高強(qiáng)纖維混凝土橋面板受力性能試驗(yàn)研究①

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

橋面板作為橋梁中直接承受車(chē)輪荷載的構(gòu)件，其受力性能至關(guān)重要[1]。目前大多數(shù)橋梁采用的都是混凝土橋面板[2]。混凝土橋面板具有經(jīng)濟(jì)、整體性好，受力可靠且設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，近年來(lái)有關(guān)新建公路橋混凝土橋面板開(kāi)裂的報(bào)道逐漸增多[3]?；炷翗蛎姘彘_(kāi)裂后會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕和混凝土劣化，進(jìn)一步影響橋梁的使用，縮短使用壽命。為了提高混凝土橋面板的使用壽命，眾多學(xué)者提出了各種方法，例如向橋面板混凝土加入表面嵌入式纖維復(fù)合筋[4]、摻入高強(qiáng)有機(jī)聚合物纖維[5]、摻入鋼纖維等[6]。 鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的新型復(fù)合材料[7]。這些亂向分布的鋼纖維能夠較好的阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展以及宏觀裂縫的形成，顯著改善混混凝土的抗壓、抗彎、抗沖擊及疲勞性能，并且使混凝土具有較好的延性[8～9]。設(shè)計(jì)制作了三個(gè)高強(qiáng)混凝土薄板試件，其中兩個(gè)摻有鋼纖維，通過(guò)靜力試驗(yàn)考察混凝土薄板的受力性能，并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)高強(qiáng)混凝土板試件，其中兩個(gè)含有鋼纖維。三個(gè)試件編號(hào)依次為HB-1，HB-2，HB-3。各試件尺寸、配筋及鋼纖維信息如表1所示。

表1 混凝土板試件信息

以HB-2試件為例，其余各試件設(shè)計(jì)圖類(lèi)似。HB-2試件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及加載方式

每個(gè)試件上布置8個(gè)縱向測(cè)試應(yīng)變片，其中混凝土上表面4個(gè)，混凝土下表面4個(gè)。應(yīng)變片布置的縱向位置為距離兩端300mm處。應(yīng)變片橫向布置位置為試件的橫向三分點(diǎn)處。具體布置圖如圖2所示。

加載方式按照位移加載，加載的有效跨徑為600mm，加載時(shí)采用三分點(diǎn)處兩點(diǎn)加載。試件加載示意圖和實(shí)際加載圖分別如圖3、4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 HB-1試件結(jié)果及分析

HB-1試件的極限承載力為15.5kN，加載過(guò)程中：

對(duì)于混凝土下緣：當(dāng)荷載小于3kN時(shí)，應(yīng)變幾乎為零。荷載3～12kN之間時(shí)，隨著荷載的增加，應(yīng)變與荷載呈現(xiàn)線性關(guān)系。荷載在12～15kN之間時(shí)，應(yīng)變迅速增大，有較大的非線性，應(yīng)變?cè)?00με產(chǎn)生劇烈突變，荷載不再增大,下緣荷載-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖1 試件HB-2設(shè)計(jì)圖

圖2 試件測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 試件加載示意圖

圖4 試件實(shí)際加載現(xiàn)場(chǎng)圖

對(duì)于混凝土上緣：荷載小于3kN時(shí)，應(yīng)變幾乎為0。荷載在3～15kN之間時(shí)，應(yīng)變隨著荷載的增加線性的增加，最大達(dá)到了-280με。上緣荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示。

2.2 HB-2試件結(jié)果及分析

HB-2試件的極限承載力為74.4kN，加載過(guò)程中：

對(duì)于混凝土下緣來(lái)說(shuō)：荷載在0～15kN之間時(shí)，隨著荷載的增加，應(yīng)變與荷載呈現(xiàn)線性關(guān)系。之后荷載幾乎不變的情況下應(yīng)變迅速增大，應(yīng)變片損壞。B-2在荷載達(dá)到20kN之后可能因?yàn)殇摻畹南拗疲芽p沒(méi)有發(fā)展太大，使得荷載由相應(yīng)位置的鋼筋承擔(dān)，但是混凝土的應(yīng)變不變。當(dāng)荷載達(dá)到60kN后混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，試件破壞。下緣荷載-應(yīng)變曲線如圖7所示。

混凝土上緣：荷載小于18kN時(shí)，應(yīng)變隨著荷載的增加線性的增加。之后下緣的混凝土開(kāi)裂，荷載由鋼筋承擔(dān)，圖中表現(xiàn)為荷載應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，之后隨著荷載的增大，上緣的應(yīng)變繼續(xù)增大，最大應(yīng)變?cè)?3000με。上緣荷載-應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖5 試件HB-1混凝土上緣荷載-應(yīng)變曲線圖

圖6 試件HB-1混凝土下緣荷載-應(yīng)變曲線圖

2.3 HB-3試件結(jié)果及分析

HB-3試件的極限承載力為56.7kN，加載過(guò)程中：

混凝土下緣：。在0～3kN，應(yīng)變很小，3～10kN之間四個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變都隨著荷載的增大而線性的增大。應(yīng)變達(dá)到150με時(shí)出現(xiàn)非線性段，荷載繼續(xù)增大應(yīng)變也隨著荷載的增大非線性的增大。因?yàn)榕浣盥实奶岣呦拗屏肆芽p的發(fā)展，使得能夠繼續(xù)測(cè)量。下緣荷載-應(yīng)變曲線如圖9所示。

混凝土上緣：荷載小于10kN時(shí)，應(yīng)變隨著荷載的增大線性的增大。應(yīng)變?cè)龃笾?180με。之后下緣的混凝土退出工作，由鋼筋承擔(dān)之前混凝土承擔(dān)的荷載。應(yīng)變與荷載的關(guān)系為斜率下降，但是還是線性的關(guān)系變化。上緣荷載-應(yīng)變曲線如圖10所示。

圖7 試件HB-2混凝土下緣荷載-應(yīng)變曲線圖

圖8 試件HB-2混凝土上緣荷載-應(yīng)變曲線圖

3 結(jié) 論

通過(guò)三個(gè)試件上、下緣的荷載-應(yīng)變曲線可以得出如下結(jié)論：

a)對(duì)比3個(gè)試件的極限承載力可以明顯看出，添加鋼纖維的混凝土板極限承載力相比于不添加鋼纖維的混凝土板提高了15%左右。這表明鋼纖維可以顯著提高鋼筋混凝土橋面板的極限承載力，能有效地適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)中頻繁出現(xiàn)的車(chē)輛超載情況。值得注意的是，比較BH-1和BH-2試件可知，鋼纖維只是作為輔助性的材料添加到混凝土中，并不能取代鋼筋的作用。

b)比較BH-2和BH-3的結(jié)果可以看出添加了鋼纖維的混凝土板其彈性階段有顯著提高，并且上緣最大應(yīng)變遠(yuǎn)大于未添加鋼纖維混凝土板。這表明鋼纖維的摻入可以大大的提高混凝土的延性。另外，對(duì)比兩個(gè)試件的荷載-應(yīng)變曲線也可以看出其彈性階段曲線斜率即混凝土的彈性模量(剛度)也有明顯的提高。

圖9 試件HB-3混凝土下緣荷載-應(yīng)變曲線圖

圖10 試件HB-3混凝土上緣荷載-應(yīng)變曲線圖

c)對(duì)比BH-2和BH-3試件下緣荷載-應(yīng)變曲線，BH-2試件在初始階段應(yīng)變遠(yuǎn)小于BH-3試件，這說(shuō)明鋼纖維可以顯著的提高混凝土的抗拉能力，延緩受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，進(jìn)而提高混凝土剛度。這對(duì)于連續(xù)梁橋等橋面板存在受拉區(qū)的橋型特別有利，只需摻入少量的鋼纖維即可很好的解決橋面板開(kāi)裂問(wèn)題。

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