混合 配筋 混凝土 梁 抗弯 疲劳 试验 
朱鹏 ， 许家 婧 ， 屈文俊
（ 同济大学 土木工程 学院 ， 上海 ２０００９２ ）
摘要 ： 为了 研究 混合 配筋 （ 混合 配置 ＦＲＰ 筋 和 钢筋 ） 混凝土 梁 的 抗弯 疲劳 性能 ， 设计 了 ４ 根 混合 配筋 混凝土 梁 （ １ 根梁 承受 静力 荷载 ， ３ 根梁 承受 等 幅 疲劳 荷载 ） ， 进行 了 疲劳 试验 。 结果表明 ： 混合 配筋 混凝土 梁 抗弯 疲劳 破坏 始于 受拉 钢筋 的 疲劳 断裂 ， ＧＦＲＰ 筋 断裂 或者 基体 开裂 剥落 ， 随后 压区 顶部 混凝土 压碎 ； 破坏 时纯 弯段 出现 １ 条 或 ２ 条主 裂缝 ， 钢筋 疲劳 断口 光滑 ， 未 出现 静力 拉断 时 的 屈服 和 颈 缩 现象 ； ＧＦＲＰ 筋 疲劳 破坏 未 出现 静力 受拉 破坏 时 纤维 “ 扫帚 ” 型 破坏 模式 ； 疲劳 加载 后 构件 产生 不可 恢复 的 残余 挠度 ， 残余 挠度 随着 疲劳 次数 和 疲劳 上限 荷载 的 增加 而 增大 ； 疲劳 过程 中纯 弯段 基本 不 出现 新 裂缝 ， 均 是 沿 已有 初始 裂缝 扩展 ； 基于 有效 惯性矩 法 的 刚度 计算 值 和 基于 刚度 解析 法 的 刚度 计算 值均 大于 试验 值 ， 偏于 不 安全 ； 基于 ＥＮ１９９２ － １ － １ ： ２００４ 提出 的 刚度 预测 模型 相对偏差 均 在 １０ ％ 以内 ， 且 刚度 计算 值 小于 试验 值 ， 偏 于 安全 。
关键词 ： 混合 配筋 混凝土 梁 ； ＦＲＰ 筋 ； 疲劳 试验 ； 抗弯 刚度
０ 引言
传统 钢筋 混凝土 结构 具有 优良 的 力学性能 和 使用性能 ， 但 混凝土 中 的 钢筋 易 发生 锈蚀 ， 继而 引起 抗力 衰减 ， 出现 耐久性 失效 问题 。 混凝土 结构 的 耐久性 失效 首先 表现 在 截面 角区 钢筋 锈蚀 引起 的 混凝土 胀 裂 。 因此 ， 笔者 提出 了 等 耐久性 的 混合 配筋 截面 ， 即将 耐腐蚀 的 碳纤维 增强 复合材料 （ ＦｉｂｅｒＲｅｉｎ － ｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｍｅｒ ， ＦＲＰ ） 筋 放置 于 混凝土 梁 截面 的 边角 区域 或 截面 受拉区 的 下排 ， 易 锈蚀 的 钢筋 放置 于 截面 内部 或 受拉区 上排 的 混合 配筋 设计 方法 ， 该 方法 克服 了 普通 钢筋 混凝土 梁 耐久性 差及 ＦＲＰ 筋 混凝土 梁 使用性能 差 的 缺点 ， 实现 了 混凝土 截面 的 等 耐久性 。 已有 不少 学者 进行 了 混合 配筋 混凝土 梁 静力 性能 的 相关 研究 。 庞蕾 等 研究 了 ＡＦＲＰ 筋 与 钢筋 混合 配筋 混凝土 梁 的 受 弯 性能 ， 包括 挠度 、 强度 及 延性 等 。 试验 表明 ， 梁从 加载 到 开裂 保持 线 弹性 ， 开裂 后 构件 刚度 减小 ， 仍 保持 线性 直到 受拉 钢筋 屈服 ， 随后 达到 最大 承载力 ； 当 ＡＦＲＰ 筋 的 用量 不 超过 总配 筋量 的 一半 时 ， 混合 配筋 混凝土 梁 的 正常 使用性能 及 强度 均 能 获得 令人满意 的 结果 。 Ａｉｅｌｌｏ 等 对 ＡＦＲＰ 筋 和 钢筋 混合 配筋 混凝土 梁在 正常 使用 极限 状态 和 承载力 极限 状态 下 的 受 弯 性能 进行 了 试验 研究 ， 认为 钢筋 和 ＦＲＰ 筋 的 混合 配筋 形式 从 变形 角度 考虑 是 有利 的 ， 与 纯 ＦＲＰ 筋 混凝土 梁 相比 ， 钢筋 的 使用 避免 了 梁 在 正常 使用 状态 下 出现 过大 的 挠度 和 裂缝 宽度 。 Ｑｕ 等 进行 了 混合 配筋 混凝土 梁 （ ＧＦＲＰ 筋 和 钢筋 ） 受弯 性能 的 试验 研究 ， 提出 了 混合 配筋 混凝土 梁受 弯 承载力 的 计算公式 ， 并 提出 了 跨 中 挠度 和 裂缝 宽度 的 计算公式 。
铁路桥梁 、 公路 桥梁 、 铁路 轨枕 、 吊车 梁等 结构 除 承受 静载 作用 外 ， 还 承受 车辆 、 吊车 等 重复 荷载 的 长期 作用 。 重复 荷载 作用 引起 构件 应力 不断 发生变化 ， 在 经历 足够 多 的 荷载 循环 作用 后 ， 疲劳 损伤 不断 累积 ， 导致 结构 可能 发生 疲劳 破坏 ， 疲劳 破坏 没有 明显 预兆 ， 破坏 突然 。 因此 ， 结构 的 疲劳 问题 已 成为 工程设计 中 不可 忽视 的 问题 。 本文 旨在 对 等 耐久性 混合 配筋 混凝土 梁 的 抗弯 疲劳 性能 进行 研究 。
１ 试验 概况 １．１ 试件 设计 设计 了 ４ 根 试验 梁 ＳＦ ， ＦＦ ， ＦＦ２ ， ＦＦ３ ， 尺寸 均 相同 ， 长 ２２００ｍｍ ， 宽 １８０ｍｍ ， 高 ２５０ｍｍ ， 具体 尺寸 及 配筋 情况 见图 １ 。 梁 顶部 配筋 为 ２１０ ， 梁 底角 部为 ２ 根 ＧＦＲＰ 纵筋 ， 直径 为 ８ｍｍ （ ＳＦ ， ＦＦ１ ， ＦＦ２ ） 或 １０ｍｍ （ ＦＦ３ ） ， 中间 为 ２ 根 ＨＲＢ４００ 级 钢筋 ， 直径 为 １６ｍｍ （ ＳＦ ， ＦＦ１ ， ＦＦ２ ） 或 ２０ｍｍ （ ＦＦ３ ） 。 箍 筋 均 采用 ＨＲＢ４００ 级 钢筋 ， 直径 为 ８ｍｍ 。 纯弯段 和 弯 剪 区段 内箍筋 间距 分别 为 １００ｍｍ 和 ７５ｍｍ ， 支座 附近 箍 筋 适当 加密 ， 间距 为 ６０ｍｍ 。 Ｆｉｇ ． １ＳｉｚｅａｎｄＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆＴｅｓｔＢｅａｍ （ Ｕｎｉｔ ： ｍｍ ）
钢筋 拉伸 试验 依照 《 金属材料 拉伸 试验 ： 第 １ 部分 ： 室温 试验 方法 》 ， ＧＦＲＰ 筋 拉伸 试验 依照 《 纤维 增强 复合材料 筋 基本 力学性能 试验 方法 》 ， 试验 结果 见表 １ 。 疲劳 试验 前 混凝土 轴心 抗压强度 为 ３０．２ ＭＰａ ， 弹性模量 为 ２８．４ ＧＰａ 。
１．２ 加载 制度 和 测量 方案 疲劳 试验 加载 装置 为 ２５０ｋＮＭＴＳ 液压 伺服 疲劳 试验机 。 试验 梁 简支 ， 四分 点 加载 ， 加载点 下及 支座 处 放置 钢板 ， 防止 混凝土 局部 破坏 。 加载 程序 由静载 阶段 、 疲劳 阶段 和 破坏 阶段 三 部分 组成 。 静载 阶段 采取 分级 加载 ， 每级 荷载 取 ０．１ Ｐｕ （ Ｐｕ 为 试验 梁 的 极限 承载力 ， 可 根据 文献 计算 混合 配筋 混凝土 梁 Ｐｕ ） ， 加载 至 疲劳 荷载 上 限值 。 接近 开裂 荷载 时 ， 加载 级 改为 ０．０５ Ｐｕ 。 加载 完毕 后 ， 分级 卸载 至 ０ 。 此 加载 卸载 过程 重复 ３ 次 ， 使 试件 的 初裂 完整 。 疲劳 阶段 采用 力 控制 加载 ， 荷载 波形 为 等 幅 正弦 交变 荷载 。 各 试验 梁 疲劳 加载 情况 如表 ２ 所示 。 考虑 到 在 最大 应力 水平 低于 静载 强度 的 ７５ ％ 时 ， 加载 频率 在 １ ～ １５Ｈｚ 间 对 疲劳强度 的 影响 很小 。 试验 梁 ＦＦ１ 的 加载 频率 由 ４Ｈｚ （ １００ 万次 疲劳 前 ） 调整 为 ６Ｈｚ （ １００ 万次 后 ） 。 在 疲劳 至 １ 万次 、 ３ 万次 、 ５ 万次 、 １０ 万次 、 ２０ 万次 、 ３０ 万次 、 ５０ 万次 、 ８０ 万次 、 １００ 万次 、 １５０ 万次 、 ２００ 万次 时 停止 疲劳 加载 ， 测量 试件 的 残余 变形 ； 随后 进行 １ 次 从 ０ 到 疲劳 荷载 上 限值 的 静力 加载 ， 记录 各 测点 的 应变 、 挠度 和 裂缝 宽度 。 试验 梁 ＦＦ１ 加载 至 １３０ 万次 时 ， 观察 到 挠度 和 裂缝 宽度 有 明显 增长 ， 所以 在 １３０ 万次 时 停止 加载 ， 增加 了 １ 次 从 ０ 到 疲劳 荷载 上 限值 的 静力 加载 ， 之后 继续 疲劳 加载 。 若 疲劳 ２００ 万次 梁 仍 未 破坏 ， 停止 疲劳 加载 ， 采用 静载 分级 加载 ， 直至 破坏 。
混凝土 应变 片 是 标距 为 １０ｃｍ 的 胶基 电阻 应变 片 ， 每根 试验 梁 的 跨 中 混凝土 表面 布置 ６ 个 应变 片 。 钢筋 和 ＧＦＲＰ 筋 应变 片均 采用 标距 为 ５ｍｍ 的 胶基 电阻 应变 片 ， 筋材 应变 片 布置 见图 １ 。 试验 时 在 跨 中 和 ２ 支座 截面 处 布置 Ｋｅｙｅｎｃｅ 激光 位移 计 。 所有 应变 、 荷载 和 位移 等 数据 均 通过 美国 国家 仪器 公司 ＮＩＰＸＩｅ － １０８２ 机箱 配套 ＰＸＩｅ － ４３３０ 采集卡 采集 。
２ 试验 结果 分析
２．１ 疲劳 破坏 形态
２．１ ． １ 试件 破坏 形态
梁 的 破坏 模式 见图 ２ 。 静载 试验 梁 的 破坏 形态 是 典型 的 受 弯 破坏 ， 破坏 始于 受拉 钢筋 的 屈服 ， 随着 钢筋 屈服 ， 试验 梁 的 跨 中 挠度 增大 ， ＧＦＲＰ 筋 表面 树脂层 剥离 ， 受压 区 混凝土 压碎 ， 见图 ２ （ ａ ） 。
ＦＦ１ 疲劳 寿命 是 １３５．４ 万次 ， 听到 钢筋 脆断 声音 后梁 立即 破坏 ， ２ 根 钢筋 断裂 ， ２ 根 ＧＦＲＰ 筋 折断 ， 混凝土 压碎 ， 纯弯段 有 １ 条主 裂缝 ［ 图 ２ （ ｂ ） ］ 。 ＦＦ２ 疲劳 寿命 是 ４６．１ 万次 ， 听到 钢筋 脆断 声音 后梁 立即 破坏 ， １ 根 钢筋 疲劳 断裂 ， １ 根 ＧＦＲＰ 筋 折断 ， １ 根 ＧＦＲＰ 筋 树脂 剥离 ， 混凝土 压碎 ， 纯弯段 有 １ 条图 ２ 试件 破坏 模式 主 裂缝 ［ 图 ２ （ ｃ ） ］ 。 ＦＦ３ 疲劳 寿命 是 １６７．８ 万次 ， 听到 １ 根 钢筋 脆断 声音 后梁 仍然 承受 了 约 １００ 次 的 重复 荷载 ， 随后 另 １ 根 钢筋 断裂 ， ２ 根 ＧＦＲＰ 筋 树脂层 产生 纵向 裂缝 ， 混凝土 压碎 ， 梁 随之 破坏 ， 纯弯段 有 ２ 条主 裂缝 ［ 图 ２ （ ｄ ） ］ 。 梁 疲劳 破坏 时 混凝土 压碎 并 不是 混凝土 发生 疲劳 破坏 ， 而是 钢筋 疲劳 断裂 瞬间 ， 混凝土 无法 承受 既有 荷载 而 发生 压碎 。
２．１ ． ２ 筋材 破坏 形态 疲劳 试验 结束 后 ， 将 试验 梁受 拉区 混凝土 凿 掉 ， 使梁 底面 受拉筋材 完全 露出 。 试验 梁筋材 的 破坏 模式 见图 ３ 。 疲劳 试验 梁 破坏 均 始于 受拉区 １ 根 钢筋 的 疲劳 断裂 ， ３ 根梁 钢筋 疲劳 破坏 位置 均 在 纯弯段 主 裂缝 所在 截面 附近 ， 钢筋 拉断 处 裂缝 宽度 和 挠度 突然 增大 ， ＧＦＲＰ 筋 折断 或 表面 树脂层 产生 裂缝 或 剥离 ， 混凝土 压碎 ， 梁 随之 破坏 。
筋材 拉伸 试验 中 钢筋 的 拉断 具有 明显 的 屈服 和 颈 缩 特征 ， 并且 整个 断口 形式 为 粗糙 、 不 平整 的 。 疲劳 断裂 的 钢筋 并 没有 显现出 屈服 和 颈 缩 的 外观 特征 ， 同时 断口 整体 形式 较为 平整 ， 如图 ３ （ ｂ ） ， （ ｃ ） ， （ ｄ ） 所示 。 钢筋 疲劳 断口 分为 疲劳 源 、 光滑 区 、 粗糙 区 。 ＦＦ１ 和 ＦＦ３ 均 有 ２ 根受 拉 钢筋 疲劳 断裂 ， 其中 １ 根 钢筋 断口 光滑 平整 ， １ 根 钢筋 断口 略有 粗糙 。
试验 梁 ＦＦ１ ， ＦＦ２ 疲劳 破坏 时 由于 １ 根 钢筋 首先 疲劳 破坏 退出 工作 ， 拉区 ＧＦＲＰ 筋 无法 承受 突增 的 荷载 发生 折断 。 ＦＦ１ 疲劳 破坏 时 ＧＦＲＰ 筋 断口 较为 平整 ， 靠近 树脂层 的 纤维 局部 被拉毛 ， 主要 是因为 ＦＦ１ 的 荷载 水平 较 低 ， 疲劳 寿命 较长 ， ＧＦＲＰ 筋 疲劳 源 能够 充分 开展 ， 平整 断口 面积 较大 。 ＦＦ２ 中 １ 根 ＧＦＲＰ 筋 表面 树脂层 剥离 ， 主要 是因为 ＦＦ２ 疲劳 荷载 水平 较 高 ， 疲劳 寿命短 ， ＧＦＲＰ 筋 疲劳 源 未能 充分 开展 ， 而 树脂层 抗剪 强度 较 低 ， 重复 荷载 作用 下 ， 树脂层 容易 被 混凝土 剥坏 。 ＦＦ３ 的 ＧＦＲＰ 筋 没有 折断 ， 表面 树脂 沿 拉伸 方向 有 微小 裂缝 ， 主要 是因为 ＦＦ３ 的 ＧＦＲＰ 筋 应变 在 疲劳 全过程 中较 小 ， 其 承担 的 应力 较 低 ， 直至 破坏 时才 显著 增大 。 试验 梁 承受 疲劳 荷载 时 ， ＧＦＲＰ 筋 未 发生 静力 拉伸 试验 中 纤维 蓬松 发散 的 典型 破坏 模式 ， 是因为 疲劳 过程 中 ＧＦＲＰ 筋 应力 远 低于 其抗 拉 极限 强度 ， 不会 发生 纤维 拉断 破坏 。
２．２ 梁跨 中 挠度
特定 疲劳 次数 后 ， 卸载 至 ０ｋＮ 时 测量 的 挠度 定义 为 残余 挠度 。 残余 挠度 和 上 下限 荷载 作用 下 跨 中 挠度 随 疲劳 循环 比 变化 见图 ４ 。 由图 ４ 可以 看出 ： 随着 疲劳 次数 的 增加 ， 上限 荷载 挠度 和 下限 荷载 挠度 均 增大 。 重复 荷载 作用 下 初始 阶段 跨中 残余 挠度 随 疲劳 次数 增长 较 快 。 随着 疲劳 次数 的 增多 ， 梁 残余 挠度 增大 。 ＦＦ１ 在 疲劳 １３０ 万次 后 ， 残余 挠度 增长 较 快 ， 残余 挠度 从 宏观 上 反映 了 卸载 后 构件 的 塑性变形 ， 表明 疲劳 １３０ 万次 时 材料 性能 和 构件 性能 均 不断 劣化 。 比较 图 ４ （ ａ ） ， （ ｂ ） 可知 ： 相同 疲劳 次数 后 ＦＦ２ 的 残余 挠度 大于 ＦＦ１ ， 这 主要 是 受 荷载 水平 的 影响 ， ＦＦ１ ， ＦＦ２ 疲劳 上限 荷载 分别 为 ０．５ Ｐｕ ， ０．６ Ｐｕ 。 这 与 马达 洛夫 的 研究 结果 一致 ： 残余 挠度 随 荷载 和 重复 次数 的 增加 而 增长 。
２．３ 混合 配筋 混凝土 梁 疲劳 抗弯 刚度 计算
疲劳 加载 前 ， 静载 预裂 后 ， 梁 ＦＦ１ 初始 裂缝 分布 见图 ５ （ ａ ） ， 图中 虚线 未 标注 数字 的 裂缝 即 为 初始 裂缝 ， １ｗ 表示 １ 万次 疲劳 后持 荷 状态 出现 裂缝 ， １ｗ 表示 １ 万次 疲劳 后 卸载 时 裂缝 ， 其余 以此类推 。 特定 疲劳 次数 停机 后 ， 卸载 时 测量 裂缝 发展 ， 随后 进行 １ 次 从 ０ 到 上限 荷载 Ｐｍａｘ 的 静力 加载 ， 测量 裂缝 发展 。 由图 ５ （ ａ ） 可以 看出 ： 纯弯段 在 疲劳 过程 中 基本 不 产生 新 裂缝 ， 大多 是 沿着 已有 初始 裂缝 发展 。 静载 预裂 后 弯矩 和 刚度 分布 示意 见图 ５ （ ｂ ） ， 裂缝 分布 影响 刚度 分布 。 本 节 推荐 的 抗弯 刚度 计算公式 是 构件 纯弯段 的 截面 平均 刚度 。