预应力活性粉末混凝土简支梁挠度试验分析.pdf

2 0 1 2年 第 1 2 期 (总 第 2 7 8期) Nu mb e r 1 2 i n2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 0 7 预应力活性粉末混凝土简支梁挠度试验分析 曹霞 。鲁胜虎 ，钟翔 ( 1 桂林理工大学 广西建筑工程检测与试验重点实验室，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ；2 广西建筑科学研究设计院，广西 南宁 5 3 0 0 0 5 ) 摘要： 将活性粉末混凝土应用于无黏结预应力结构中， 由于其超高的强度使得结构或构件的截面可以进一步减小 ， 而构件的刚度能 得到很好的保证； 通过 8 根无黏结预应力活性粉末混凝土简支梁的试验， 针对不同非预应力钢筋配筋情况下简支梁张拉阶段的反拱和加 载阶段 的挠度进行研究 ， 通过 对比构件 挠度及反拱的试验值和计算值得 出无黏结预 应力活性粉末混凝 土简支梁开裂前 的刚度与普通混 凝土的取值 相同为 0 8 5 E 1 ； 钢纤维活性粉末混凝 土相 比一般混凝土提高了梁的整体 刚度 ； 预压 区非预应力钢筋配筋提高 ， 梁在 张拉阶段 的 反拱值降低 ； 提 高受压 区非预应力钢筋配筋率能有效约束裂缝 的发展 ， 降低梁在加载阶段的挠度。 关键词 ： 无黏结 预应力 ；活性粉末混凝土 ；挠度 ；试 验分析 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2) 1 2 0 0 1 7 0 4 Be ndi ng e xpe r i me nt al a nalys i s of unb oun de d pr e s t r e s s e d r ea c t i ve powde r c onc r e t e be am CAO Xi a 1 ， LU S h e n g - h u ， ZHONG Xi a n g ( 1 G u a n g x i Ke yL a b o r a t o r yo f Co n s t r u c t i o n a l E n g i n e e ri n g T e s t ， G u i l i nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Gu i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ； 2 G u a n g x i I n s t i t u t e o f B u i l d i n g Re s e a r c h a n dD e s i g n ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e u s e d i n u n b o n d e d p r e s t r e s s i n g s t r u c t u r e， b e c a u s e o f i t s u l t r a hi【g h s t r e n g t h ma d e s t r u c tur e o r t h e c o mp o n e n t o f s t r u c tur e s c o u l d b e fi n t he r r e d u c e d， a n d t h e s t i f f n e s s s o f c o mpo n e n t c o u l d b e g u a r a n t e e d I t wa s a b o u t 8 u nb o un d e d p r e s t r e s s e d r e a c t i v e po wd e r c o n c r e t eb e a ms t e s t ， a c c o r d i ngt odi ffe r e n t a mo u n to f r e inf o r c e me n to f p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e db e a m， r e s e arc ht h earc ho f n s i o n s t a g e a n d t h e d e fle c t i o n o f l o a d i n g s t a g e ， b y c o mp a r i n g t h e c a l c ul a t e d v a l u e s and e x p e r i me n t a l v a lue s o f t h e c o mpo n e n t d e fle c t i o n a n d t h e arc h c o n c l u d e d tha t t h e s t i f fne s s o f p r e s tre s s e d c o n c r e t e b e a m r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e b e f o r e c r a c k i n g wa s 0 8 5 Ea s o r d i na r y c o nc r e t e b e a m c o mp are d wi t h n o r m a l c o n c r e t e， s t e e l fi be r c o nc r e t e r e a c t i v e po wd e r c o n c r e t e i mp r o v e th e o ve r a l l r i g i d i t y o fbe am s， i nc r e a s i n g t h e s t e e l r e i n f o r c e m e n t o fb r i d g e b o t t o m c o n t rib u t e s t o r e d u c e th e arc h va l u e o f b e am i n t h e t e ns i o n s t a g e ； i mp r o v e t h e s t e e l r e i n f o r c e me n t r a t i o o f b e am t o p， c o ul d b e e ffe c t i v e l y c o n s t r a i n t t h e c r a c ks d e v e l o p m e n t ， a n d r e d u c e t h e d e fle c t i o n o f t h e b e a m i n t he l o a d i n g s t a g e Ke ywor ds ： u n bo n d e dp r e s t r e s s e d； r e a c t i vep o wd e r c o n c r e t e ； d e fl e c t i o n； e x p e ri me n t a l an a l y s i s 1 试 验 概 况 1 1 试件 制作 本次试验共制作了 8根无黏结预应力活性粉末混凝土简 支梁 ， 梁长 2 0 0 0 m r n ， 截面为 1 2 0 mmx l 5 0 mr f l ， 根据不同的j 预应力配筋情况把梁分为4组， 每组 2根。 为了防止发生斜截面 剪切破坏 ， 保证斜截面有足够强度， 经计算在两加载点处配置 直径为 4间距为 1 0 0 t n n l 的箍筋 ， 而在跨 中两集 中荷载 区段 ， 箍 筋间距为 1 8 0 i n r n 。 非预应力筋钢筋采用 H P B 2 3 5 ， 预应力筋线 型为直线型， 采用 1 根直径为 1 5 2 mm预应力钢绞线 ， 由于活 性粉末混凝土的抗压强度很高， 因此 ， 不需进行局部承压设计。 梁 的配筋 图见图 1 所 示。 表 1 预应力混凝土试件设计表 4 1 0 0 4 1 8 0 图 1梁配筋 图( 单位 ： mm) 1 2 加 载 方案 ( 1 ) 挠度利用百分表测得 ， 试验中 8根预应力试件挠度测 点布置相同， 每根试件共有 5 个测点 ， 分别在三分点加载处 、 跨 中处和两端支座处各布置一个， 加载过程中( 张拉过程) 记录下 各级百分表所示读数 ， 具体布置见图2 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 6 1 2 基金项目：广西建筑工程检测与试验重点实验室资助课题( 1 1 - C X 一 0 4 ) ； 研究生创新项目( 2 0 1 1 1 0 5 9 6 0 8 1 4 M1 1 ) ； 科技攻关项目( 桂科攻0 9 9 5 0 0 4 ) 1 7 酉分 图 2 百分表布置图( 单位 ： mm) 图 3 试验梁加载 ( 2 ) 正式加载_3 _ 。 荷载分级。 在荷载加至开裂荷载计算值 的 9 0 之前 ， 每级荷载取标准荷载的 1 0 ； 当荷载加至开裂荷 载计算值的9 0 后 ， 每级加载取标准荷载的 5 ， 直至第一条裂 缝 出现 。 开裂后 ， 每级加 载取 为标 准荷 载的 1 0 ； 加载到达 承载 力试验荷载计算值的 9 0 后 ， 每级加载值取标准荷载值的 5 。 每加一级 ， 停歇 1 0 mi n 。 2 反拱分析 2 1 张 V - 力一 反 拱 曲线 在张拉阶段， 试件在预应力作用下产生反拱 ， 张拉过程中 通过百分表测量各级反拱值。 图4 7为每级张拉力与反拱值的 曲线图， 从图中可以看出， 8根梁的张拉力一 反拱曲线非常相似， 在开始阶段都有一些弯折 ， 这是由于钢绞线的位置偏差引起的 摩擦 力的差异或 锚具和钢 绞线还没相互 挤压而产生 细微 的滑 移 ， 使得反拱值还不稳定， 当达到一定的张拉力后， 曲线呈现明 显的线性增长， 这说明在试验张拉阶段 ， 预拉区混凝土没有出 现裂缝， 构件还处于弹性工作状态 ， 这与试验现象相符； 从图中 还可以看出， 每组梁的两根梁的曲线都有不同的偏差 ， L l 、 L 2 、 L 3 梁的两曲线较近 ， 说明这几组中两根梁的预应力损失较为接近。 l 8 反 拱 mm 图 4 L 1梁的张拉力一 反拱 曲线 3 5 3 0 2 5 2 0 一 1 5 1 0 0 5 0 反拱 mm 图 5 L 2梁的张拉力一 反拱 曲线 Z Z 4 03 5 3 0 2 52 01 51 0 0 5 0 反 拱 mm 图 6 L 3梁的张拉力一 反拱 曲线 反拱 mm 图 7 L 4梁的张拉 力一 反拱 曲线 2 2 反拱值的计算 计算梁预应力引起的反拱值时，把预应力钢筋的合力 当作外力作用在锚固位置。 从构件达到消压弯矩到使用不开 裂， 计算梁抗弯刚度时， 采用全截面的换算惯性矩 ， 0 ， 由于梁反 拱的扩展， 将降低梁的抗弯刚度， 为方便计算， 在整个挠度计算 过程中采用不变的抗弯刚度即 0 8 5 巩 ， 由于在张拉阶段顶部混 凝土没开裂 ， 计算反拱值 时可用式 ( 1 ) 按材料力学 的方法计算 ， 计算过程见式( 1 ) 。 ：盟 ( 1 ) 8El 试验测得混凝土弹性模量的平均值为E _4 2 3 x 1 0 N mm。 。 例如， L 1 。 1 反拱计算值： ， ： 一 1 7 6 0 5 x 1 0 3 Nx 5 0 mmx ( 1 8 0 0 ra m) 2 8 E8 xO 8 5 x4 2 3x1 0 4 N mm x3 46 0 9 xl 0 N mm 2 8 6ml n 其他如表 2所示。 表 2 反拱值计算 名称 ， 姗 e l m， 。 。 ， 注 为计算值 为试验值 。 试验结果 ： 从表 2可以看出， 计算值与实测值还是较吻合 ， 因此， 按规范取刚度为 0 8 5 巩 能较准确的计算张拉阶段的反拱 值 ； 由表中数据可知 L 2梁底非预应力钢筋配筋最高 ， 试验中张 拉阶段的反拱值最低 ， 说明梁底非预应力钢筋配筋提高， 反拱 值降低， 在张拉阶段各材料均处在弹性受力阶段 ， 非预应力钢 筋的弹性模量较大， 配筋高的反拱值降低。 鲫 加 加0 。 0 L 加 O一 蚰 加 鲫 加 。 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 1 8 挠度 mm 图 8 L 1梁的荷载一 挠度 曲线 1 00 9O 80 70 至6 0 罐 5 0 控4 O 3O 20 1 0 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 18 2 0 22 挠 度 ram L 2梁 的荷载一 挠度曲线 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 l 6 l 8 挠度 mm 图 1 0 L 3梁的荷载一 挠度曲线 1 0 0 9O 80 70 至6 0 50 轻 4 O 3O 20 1 0 0 2 4 6 8 1O l 2 l 4 l 6 1 8 2O 22 2 4 挠度 mm 图 1 1 L 4梁 的荷载一 挠度曲线 3 挠度分析 3 1 荷 载一 挠 度 曲线 荷载一 挠度关 系是受弯构件 刚度性 能的重要反映 ， 图 8 1 1 为四组梁的荷载与挠度曲线， 可以看出L 2 梁的荷载一 挠度曲线 与其他三组梁有较大的差异， 主要因为 L 2梁受拉区配置了两 条直径为 1 0的非预应力钢筋， 很好地限制了裂缝的开展， 同时 也加强了梁的整体刚度。 L 1 、 L 3 、 L 4这三组梁 的荷载一 挠 度曲线 可以看作 是三段 直 线组成 ， 第一段直线由于荷载较小 ， 梁处于开裂前的弹性工作 阶段 ， 而且 由于反拱 的存在第一段直线长度 比一般混凝 土结构 的长， 说明钢纤维活性粉末混凝土相比普通混凝土提高了梁的 整体刚度， 延长了梁的弹性阶段； 但第二段直线长度较短， 说明 了混凝土一旦开裂， 混凝土没有立即退出工作， 还是承担了一 部分荷载但较小， 而且第二段曲线的形状变化较大 ， 说明混凝 土的抗拉能力较离散不稳定； 第三段直线为预应力钢筋主要受 力阶段， 各梁之间的曲线斜率大致相同只是进入第三段直线的 拐点有所 不同 ， 说 明配筋 率较高时 ， 延缓 了非预应力钢 筋进入 塑性阶段的时间。 I A相比Ll 和L 3三段式曲线更加明显且第 二段曲线比Ll 更为平缓， 一方面说明混凝土的抗拉性能力好， 另一方面也说明非预应力钢筋对加强梁的整体刚度发挥了一 定的作用。 L 2梁配置了两条直径为 1 0的非预应力钢筋， 很好地限制 了裂缝的开展， 同时也加强了梁的整体刚度。 L 2梁的荷载一 挠 度曲线较其他三组梁有明显的三段式见图 1 2 。 第一段直线与其 他三组梁相似， 斜率较小， 呈线增长 ； L 2梁的第二段直线与其他 三组梁差异较大 ， 构件开裂后 ， 相比其他三组梁 ， L 2 梁 的荷载主 要由混凝土、 非预应力钢筋和预应力钢筋承担， 随着荷载的增 大， 非预应力筋达到屈服， 荷载一 挠度曲线进入第三段直线， 这 阶段主要受力情况与其他三组梁相似， 由预应力筋承受荷载。 3 2 挠度对 比分析 开裂前 ， 试验梁整个截面都是有效的， 与有黏结预应力梁 一 样 ， 按规范嘲 规定 ， 取 B = 0 8 5 E ， 0 ， 按材料力学进行计算 ： 产 ( 2 ) 4 8 曰 例如， L 1 1 挠度计算值 ： 5 帆 Z 5 x 1 8 8 x 1 0 N mm2 ( 1 8 0 0 mm) ， 一 48x0 8 5x 4 23 x1 04 N mm 2 x3 46 0 9x1 0 7 N mm 0 51 i n nl 其他梁按照类似的算法。 试验梁跨中测点实测弹性挠度与 计算挠度值见表 3 。 表 3 L 1梁挠度实测值与计 算值 比较 I 】 】 1 1 2 弯矩 ( k N m) _厂 m mf V mm_厂 f 弯矩 ( k N 1T I ) f ff m mF ra mf f 由上述表格可知， 在开裂前阶段， L1 梁按规范计算的挠度值 与实测值较为吻合 ， 因此 ， 计算预应力活性粉末混凝土结构在 弹性工作阶段的刚度时可以取与普通混凝土相同值 0 8 5 巩 。 3 3影响挠度的主要 因素 通过对 四组梁 的荷载 与挠度 曲线 图 1 2进行对 比分析影 响 刚度 ( 挠度 ) 的主要因素。 挠 度 mm 图 1 2 各组梁荷载一 挠度 曲线图 ( 1 ) 非预应力筋。 大量试验证明非预应力有黏结钢筋对控 制裂缝的宽度与发展具有直接显著的作用， 也直接影响着构件 的开裂刚度。 由图 1 2的 曲线可见， 开裂前阶段， 四组梁的曲 】 9 蚰 如 如 加 z 壤 加 鲫 印 如 z 耀 9 4 图 2 O 线几乎重合 ， 说明在此阶段 ， 非预应力钢筋 的作用 较小 ， 更 多是 全截面承受荷载； 梁开裂后， 第二段直线的斜率( 即构件开裂后 的刚度) 与P ( 非预应力筋配筋率) 有很大关系， L 2配有两条直 径为 1 0IT I I T I 的非预应力钢筋， 第二段直线的斜率都比其他梁大， 说明开裂后刚度大， 变形小； 这是因为非预应力钢筋能有效地 约束裂缝的开展 ， 截面开裂程度越小， 刚度则越大。 而其他三种 梁这一阶段的直线斜率相似， 说明三种梁的刚度相差较小 ， 侧面 反应了配置腹筋的作 用较小 。 ( 2 ) 预应力度。 无黏结预应力筋对约束裂缝开展、 控制变形 的作用同一偏心压力作用相近， 无黏结预应力筋的配筋率 越 大 ， 预应力度越大 ， 偏心压力增 大 ， 构件的开裂刚度亦增大 。 4结 论 通过无黏结预应力 R P C简支梁受弯试验研究 ， 探讨其受力 性能的差别和影响因素， 并对其相关的计算理论进行分析， 得出： ( 1 ) 按规范公式计算的反拱值和开裂前的挠度值与实测值 基本吻合 ， 对处于弹性工作阶段的活性粉末混凝土构件的刚度， 可按规范取与普通混凝土相同的值为 0 8 5 E 。 ( 2 ) 钢纤维活性粉末混凝土构件的弹性阶段比一般混凝土 构件的长 ， 说明钢纤维活性粉末混凝土相比一般混凝土提高了 梁的整体刚度。 上接第 1 6页 龄期 ， d 图 2 废弃玻璃 细骨料 混凝土 的氯离子扩散系数随龄期的衰减情况 龄期 d 图 3 废弃玻璃粗骨料混凝土的氯离子扩散系数随龄期的衰减情况 但低于废弃玻璃粗骨料的扩散系数而高于废弃玻璃细骨料的 扩散 系数 。 ( 2 ) 废弃玻璃粗骨料混凝土的氯离子扩散系数高于天然骨 料混凝土 。 ( 3 ) 废弃玻璃细骨料混凝土的氯离子扩散系数随着废弃玻 璃骨料的增加 ， 其扩散系数减少， 但由于 2 8 d龄期的氯离子扩 散系数不大， 所以其氯离子扩散系数随龄期的增加而变化不大 ， 衰减较少 。 ( 3 ) 梁受拉区非预应力钢筋配筋提高， 梁在张拉阶段的反 拱值降低。 ( 4 ) 提高梁受压区非预应力钢筋配筋率能有效约束裂缝的 发展， 降低梁在加载阶段的挠度。 参 考文献 ： 1 G B 5 0 1 5 2 -9 2 ， 混凝土结构试验方法标准【 s E 京 ： 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 9 2 2 J G J 9 2 -2 0 0 4 ， 无黏结预应力混凝土结构技术规程 s 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 5 【 3 J3 焦楚杰， 彭春元 ， 杨作用， 等 钢纤维高强混凝土抗弯试验研究 J J _建 筑结构， 2 0 0 9 ， 1 ( 1 ) 4 】肖成安， 徐子亮， 王巧玲， 等 高强钢筋混凝土梁的裂缝及挠度研究【 J J 北京工业大学学报， 2 0 0 8 ， 9 ( 3 ) 5 张利梅， 赵顺波， 黄承逵 高性能预应力混凝土梁挠度试验与计算方 法l J 】 大连理工大 学学报 ， 2 0 0 5 ， 1 ( 1 ) 作者简介 联 系地 址 联 系电话 曹霞( 1 9 6 5 一 ) ， 女， 副教授， 高级工程师， 国家一级注册结构 工程师， 研究方向： 结构工程专业。 通讯作者： 钟翔。 桂林市建干路 1 2 号 桂林理工大学土木与建筑工程学院 ( 5 4 1 0 0 4 ) 0 7 7 3 5 8 9 6 8 4 6 废弃玻璃骨料堆混凝土的抗氯离子扩散能力和耐久性 的影 响： ( 1 ) 废弃玻璃作为混凝土粗骨料 ， 其抗氯离子扩散能力 比 天然骨料要 差 ， 而且随着废弃 玻璃骨料 的增加 ， 混凝 土抗 氯离 子扩散能力下降。 ( 2 ) 废弃玻璃最为细骨料， 其抗氯离子扩散能力比天然骨 料要好 ， 而且随着废弃玻璃骨料的增加 ， 其混凝土抗氯离子扩 散能力增加 。 ( 3 ) 废弃玻璃作为混凝土骨料代替天然骨料， 混凝土的抗 氯离子扩散能力和耐久性方面具有天然骨料一样 的能力 ， 而且 作为细骨料， 其氯离子扩散能力增强 ， 耐久性能力比天然骨料 要好 。 参考文献 ： 1 邢峰 滨海大气环境下氯离子对混凝土材料 的作 用研 究 D 深圳 ： 深 圳大学 2 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构涉及规范 s - E 京， 2 0 0 2 3 G B 5 0 0 6 8 -2 0 0 1 ， 建筑结构可靠度涉及统一标准 s _ E 京 ， 2 0 0 1 【 4 金伟良， 赵羽习 混凝土结构耐久性 M E 京： 科学出版社， 2 0 0 2 【 5 】C O L L E P A R D I M， MAR C I A L I S A， T U RR I Z Z A NI R T h e k i n e t i c s o f p e n e t r a t i o n o f c h l o r i d e i o n s o n t o t h e c o n c r e t e J C e me n t o ( I t a l y ) ， 1 9 7 0 ( 4 ) ： 1 5 7 -1 6 4 6 6 冯乃谦， 邢锋 高性能混凝土结构 M 上海， 原子能出版社， 2 0 0 0 7 刘光焰 废弃玻璃骨料混凝土性能的试验与理论研究【 D 广西大学， 2 01 O 作者 简介 3 结 论 联系地址 通过废弃玻璃 骨料混凝 土的氯离子快 速扩散试验 ， 分 析了 2O 联系电话 刘光焰( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 副教授， 博士， 从事混凝土结构工程的 研究。 广西桂林市建 干路 1 2号 桂林 理工大学土木与建 筑工程 学院( 5 4 1 0 0 4 ) 1 3 9 7 8 3 71 2 05