黃海東， 向中富

(重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在長期和短期荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為，是評價結(jié)構(gòu)安全性和長期使用性能的重要指標(biāo)。以橋梁工程為例，在汽車、人群等短期荷載作用下，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，而在自重、預(yù)應(yīng)力荷載作用下，由于混凝土的徐變作用，引起結(jié)構(gòu)的長期變形及內(nèi)力重分布。特別是大跨度連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋由于長期的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失及結(jié)構(gòu)開裂等因素的影響，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及材料特性不斷變化，橋梁開裂及下?lián)喜『乐厍页掷m(xù)惡化，受到工程界的普遍關(guān)注[1～8]。為了驗證結(jié)構(gòu)的安全性，建設(shè)完成的橋梁在正式投入使用之前，必須進行荷載試驗，驗證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。然而結(jié)構(gòu)的長期行為無法做到“事前”判斷，需要依賴材料和結(jié)構(gòu)模型的徐變試驗。

目前，針對混凝土結(jié)構(gòu)的短期、長期行為試驗方法,加載設(shè)備及測試手段已經(jīng)相對較為完備。其中混凝土材料徐變測試一般采用標(biāo)準(zhǔn)試件的壓縮試驗，主要采用的試驗標(biāo)準(zhǔn)包括美國試驗與材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C512)[9]及國內(nèi)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]。國內(nèi)實驗室試驗加載設(shè)備主要采用定型設(shè)備購置或依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)進行仿制和加工[11]。與標(biāo)準(zhǔn)壓縮徐變試驗不同，梁式結(jié)構(gòu)徐變試驗除了要求所施加的荷載保持長期恒定外，還要求較高的加載噸位，特別是研究高應(yīng)力條件下的非線性徐變問題。針對混凝土梁式結(jié)構(gòu)的長期徐變試驗尚無統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)，試驗加載裝置主要根據(jù)研究目標(biāo)、內(nèi)容研制。通過對國內(nèi)外大學(xué)實驗室的調(diào)研發(fā)現(xiàn)[12～15]，目前常采用的梁體徐變加載方式包括：堆載加載法、反力式加載法及杠桿增力法等。其中，反力式加載法由于具有加載操作方便、加載過程安全性高及占地面積較小等優(yōu)勢，而被廣泛采用。然而現(xiàn)有試驗梁徐變加載設(shè)備往往功能單一、重復(fù)利用率不高，造成實驗室經(jīng)費和資源的不必要浪費。本文在充分考慮實驗室現(xiàn)有場地和設(shè)備條件的基礎(chǔ)上，研制一種新的多功能混凝土梁長期徐變兼顧短期加載裝置。

1 加載設(shè)備研制與配套測試系統(tǒng)

1.1 試驗加載裝置設(shè)計

為實現(xiàn)梁式結(jié)構(gòu)靜載試驗和長期徐變變形測試，加載裝置要同時滿足靜力加載及長期持載作用。以反力式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用加載結(jié)構(gòu)模塊化思路，設(shè)計了多層分配體系的反力加載裝置(見圖1)，設(shè)計可施加的最大靜載為35 t，長期持載噸位為30 t。加載裝置設(shè)計為由3道橫向分配梁和1道縱向分配梁所組成的3層式結(jié)構(gòu)。最上層為加載層，滿足加載千斤頂、壓力計安裝和加載要求；第2層為持載層，由4個10 t持載彈簧組成，通過彈簧的彈性變形，消除加載裝置由于自身松弛的影響，保證長期加載的恒定；第3層為荷載分配層，采用分配鋼梁橫、縱向交叉布置，實現(xiàn)試驗梁多點彎曲加載。豎向拉桿采用兩根R32精軋螺紋鋼，并聯(lián)3個橫向分配梁，并采用螺帽及配套剛墊板鎖定，拉桿下端錨固于試驗室反力槽內(nèi)。為實現(xiàn)模塊化設(shè)計理念，豎向拉桿在第1層被劃分為兩段，并用專用連接器進行接長連接。待完成靜力加載后，可拆卸第1層結(jié)構(gòu)，而依靠第2、3層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)長期持載。

1.2 試驗梁測試系統(tǒng)

試驗梁測試系統(tǒng)包括加載設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)和試驗梁測試系統(tǒng)兩部分。加載設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)由布置于千斤頂頂部的壓力傳感器和安裝于豎向拉桿鋼弦式應(yīng)變計(E1、E2)組成。傳感器E1、E2主要用于拉桿受力不均勻性監(jiān)測，避免加、卸載過程中加載裝置產(chǎn)生橫向偏位，同時也用于拉桿長期蠕變變形監(jiān)測。

試驗梁測試系統(tǒng)可根據(jù)試驗研究目的和重點考察的內(nèi)容進行設(shè)計。以本項目試驗為例，測試內(nèi)容包括荷載作用下試驗梁結(jié)構(gòu)長期、短期的撓度及應(yīng)變觀測。撓度觀測采用千分表進行測量，分別布置于梁支座位置、跨中及左右L/4處。為保證撓度長期觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，在跨中及左右L/4處橫向設(shè)置兩塊千分表進行復(fù)測，千分表編號為A1～A5，A1-1～A3-1。應(yīng)變測試元件包括埋入式應(yīng)變計、表貼式應(yīng)變計及鋼筋應(yīng)變片。其中埋入式應(yīng)變計布置于試驗跨中上、下截面及左右L/4截面，編號為D1～D4。表貼式應(yīng)變計布置在試驗梁跨中截面腹板與翼緣板交界處及L/4截面附近，編號為C1～C4。電阻應(yīng)變片安裝在跨中截面上下緣縱向鋼筋及左右L/4截面箍筋，試驗梁測試系統(tǒng)詳見圖2。

1.3 試驗操作流程

靜載加載過程中，首先預(yù)緊拉桿頂、底部螺帽，調(diào)整各橫向分配梁的水平度和拉桿的豎直度。精確調(diào)整千斤頂?shù)钠矫嫖恢?，確保整個加載裝置不發(fā)生橫向及縱向變形。此后，施加最大加載工況10%初始荷載，根據(jù)E1、E2讀數(shù)確定拉桿在加載過程中拉力增量。保證兩根拉桿受力同步、均勻，要求E1、E2讀數(shù)差小于5%,如不滿足需要,再次調(diào)整千斤頂位置。靜載加載完成后，將中橫梁上端錨固螺栓旋緊，千斤頂卸載，依靠壓力彈簧保持對梁體的持續(xù)加載作用。

2 短期及長期荷載效應(yīng)試驗

2.1 試驗梁設(shè)計

試驗梁設(shè)計為工字型梁，跨徑300 cm，梁高50 cm,腹板厚度為7 cm，具體尺寸如圖3所示。試驗梁混凝土水灰比設(shè)計為0.37,28 d立方體抗壓強度為56.4 MPa。為保證試驗梁在加載過程中不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在梁體支座位置處預(yù)埋1 cm厚鋼墊板。由于試驗梁翼緣板及腹板厚度較小，普通鋼筋設(shè)計為單層，其中縱向筋為R12鋼筋,箍筋為R8鋼筋.試驗梁下緣設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋采用單根低松弛鋼絞線φj15.2，張拉噸位為4 t。

首先對試驗梁進行逐級循環(huán)加、卸載，試驗梁最大峰值荷載為30 t，整個加載過程共分為4個加卸載循環(huán)、41個荷載步。每級荷載穩(wěn)載5 min，待結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定后，讀取撓度及應(yīng)變讀數(shù)。短期荷載試驗完成后，即鎖定精軋螺紋鋼筋螺母，保持荷載(12 t)進行長期變形觀測。試驗梁長期及短期荷載作用試驗均在重慶交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室大廳內(nèi)進行，試驗過程中室內(nèi)最低溫度為7 ℃，最高溫度為32 ℃。環(huán)境濕度變化范圍為60%～85%。

2.2 試驗梁整體變形規(guī)律及整體剛度分析

對于一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁，處于簡支狀態(tài)，在單調(diào)加載時,其荷載變形曲線近似為三折線。其中:Pcr為開裂荷載;Pu為鋼筋屈服荷載。在單調(diào)加載過程中，荷載變形曲線以Pcr及Pu為拐點，分為三階段。當(dāng)荷載PPcr后試驗梁開始出現(xiàn)裂縫，并隨著荷載的增加裂縫不斷發(fā)展，此時荷載變形曲線均為線性關(guān)系。當(dāng)普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋達到屈服時(P>Pu)，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，直至破壞。圖4(a)為試驗梁實測荷載變形關(guān)系曲線。

(a)梁跨中撓度荷載曲線圖

(b)試驗梁整體變形剛度

在循環(huán)加、卸載過程中，當(dāng)外荷載PPcr時，由于結(jié)構(gòu)開裂及鋼筋與混凝土之間的滑移導(dǎo)致試驗梁在卸載后存在殘余變形，卸載后殘余變形為f1。再次加載(荷載PPcr1),由于有新的裂縫產(chǎn)生，試驗梁變形迅速增大，載-變形曲線呈現(xiàn)非線性特征。繼續(xù)加載至Pcr2，卸載后殘余變形為f2，再次加載(荷載P>Pcr2)時，其荷載變形曲線仍與單調(diào)加載開裂后曲線重合。在循環(huán)加載及卸載過程中，結(jié)構(gòu)荷載變形關(guān)系曲線以卸載點Pcri為拐點，卸載后繼續(xù)加載剛度可以理解為結(jié)構(gòu)的割線剛度，受卸載點及殘余變形等因素影響。試驗梁在4次加卸載循環(huán)中，卸載荷載P分別為10、16.5、23.3和30 t，其割線剛度分別為129.4、98.2、80.0、77.5 MN/m。由此不難發(fā)現(xiàn)，隨了加載峰值P的不斷增大，其卸載后繼續(xù)加載剛度(割線剛度)不斷衰減，分別為試驗梁彈性狀態(tài)結(jié)構(gòu)剛度的75.9%、61.8%、59.9%。試驗梁在循環(huán)加、卸載過程中，由于受拉區(qū)混凝土開裂，以及在重復(fù)荷載作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)力退化，相對滑移增加，使結(jié)構(gòu)在卸載后存在殘余變形。殘余變形的大小與加載峰值有關(guān)。即加載峰值越大，其殘余變形越大。試驗梁加載峰值為3.0Pcr時，其卸載后殘余變形為最大彈性變形的1.65倍。

剛度是表征結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形情況的重要參數(shù)。在短期荷載作用下，研究試驗梁開裂前后結(jié)構(gòu)剛度變化特點。對于結(jié)構(gòu)變形剛度的描述一般以荷載變形曲線為基礎(chǔ)，包括切線剛度法和割線剛度法。文中采用荷載增量ΔP與撓度增量Δf的比值來表征試驗梁不同受力階段的變形剛度K。采用多段直線對試驗梁加、卸載全過程的荷載-變形曲線進行擬合，分析試驗梁在不同荷載作用和結(jié)構(gòu)開裂條件下的變形剛度衰變規(guī)律，其中,K1為開裂前結(jié)構(gòu)剛度;K2為開裂后結(jié)構(gòu);K3、K4等為重復(fù)加、卸載結(jié)構(gòu)剛度，見圖4(b)。試驗梁開裂后變形剛度降低為開裂前的32%。卸載及加載變形剛度K5為開裂前剛度的60%。在靜力循環(huán)加卸載過程中，結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)、變形規(guī)律與傳統(tǒng)試驗結(jié)果相吻合，表明加載裝置滿足短期靜載試驗技術(shù)要求。

2.3 長期徐變變形分析

完成短期靜載試驗及相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，鎖定緊固螺母，維持長期荷載12 t，即開始長期加載試驗，試驗梁跨中截面長期長度、應(yīng)變結(jié)果見圖5。不難看出，由于混凝土的徐變效應(yīng)，即使外荷載維持恒定，梁體撓度及截面變形仍隨時間持續(xù)增加。在第300 d時，試驗梁跨中截面徐變變形已經(jīng)增大到2.62 mm，此后徐變變形增大趨勢逐漸變緩。與徐變撓度發(fā)展規(guī)律相似，跨中截面上緣混凝土處于彎曲壓縮狀態(tài)，壓縮變形也隨持載時間的增加而變大，在第300 d時壓縮變形增大至-690×10-6(見圖5(b))。另外在70～100 d附近，各梁下?lián)霞盎炷翂嚎s變形曲線均存在明顯轉(zhuǎn)折，這一時間段恰為環(huán)境溫度和濕度轉(zhuǎn)折點?？梢姯h(huán)境溫、濕度變化對試驗梁長期變形均有不同程度的影響。

(a)跨中截面長期變形

(b)跨中截面上緣長期壓縮變形

混凝土梁的裂縫與長期徐變變形存在耦合關(guān)系：一方面，由于裂縫的存在導(dǎo)致梁體剛度降低、變形增大；另一方面，在梁體變形持續(xù)增加的過程中，既有裂縫的長度和裂縫跨度也不斷發(fā)展。對于大跨度混凝土梁式橋，這種裂縫與變形之間的惡性循環(huán)關(guān)系將對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生不利影響。由于目前考慮徐變與裂縫相互作用的分析理論尚不完善，同時由于對試驗設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性均有較高要求，相關(guān)問題的試驗研究進展不大。為了研究斜裂縫在長期持載下的變化規(guī)律，在試驗梁斜裂縫區(qū)混凝土表面安裝了表貼式應(yīng)變計，監(jiān)測裂縫區(qū)的發(fā)展。測試數(shù)據(jù)表明：應(yīng)變計C2讀數(shù)為先產(chǎn)生拉伸變形而后進入壓縮狀態(tài)，在第65 d時拉伸變形達到172×10-6，而370 d時為壓縮變形-211×10-6。在前65 d內(nèi)裂縫寬度增大22 μm，而后裂縫寬度不斷縮小，370 d時縮小27 μm。初步分析原因可知，裂縫處混凝土的長期變形實際上包括收縮變形及徐變變形兩部分。其中徐變變形方向與初始彈性變形方向一致，表現(xiàn)為裂縫的加寬；而收縮變形則表現(xiàn)為裂縫寬度的減小。當(dāng)收縮變形大于徐變變形時便出現(xiàn)裂縫寬度隨持載時間的增加而不斷變小的現(xiàn)象。

圖6 試驗梁斜裂縫區(qū)長期變形

3 有限元模擬分析

為進一步驗證試驗結(jié)果的合理性，采用Adina軟件對工字型試驗梁進行仿真分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，取1/2梁長建模。鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋采用truss單元模擬，混凝土采用3D-solid單元模擬。模型中包含606個3D-solid單元及403個truss單元(見圖7)。為防止模型在加載點、支座及張拉錨固點處出現(xiàn)集中破壞，設(shè)置剛性單元，避免分析結(jié)果不收斂。工字梁有限元模型如圖3所示?；炷敛牧蠈傩园碈50混凝土取值，其中單軸極限抗壓強度32.4 MPa，抗拉強度為2.65 MPa，初始切線彈模為34.5 GPa。普通鋼筋采用兩種材料形式，一種為常規(guī)鋼筋模型，另一種為受拉鋼筋帶模型。其中常規(guī)鋼筋模型采用理想雙線性彈塑性材料模擬鋼筋，彈性模量為200 GPa，屈服應(yīng)力為335 MPa。受拉鋼筋帶模型彈性模量為307 GPa，臨界開裂應(yīng)力35 MPa，屈服應(yīng)力為335 MPa。

試驗梁計算分析中，采用N-R法進行迭代，計算試驗梁加、卸載全過程結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布。受拉側(cè)普通鋼筋分別采用常規(guī)鋼筋模型及受拉鋼筋帶模型進行計算，圖8為試驗梁跨中截面計算值與試驗值。采用兩種鋼筋模型時，單調(diào)加載曲線較為接近，但極值荷載變形量相差較大。另外，由于常規(guī)鋼筋模型未考慮鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移效應(yīng)，因此殘余變形量原小于試驗值，而受拉鋼筋條帶模型通過修正的鋼筋本構(gòu)來考慮鋼筋與混凝土黏結(jié)力的不斷退化，因此計算殘余變形量與實測值較為接近。主要區(qū)別為受拉鋼筋條帶模型卸載殘余變形接近測試值，而常規(guī)鋼筋模型計算最大殘余變形值僅為試驗值的10%。

Adina軟件采用彌散型裂縫模擬混凝土的開裂及壓碎等情況，計算中根據(jù)混凝土單元高斯積分點的應(yīng)力情況判別結(jié)構(gòu)是否開裂。達到開裂后，在相應(yīng)的積分點上設(shè)置開裂標(biāo)記。D梁極值荷載條件下計算裂縫分布與實際裂縫分布見圖9。

圖8 試驗梁有限元分析與實測數(shù)據(jù)比較

圖9 試驗梁計算裂縫與實測裂縫分布

4 結(jié) 論

為開展混凝土梁長期與短期荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為試驗研究，成功研制了反拉式多功能加載裝置。由于采用了模塊化設(shè)計，使得該系統(tǒng)不但可以滿足短期靜載試驗要求，而且在長期加載狀態(tài)下，加載系統(tǒng)能夠保持荷載恒定，滿足梁式結(jié)構(gòu)徐變試驗技術(shù)要求。主要結(jié)論及建議如下：

(1) 通過開展3 m鋼筋混凝土的循環(huán)加、卸載試驗以及在長期持載條件下的徐變變形試驗，試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，驗證了加載裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

(2) 由于混凝土長期變形受環(huán)境溫濕度變化影響顯著，為消除環(huán)境因素對測試數(shù)據(jù)的影響，應(yīng)采用必要的環(huán)境溫度、濕度控制措施。同時在試驗數(shù)據(jù)分析處理的過程中，應(yīng)充分考慮環(huán)境因素。此外，由于結(jié)構(gòu)長期變形測試周期往往較長，因此測試元器件的長期穩(wěn)定性、可靠性也是決定試驗結(jié)果的重要因素。

(3) 該系統(tǒng)具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡單及性能可靠等優(yōu)勢。加載系統(tǒng)中所采用的構(gòu)件均為工程實驗室常備式構(gòu)件，因此裝配、拆卸方便，造價較低，滿足相關(guān)試驗與教學(xué)使用要求。