荷載水平對(duì)長(zhǎng)期加載作用下混凝土剩余承載力的影響

于潤(rùn)澤，李 杰，司炳君

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

對(duì)于遭受長(zhǎng)期荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)，如混凝土大壩，安全殼以及冷卻塔等，由于混凝土內(nèi)部損傷的積累，結(jié)構(gòu)的安全性及服役性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期荷載作用下，荷載水平以及加載時(shí)間是影響混凝土服役性能的主要因素。一般來(lái)說(shuō)，混凝土在低荷載水平作用下產(chǎn)生線性黏彈性變形，并且在持續(xù)加載過(guò)程中保持穩(wěn)定。相對(duì)地，高荷載水平作用下，裂縫擴(kuò)展與混凝土黏彈性相互作用產(chǎn)生非線性變形甚至可能造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞[1]。因此，為了更加充分地了解長(zhǎng)期荷載作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性的影響，對(duì)長(zhǎng)期高荷載水平作用后，混凝土的剩余承載力進(jìn)行評(píng)估是非常有必要的。

在過(guò)去的幾十年里，關(guān)于混凝土徐變行為已進(jìn)行大量的研究[2-4]?，F(xiàn)有的研究主要針對(duì)混凝土拉壓荷載作用下的徐變變形，主要考慮荷載水平[2]、水泥種類[5]、粗骨料類型[6]以及混凝土強(qiáng)度[7]等對(duì)徐變的影響。研究結(jié)果表明拉壓荷載作用下混凝土的徐變規(guī)律類似。在高荷載水平作用下，徐變過(guò)程根據(jù)徐變速率可分為三個(gè)階段，第一階段，徐變率逐漸減??；第二階段，徐變率保持穩(wěn)定；第三階段，徐變率快速增加，其中第二階段徐變持續(xù)的時(shí)間大概占整個(gè)破壞時(shí)間的70%，因此研究認(rèn)為第二階段徐變速率可以用來(lái)預(yù)測(cè)徐變破壞時(shí)間[1]。相對(duì)地，在低荷載水平作用下，徐變過(guò)程經(jīng)歷第一階段和第二階段并不會(huì)進(jìn)入第三階段。此外，混凝土組成成分的變化對(duì)徐變并無(wú)明顯的影響。目前，對(duì)于在彎曲荷載作用下混凝土徐變過(guò)程的研究相對(duì)較少。而且，這些少量針對(duì)混凝土彎曲徐變的研究大多較短時(shí)間內(nèi)完成，如1個(gè)月、3個(gè)月[8-10]。因此，為了更清楚地了解混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的徐變規(guī)律，對(duì)混凝土進(jìn)行長(zhǎng)期彎曲徐變研究并對(duì)長(zhǎng)期荷載作用后混凝土的剩余承載力進(jìn)行分析是非常有意義的。

目前，已有一些學(xué)者針對(duì)徐變后混凝土的斷裂性能進(jìn)行了研究。Omar等[10]研究了混凝土在80%極限荷載 (Pmax) 持續(xù)加載3個(gè)月后混凝土的斷裂性能。結(jié)果表明長(zhǎng)期荷載作用后混凝土的斷裂能有明顯的減小。與伴隨試件相比，徐變混凝土的剩余承載力并無(wú)明顯變化。Saliba等[8-9]對(duì)85%極限荷載作用120 d后的混凝土進(jìn)行斷裂特性分析。研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)荷載作用后，混凝土的剩余承載力有一定的增加。這一現(xiàn)象被解釋為是由于長(zhǎng)期加載過(guò)程中混凝土受壓區(qū)得到強(qiáng)化而引起。此外，Dong等[11-12]、Rong等[13]和吳喬等[14]對(duì)不同荷載水平作用1個(gè)月和3個(gè)月后混凝土的斷裂特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明長(zhǎng)期荷載作用后混凝土的剩余承載力有較為明顯的提高。根據(jù)數(shù)值分析可知在長(zhǎng)期荷載作用過(guò)程中，由于應(yīng)力松弛的發(fā)生，混凝土裂縫尖端的應(yīng)力減小，這造成混凝土剩余承載力的增加。如上所述，目前關(guān)于持續(xù)荷載作用后混凝土剩余承載力的研究結(jié)果并不一致，且持續(xù)加載過(guò)程均在較短時(shí)間內(nèi)完成。

基于以上分析，為了評(píng)估長(zhǎng)期荷載作用后混凝土的剩余承載力，本文首先對(duì)混凝土梁施加60%極限荷載和80%極限荷載的恒定荷載并進(jìn)行為期6個(gè)月和12個(gè)月的長(zhǎng)期加載。長(zhǎng)期加載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)一部分混凝土梁進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)。此外，對(duì)在80%Pmax持續(xù)加載12個(gè)月的混凝土梁進(jìn)行5 500 N (靜載峰值荷載)和6 000 N (1.1倍靜載峰值荷載)的持載試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中得到在長(zhǎng)期加載過(guò)程中加載點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線以及混凝土的起裂荷載和極限荷載。最終，對(duì)長(zhǎng)期荷載作用后混凝土剩余承載力進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件準(zhǔn)備

本文采用尺寸為500 mm ×100 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)的混凝土梁，初始縫高比為0.3?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)為C30，其配合比為水泥∶沙子∶石子∶水=1∶ 2∶3.7∶0.6。水泥為P42.5普通硅酸鹽水泥，沙子采用最大粒徑為5 mm的河沙，石子的最大粒徑為10 mm。試件在澆筑24 h后進(jìn)行拆模，并且放入溫度為20℃±2℃，濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)27 d。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50081—2002)，采用300 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定混凝土基本力學(xué)性能參數(shù)。其中劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，彈性模量試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件?；炷猎?8 d時(shí)的材料參數(shù)如表1所示，表中E、ft以及fc分別為彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度。為了防止在長(zhǎng)期加載過(guò)程中混凝土水分散失，使用雙層錫紙對(duì)養(yǎng)護(hù)到期的混凝土梁進(jìn)行密封。與徐變?cè)嚰瑫r(shí)澆筑、養(yǎng)護(hù)、未進(jìn)行徐變加載的混凝土梁作為伴隨試件。

表1 混凝土材料參數(shù)

1.2 徐變?cè)囼?yàn)

為了標(biāo)定徐變過(guò)程中施加的恒定荷載，對(duì)養(yǎng)護(hù)到期的混凝土梁首先進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)，三組試件的平均極限為4 021 N。徐變?cè)囼?yàn)在溫度為20℃±2℃、濕度為50%的恒溫恒濕試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行?；炷亮涸谧灾频男熳兗虞d架進(jìn)行長(zhǎng)期加載，加載裝置如圖1所示。荷載傳感器及顯示器與加載架連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)加載架上的螺桿調(diào)節(jié)施加在混凝土梁上荷載的大小。在本試驗(yàn)中施加60%Pmax(60%×4 021=2 400 N)和80%Pmax(80%×4 021=3 200 N) 兩種荷載水平，并且持續(xù)加載6個(gè)月和12個(gè)月。需要說(shuō)明的是，在靜載斷裂試驗(yàn)中混凝土梁的起裂荷載均值為2 644 N(約65.7%Pmax)。因此認(rèn)為混凝土梁在加載60%Pmax時(shí)并未起裂，而在80%Pmax作用下，混凝土已經(jīng)起裂。在徐變過(guò)程中，使用千分表對(duì)混凝土加載點(diǎn)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于混凝土變形的增加，持載過(guò)程中荷載值會(huì)隨時(shí)間的增加逐漸小，當(dāng)荷載減小超過(guò)2%，則通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿進(jìn)行補(bǔ)載使荷載保持穩(wěn)定。

圖1 徐變加載裝置圖

1.3 斷裂試驗(yàn)

徐變?cè)囼?yàn)結(jié)束后，將混凝土梁從加載架取出并進(jìn)行靜載三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)。斷裂試驗(yàn)在25 t伺服萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載過(guò)程采用位移控制，加載速率為0.036 um/min。試驗(yàn)過(guò)程中，使用夾式引伸儀測(cè)量混凝土梁的加載點(diǎn)(δ)以及裂縫口張開位移，如圖2 所示。

圖2 三點(diǎn)彎加載裝置圖

對(duì)于伴隨試件及60%Pmax作用后的混凝土梁，為了得到試件的起裂荷載，四個(gè)應(yīng)變片分別粘貼于試件前后面距離裂縫尖端5 mm處。在加載過(guò)程中，隨著荷載的增加，裂縫尖端彈性應(yīng)變能逐漸增大引起應(yīng)變值的增大。當(dāng)縫尖起裂后，彈性應(yīng)變能釋放造成應(yīng)變值快速減小[16]，據(jù)此可判定起裂荷載的數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 荷載水平對(duì)徐變變形的影響

圖3 所示為混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下，加載6個(gè)月和12個(gè)月過(guò)程中加載點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線?；炷亮涸诔州d過(guò)程中均未發(fā)生破壞，徐變經(jīng)歷第一階段與第二階段，未進(jìn)入第三徐變階段。試件在60%Pmax荷載作用下，加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩(wěn)定且加載點(diǎn)位移幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。相對(duì)地，混凝土梁在80%Pmax荷載作用下，加載點(diǎn)位移變化規(guī)律與60%Pmax作用下類似。但在持載過(guò)程中，加載點(diǎn)位移仍然有一定的增長(zhǎng)，徐變過(guò)程明顯為非線性徐變。這表明混凝土梁在80%Pmax作用下，裂縫已經(jīng)擴(kuò)展并且與混凝土黏彈性相互作用產(chǎn)生非線性徐變。此外，試驗(yàn)結(jié)果也表明在持續(xù)荷載作用下即使有裂縫擴(kuò)展，混凝土也有可能保持穩(wěn)定不發(fā)生破壞。

圖3 長(zhǎng)期荷載作用下加載點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線

2.2 徐變對(duì)混凝土斷裂性能的影響

徐變?cè)囼?yàn)結(jié)束后，混凝土在靜載條件下加載到破壞。試驗(yàn)結(jié)果見表2，Pini、Pmax、Sc和Gf分別為起裂荷載、剩余承載力、臨界裂縫口張開位移和斷裂能。60%-6和80%-6分別代表混凝土試件在60%Pmax和80%Pmax荷載作用下持續(xù)加載6個(gè)月。60%-12表示混凝土試件在60%Pmax荷載作用下持續(xù)加載12個(gè)月。由表可見，與伴隨時(shí)間相比，徐變后混凝土的Pini及Pmax均有明顯的增加。對(duì)于80%Pmax作用下的試件，由于混凝土在持載過(guò)程中已經(jīng)起裂，因此在靜載斷裂試驗(yàn)中并未得到起裂荷載。此外荷載水平越高，混凝土梁的剩余承載力越大。如徐變6個(gè)月后，伴隨試件，60%Pmax和80%Pmax徐變?cè)嚰钠骄Ｓ喑休d力分別為5 113 N，5 308 N以及5 661 N。Dong等[12]研究表明在徐變過(guò)程中，由于應(yīng)力松弛，混凝土梁縫尖的應(yīng)力明顯減小。徐變?cè)囼?yàn)結(jié)束后，在進(jìn)行靜載斷裂試驗(yàn)的過(guò)程中，縫尖減少的應(yīng)力需要填補(bǔ)才能驅(qū)使裂縫擴(kuò)展，這造成徐變?cè)嚰鹆押奢d和剩余承載力的提高。此外，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果可知徐變對(duì)臨界裂縫口張開位移Sc并無(wú)明顯的影響。

混凝土斷裂能是評(píng)估混凝土承能力的重要參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線和線彈性斷裂力學(xué)方法可以得到混凝土梁的斷裂能[17]為：

(1)

式中：Alig為韌帶面積；W0和δ0分別為三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)中P-δ曲線包圍的面積和P-δ曲線中最大的加載點(diǎn)位移，mg為三點(diǎn)彎曲梁的自重；b、d分別為試件的寬、高。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表可見長(zhǎng)期荷載作用及不同荷載水平對(duì)混凝土斷裂能并無(wú)明顯影響。

對(duì)80%Pmax持載12月后的混凝土梁分別進(jìn)行5 500 N (伴隨試件極限荷載)和6 000 N的持續(xù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為在5 500 N荷載作用下的荷載-時(shí)間曲線。可以看到混凝土梁在5 500 N荷載作用下維持穩(wěn)定約22 000 s(6 h 10 min)后進(jìn)入失穩(wěn)破壞?；炷亮涸? 000 N荷載作用下維持穩(wěn)定5 200 s(1 h 24 min)后發(fā)生破壞，如圖4(b)所示?？梢钥吹诫S著荷載水平的增大，混凝土梁的失效時(shí)間逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果也同樣表明混凝土在徐變加載后，剩余承載力提高較為明顯。

表2 三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果

圖4 持續(xù)加載荷載-時(shí)間曲線

3 結(jié) 論

為了研究徐變對(duì)混凝土剩余承載力的影響，混凝土梁在60%Pmax和80%Pmax作用下進(jìn)行6個(gè)月和12個(gè)月徐變?cè)囼?yàn)。徐變?cè)囼?yàn)結(jié)束后，混凝土梁加載到破壞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)徐變過(guò)程中荷載水平對(duì)混凝土徐變變形的影響以及徐變后混凝土起裂荷載，剩余承載力，起裂斷裂韌度以及斷裂能的變化進(jìn)行討論。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1) 低荷載水平作用下，混凝土梁加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，后逐漸趨于穩(wěn)定幾乎不再增加，徐變近似為線性變形。在高荷載水平作用下，加載點(diǎn)位移在加載初期快速增加，并且在持載過(guò)程中仍然有一定的增長(zhǎng)，徐變過(guò)程明顯為非線性徐變。

(2) 由于徐變過(guò)程中縫尖的應(yīng)力松弛，混凝土的起裂荷載及剩余承載力均有明顯提高。且荷載水平越高，徐變混凝土起裂荷載及剩余承載力提高越明顯，此外，徐變對(duì)臨界裂縫口張開位移及斷裂能無(wú)明顯影響。

(3) 徐變后的混凝土在高荷載水平作用下具有一定持載能力。80%Pmax持載12個(gè)月后的混凝土梁在靜載極限荷載作用下可以保持穩(wěn)定22 000 s，在1.1倍靜載極限荷載作用下可以保持穩(wěn)定5 200 s。