuò)展方式等，從而對鋼筋RPC道砟槽板的力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。

1)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—1992)進(jìn)行，試驗(yàn)采取四點(diǎn)支撐的形式，四點(diǎn)分別支撐在鋼墩上，板中央一點(diǎn)集中加載，加載方式如圖1所示。試驗(yàn)主要量測荷載、跨中受拉邊緣應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、裂縫開展情況等。

圖1 道砟槽板加載方式

采用2 000 kN千斤頂分別對3塊道砟槽板進(jìn)行集中加載，加載設(shè)備采用美國MTS擬靜力試驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集采用日本三榮公司生產(chǎn)的7V13數(shù)據(jù)采集器。量測儀器包括靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、應(yīng)變式位移傳感器和電阻應(yīng)變片，同時(shí)采用壓力傳感器測定荷載值。為了準(zhǔn)確地控制開裂，測定受彎構(gòu)件的抗裂性能，在梁底與板底沿縱橫向連續(xù)地布置了電阻應(yīng)變片。量測應(yīng)變所用的電阻應(yīng)變片采用5mm×20mm的紙基電阻應(yīng)變片，電阻值為(119.5±0.02%)Ω，靈敏系數(shù)為2.01±3.6。在跨中及兩條肋上設(shè)置了電測位移計(jì)。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，開始逐級加載，加載到開裂后放緩加載速度直到破壞。B1按每級50 kN增加一直加載到1 550 kN，B2按每級50 kN增加一直加載到1 650 kN，B3按每級50 kN增加一直加載到1 550 kN。

2)測點(diǎn)布置

應(yīng)變片的布置:在板底及板頂縱橫向共布置18個(gè)應(yīng)變片，并在板底跨中鑿兩根鋼筋出來，布置2個(gè)應(yīng)變片。位移計(jì)的布置:在板底和兩肋上布置3個(gè)位移計(jì)，測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置(單位:mm)

2 鋼筋RPC板破壞特征分析

2.1 變形

鋼筋RPC板的受拉側(cè)(板底)，在每50 kN分級加載條件下，當(dāng)加載到250 kN左右時(shí)，開始出現(xiàn)第一條裂縫。當(dāng)加載到700 kN左右，開始聽到鋼纖維拉斷的聲音，加載力達(dá)到1 000～1 100 kN，鋼纖維拉斷的聲音加劇，板底裂縫擴(kuò)展迅速。此時(shí)板雖然已經(jīng)開裂，但是荷載—應(yīng)變曲線基本呈線性變化，這體現(xiàn)出鋼纖維的承拉阻裂作用。當(dāng)荷載超過1 000～1 100 kN，鋼纖維被拉斷或拔出，基本退出工作，受拉鋼筋屈服，所有拉力均由屈服后的受拉鋼筋承擔(dān)，道砟槽板的荷載—應(yīng)變曲線呈非線性變化。隨著荷載繼續(xù)增加，板破壞。B1加載到950 kN，對應(yīng)板頂壓應(yīng)變約為1 200×10-6;B2加載到1 550 kN，對應(yīng)板頂壓應(yīng)變約為3 900×10-6;B3加載到1 650 kN，對應(yīng)板頂壓應(yīng)變約為4 100×10-6，峰值壓應(yīng)變較普通鋼筋混凝土板提高約1 500×10-6。由試驗(yàn)得到的荷載和應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別從3塊板數(shù)據(jù)中選取出比較有代表性的數(shù)據(jù)，做出板底跨中的荷載—應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3曲線表明，鋼筋RPC道砟槽板從加載到破壞的整個(gè)過程可分為以下3個(gè)階段:

階段Ⅰ:彈性階段。道砟槽板在加載初期(≤250 kN)，如圖0A段。該階段直線比較陡直，構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，塑性變形和應(yīng)力都很小。道砟槽板中拉、壓應(yīng)力隨高度呈線性變化，其荷載—應(yīng)變曲線近似為直線這與普通混凝土基本一致。與普通混凝土板不同的是，配筋RPC板初裂縫的出現(xiàn)較晚，普通混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，在加載至破壞荷載的10%左右即出現(xiàn)初裂縫，而配筋RPC板的初裂荷載為破壞荷載的40%～45%左右。

圖3 跨中荷載—應(yīng)變曲線

階段Ⅱ:裂縫擴(kuò)展和纖維增強(qiáng)階段(250 kN≤加載力≤700 kN)，如圖AB段。隨著荷載的繼續(xù)增加，彎矩逐漸增大，板受拉區(qū)邊緣出現(xiàn)的裂縫逐漸向上發(fā)展，中和軸隨之上移，RPC將原來由它承擔(dān)的拉力轉(zhuǎn)交給鋼纖維和鋼筋共同承擔(dān)。盡管此時(shí)板已經(jīng)開裂，但其荷載—應(yīng)變曲線仍接近直線，裂縫高度的增長速度減緩，這體現(xiàn)出鋼纖維的承拉阻裂作用。試驗(yàn)加載到700 kN左右，能聽到鋼纖維被拉斷拔出的聲音。

當(dāng)加載到極限荷載的65%左右(1 000～1 100 kN)時(shí)，縱向受拉鋼筋已經(jīng)屈服，受拉區(qū)邊緣鋼纖維被拉斷拔出，其增強(qiáng)效果基本消失。此時(shí)荷載—應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，板底的裂縫迅速擴(kuò)展，板側(cè)面裂縫向上迅速擴(kuò)展，如圖BC段。此后，鋼筋RPC道砟槽板的撓度增長相比之前迅速。

階段Ⅲ:破壞階段，如圖CD段。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的95%左右(1 500～1 600 kN)時(shí)，縱向受拉鋼筋達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度，此時(shí)裂縫寬度很大(板側(cè)面的最大裂縫寬度可達(dá)1.8 mm左右)。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫寬度擴(kuò)大，板的撓度繼續(xù)增長，但速度較平緩，這體現(xiàn)出鋼筋RPC材料具有良好的峰值后軟化特性。為了試驗(yàn)的安全與保護(hù)試驗(yàn)器材，并未將其加載到徹底破壞。

2.2 裂縫形態(tài)和破壞特點(diǎn)

加載和卸載后，分別繪出3塊板板底和板側(cè)的裂縫情況，圖4為B2板底和板側(cè)的裂縫圖。

圖4 道砟槽板裂縫示意

鋼筋RPC道砟槽板裂縫出現(xiàn)、發(fā)展及破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土板破壞形態(tài)類似。加載初期，鋼筋RPC道砟槽板處于彈性階段，達(dá)到開裂荷載(極限荷載的40% ～45%左右)時(shí)，跨中附近出現(xiàn)第一條裂縫。隨著荷載的增加，裂縫逐漸向上并且向板側(cè)、兩肋擴(kuò)展。當(dāng)加載到700 kN左右時(shí)可以聽到稀疏的鋼纖維拔出的聲音。荷載達(dá)到極限荷載的50%～60%左右時(shí)，1/4跨處出現(xiàn)新裂縫;當(dāng)加載到1 000 kN左右以后，能聽到明顯的開裂聲，板底裂縫擴(kuò)展迅速，并且已經(jīng)擴(kuò)展到板的側(cè)面;當(dāng)加載到1 200 kN左右時(shí)，板側(cè)有三道主裂縫出現(xiàn)，隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，次生裂縫逐漸增多。鋼纖維的摻入使梁的抗拉應(yīng)力得到顯著提高，改變了混凝土的破壞形態(tài)，鋼筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破壞形式屬于延性破壞。

3 ANSYS模擬分析

根據(jù)各試驗(yàn)板在開裂及破壞時(shí)的荷載，由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)求得試驗(yàn)板B2和B3的開裂彎矩實(shí)測值、極限彎矩實(shí)測值以及電算結(jié)果，如表2所示。同時(shí)，根據(jù)已有RPC參數(shù)，混凝土采用Solid65單元，鋼筋采用Link8單元，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算。

表2 板的彎矩值 kN·m

由表2可以看出，電算結(jié)果和試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)接近，相比偏小一些，這是由于ANSYS不能較好模擬RPC里鋼纖維的原因，但誤差在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)鋼筋RPC道砟槽板從開始加載到完全破壞整個(gè)過程與普通鋼筋混凝土板相似。但在裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)，受拉區(qū)RPC的承拉作用等方面仍存在較大差別。在普通混凝土的計(jì)算分析中，常將混凝土的抗拉能力忽略，近似認(rèn)為混凝土不能承擔(dān)拉應(yīng)力，尤其是一旦拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)裂縫后，就認(rèn)為混凝土退出工作。含鋼纖維的RPC材料不但具有比普通混凝土高的極限抗拉強(qiáng)度，而且具有更好的峰值后軟化特性。

2)在250～1 000 kN的加載過程中，鋼筋RPC道砟槽板雖然已經(jīng)開裂，但由于鋼纖維的承拉阻裂增強(qiáng)作用，其荷載—應(yīng)變曲線基本呈線性變化。當(dāng)荷載超過1 000 kN，鋼纖維被拉斷拔除，基本退出工作，鋼筋RPC道砟槽板的荷載—應(yīng)變曲線呈非線性變化。

3)鋼纖維的摻入使梁的抗拉應(yīng)力顯著提高，改變了混凝土的破壞形態(tài)，鋼筋活性粉末混凝土道砟槽板具有良好的延性性能，破壞形式屬于延性破壞。

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