常巖軍,萬里云,胡丹,莫德凱,李劍*

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實驗室， 廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實驗室， 廣西 南寧 530004)

0 引言

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中，裂縫的出現(xiàn)不可避免。現(xiàn)有研究表明，混凝土開裂后內(nèi)部鋼筋的銹蝕、脹裂是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的關(guān)鍵因素之一[1]。為了延長結(jié)構(gòu)使用壽命，如何提高鋼筋混凝土構(gòu)件的抗裂性是值得關(guān)注的課題。作為最常見的受彎鋼筋混凝土構(gòu)件，鋼筋混凝土梁在彎曲荷載下的開裂過程也是研究的重點(diǎn)。至今為止，對于鋼筋混凝土梁的彎曲性能提高已有諸多嘗試，其中包括采用高強(qiáng)度的螺紋鋼筋[2]、以新型FRP筋與鋼筋混合配筋[3-4]、使用活性粉末混凝土[5]、以纖維材料對梁體進(jìn)行外部加固[6]等，在經(jīng)典的鋼筋混凝土梁中引入新材料，用試驗方式及模擬方式探究其彎曲性能和開裂現(xiàn)象。另一角度的研究是針對傳統(tǒng)鋼筋混凝土材料，從細(xì)觀角度分析其開裂機(jī)理，探究混凝土骨料形狀及占比[7]、鋼筋混凝土界面剪切應(yīng)力傳遞[8]等細(xì)觀層面上的影響因素造成的宏觀開裂過程變化，并輔以有限元模擬方法對開裂理論進(jìn)行驗證[9]。

梁式構(gòu)件的四點(diǎn)彎試驗是一種用于研究構(gòu)件彎曲性能的試驗方式，相比廣泛使用的三點(diǎn)彎試驗，這種試驗方式采用兩個對稱加載點(diǎn)同時對構(gòu)件進(jìn)行加載，構(gòu)件跨中兩加載點(diǎn)之間的區(qū)段不受剪力影響，能夠同時觀察到跨中純彎段和剪跨區(qū)彎剪結(jié)合段構(gòu)件不同的表現(xiàn)，也更為貼近工程實際中梁式構(gòu)件的荷載條件，因而也被許多要求更高精度的梁式試驗研究選用[10-11]。

為了探究經(jīng)典鋼筋混凝土梁受拉伸損傷的共同作用機(jī)理，本文設(shè)計4種不同配筋率、2種不同配筋形式，共計8組簡支梁四點(diǎn)彎對比試驗，該試驗?zāi)茌^全面的觀察變形鋼筋與混凝土在彎曲荷載下的開裂、脫粘損傷至破壞的全過程，獲取相關(guān)力學(xué)指標(biāo)，并基于試驗對鋼筋混凝土梁的破壞現(xiàn)象及細(xì)觀損傷機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗方案

試驗包括2組共8根相同尺寸的鋼筋混凝土梁構(gòu)件，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[12]規(guī)定，試件設(shè)計為適筋梁構(gòu)件。試驗梁長度為1 300 mm，凈跨1 200 mm。截面尺寸均設(shè)計為120 mm×200 mm，保護(hù)層厚度為20 mm。梁頂部架立筋為HPB300強(qiáng)度等級，梁底縱筋及箍筋均為HRB400E強(qiáng)度等級，箍筋間距100 mm，L型梁底部配兩根縱筋，BL型梁底部配直徑相等的三根縱筋，試驗梁尺寸及配筋如圖1所示。試驗梁采用C50強(qiáng)度等級混凝土，各試件梁設(shè)計參數(shù)見表1。

單位：mm

表1 各試驗梁設(shè)計參數(shù)Tab.1 Parameters of test beams

試件采用四點(diǎn)彎加載，為記錄試驗梁在加載過程中的宏觀形態(tài)變化及微觀破壞機(jī)制，在各根試驗梁上布置荷載傳感器、混凝土應(yīng)變片、鋼筋應(yīng)變片、位移傳感器等測量工具，如圖2所示。試驗采用分配梁實現(xiàn)四點(diǎn)彎加載。荷載傳感器布置在分配梁上方中心處，用于測量由液壓壓力機(jī)施加的豎向荷載；混凝土應(yīng)變片分別布置在左右支座和加載點(diǎn)的連線中點(diǎn)處及跨中位置，用于左、右側(cè)斜裂縫發(fā)展形態(tài)和跨中橫截面混凝土應(yīng)變以及開裂時機(jī)；鋼筋應(yīng)變片分別布置于跨中純彎段的縱筋處和兩端剪力段的箍筋處，用于測量其所在位置的鋼筋應(yīng)變；位移傳感器布置跨中和左、右加載點(diǎn)處，用于測量各點(diǎn)撓度。

單位：mm

2 試驗過程

2.1 材性試驗

參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[13]及《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[14]的相關(guān)規(guī)定，對制備試件梁所用的混凝土和鋼筋分別進(jìn)行材料性能試驗，實測結(jié)果分別見表2和表3。

表2 混凝土材料性能Tab.2 Material properties of concrete

表3 鋼筋材料性能Tab.3 Material properties of rebars

圖3 構(gòu)件加載圖Fig.3 Components loading

2.2 四點(diǎn)彎試驗

加載設(shè)備包括NYL-500液壓式壓力機(jī)、100 t手動液壓千斤頂、力傳感器、分配梁以及橋式位移計等，加載裝置示意圖如圖3所示。在加載前，使用膩?zhàn)臃鬯自囼灹旱挠^測面，而后于梁側(cè)面描繪方格網(wǎng)，便于裂縫位置定位。試驗采用四點(diǎn)彎加載，加載制度為分級加載，便于不同階段的裂縫觀測。在每級荷載加載完畢后，控制荷載穩(wěn)定，在觀測面描繪出裂縫形態(tài)并文字記錄相關(guān)變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 破壞形態(tài)

根據(jù)縱筋配筋率的不同，試驗梁的破壞形態(tài)表現(xiàn)為正截面破壞和斜截面破壞兩種。其中L-1、L-2、BL-1、BL-2梁的縱筋配筋較少，試驗梁彎剪段抗剪能力相對較強(qiáng)，呈正截面破壞形式，而L-3、L-4、BL-3、BL-4梁的縱筋配筋較多，試驗梁純彎段抗彎能力相對較強(qiáng)，呈斜截面破壞形式。

試驗梁典型的正截面破壞形式如圖4(a)至圖4(d)所示。在呈現(xiàn)正截面破壞的L-1、BL-1、L-2和BL-2四根試驗梁上可見，當(dāng)開裂荷載達(dá)到后，試驗梁純彎段跨中底部出現(xiàn)垂直于縱筋的裂縫，荷載繼續(xù)增加，跨中裂縫向上延伸同時純彎段其他位置依次出現(xiàn)多條垂直于梁底延伸向上的裂縫。配三根底筋的BL-1和BL-2梁相比配筋率相同的L-1及L-2梁，跨中裂縫顯然更密集。對于縱筋配筋率較高的L-2和BL-2兩根梁，其正截面承載力和斜截面承載力較為接近，因此在剪跨區(qū)也出現(xiàn)了一定數(shù)量的斜裂縫，但發(fā)展較純彎段的直裂縫要更為緩慢。當(dāng)荷載加至梁底縱筋屈服后，試驗梁中和軸下部混凝土完全開裂，荷載的提升主要依靠力臂的增加，此時撓度迅速增加，跨中混凝土上部受壓區(qū)出現(xiàn)一定的水平裂縫。當(dāng)壓力機(jī)繼續(xù)下壓，受壓區(qū)混凝土峰值壓應(yīng)力下移導(dǎo)致力臂減小從而荷載下降，但很快受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)三角形破壞區(qū)，試驗梁破壞。

試驗梁典型的斜截面破壞形式如圖4(e)至圖4(h)所示。對于呈現(xiàn)斜截面破壞的L-3、BL-3、L-4及BL-4試驗梁，在荷載加載前期，可見試驗梁加載點(diǎn)及跨中底部幾乎同時出現(xiàn)垂直裂縫。隨著荷載增大，剪跨區(qū)彎矩及剪力增大，剪跨區(qū)底部出現(xiàn)更多彎剪型裂縫，起初與縱筋垂直，在發(fā)展過程中逐漸向同側(cè)加載點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，剪跨區(qū)裂縫不斷斜向上延伸但發(fā)展的角度不斷減小，在該階段中配筋率較高的L-4及BL-4梁中下部還出現(xiàn)復(fù)數(shù)幾乎平行的腹剪型裂縫。荷載繼續(xù)增大，純彎段垂直裂縫停止發(fā)育，剪跨區(qū)斜裂縫繼續(xù)向上延伸同時腹剪型斜裂縫向兩側(cè)發(fā)展。當(dāng)荷載增大到某一值時，數(shù)條彎剪裂縫中的一條轉(zhuǎn)化為臨界斜裂縫并貫穿支座與加載點(diǎn)的連線，導(dǎo)致試驗梁破壞。在臨界斜裂縫貫穿梁體之外，BL-3、L-4及BL-4梁都不同程度地出現(xiàn)了梁頂部受壓區(qū)混凝土壓碎的現(xiàn)象，BL-4梁更是出現(xiàn)了腹剪型斜裂縫間的混凝土碎裂現(xiàn)象，導(dǎo)致其破壞呈現(xiàn)明顯脆性。

(a) L-1

(b) BL-1

(c) L-2

(d) BL-2

(e) L-3

(f) BL-3

(g) L-4

(h)BL-4

對上述試驗梁破壞形態(tài)的分析結(jié)果見表4。對于平均裂縫間距，呈現(xiàn)正截面破壞的四根試驗梁計算的是其純彎段的平均裂縫間距，呈現(xiàn)斜截面破壞的試驗梁則計算整個梁體的平均裂縫間距。對比配筋率逐漸上升的L-1～L-4及BL-1～BL-4兩組試驗梁，可知開裂荷載隨縱向配筋率增加有小幅度上升，同時極限荷載隨著縱筋配筋率的增加而顯著增大?？缰凶畲髶隙群妥畲罅芽p寬度則隨縱筋配筋率的增大而減小。對比配筋率相同而配筋形式不同的1、2、3、4四組試驗梁，可見采用3根縱筋配筋的BL型梁最大裂縫寬度要顯著低于2縱筋配筋的L型梁，且平均裂縫間距也比L型梁更小。這兩項數(shù)值是衡量結(jié)構(gòu)抗裂性能的重要指標(biāo)，具有重大的工程意義。產(chǎn)生這種區(qū)別的原因是BL型梁使用了更細(xì)的縱筋，在相等的配筋面積下，更細(xì)的縱筋顯然與混凝土有更大的粘結(jié)面積，即能提供更大的粘結(jié)力。在粘結(jié)力的作用下，鋼筋與混凝土結(jié)合為一個整體共同變形，但鋼筋與混凝土的彈性模量不同，導(dǎo)致梁底縱筋和混凝土共同受拉的過程中混凝土出現(xiàn)開裂。粘結(jié)力更強(qiáng)的BL型梁在加載時梁底裂縫會更為密集，但較強(qiáng)的粘結(jié)力也阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，保證在梁體破壞之前不會產(chǎn)生顯著的變形和開裂，這在工程實際上是一個顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的裂縫導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕，進(jìn)而延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

表4 試驗梁試驗結(jié)果一覽表Tab.4 Test results schedule of concrete beams

3.2 荷載-撓度曲線

圖5和圖6給出了試驗梁的荷載-跨中撓度曲線。由圖5和圖6可知，加載初期，荷載位移曲線基本呈線性增長，抗彎剛度基本保持不變，僅在裂縫開始出現(xiàn)后有略微衰減。當(dāng)配筋率較小時，試驗梁承載能力低但變形能力好。隨著試驗梁配筋率的增大，梁承載能力逐漸增大，BL型梁變形能力逐漸下降，但L型梁變形能力下降趨勢不明顯。

圖5 L型梁荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-displacement curves of L-type beams

圖6 BL型梁荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-displacement curves of BL-type beams

圖7至圖10給出在四種配筋率下不同配筋形式的荷載-跨中撓度曲線對比圖。由圖7至圖10可知，配筋率較低的L-1、BL-1、L-2、BL-2四根梁中，BL型梁較同配筋率的L型梁拐點(diǎn)荷載低，曲線進(jìn)入非線性早，說明BL型梁較L型梁先出現(xiàn)初始裂紋，裂紋數(shù)略多，且BL型梁的荷載位移曲線變化過程較為連續(xù)平滑，說明BL型梁的裂紋擴(kuò)展時無主裂紋產(chǎn)生，且裂紋擴(kuò)展較為均衡，而L型梁的荷載位移曲線有突變，突變后曲線上升較為平緩，L-2梁甚至可以看成一段接近水平的直線，可能是由于L型梁在突變點(diǎn)附近鋼筋進(jìn)入塑性屈服階段，因此荷載沒有明顯上升，鋼筋屈服后裂紋迅速發(fā)展，導(dǎo)致試驗梁跨中撓度持續(xù)增大。

隨著配筋率提高，L-3梁和BL-3梁的曲線變化非常接近，但BL-3梁有明顯的斜率變化點(diǎn)，這可能是由于試驗梁中有新裂紋產(chǎn)生造成的，說明BL-3梁裂紋數(shù)較L-3梁多， BL-3梁和L-3梁在突變點(diǎn)附近有主裂紋產(chǎn)生，突變后BL-3梁較低配筋率時曲線波動小，說明突變后曲線的發(fā)展由斜主裂紋主導(dǎo)，很少再有新裂紋產(chǎn)生，表現(xiàn)為明顯的斜截面剪壓破壞形式，即當(dāng)試驗梁加載到一定階段時，多條斜裂縫中的一條成為主裂縫，隨著彎曲撓度的增大主斜裂縫不斷向加載位置擴(kuò)展，裂縫寬度增大，混凝土剪壓區(qū)高度逐漸減小，最后梁因混凝土被壓碎而發(fā)生破壞。當(dāng)配筋率再增大時，BL-4梁的拐點(diǎn)荷載已經(jīng)明顯大于L-4梁，但在拐點(diǎn)后荷載卻迅速下降。對比BL-4梁的破壞形態(tài)，可見其剪跨區(qū)有大量腹剪型斜裂縫，縱筋與臨界斜裂縫交點(diǎn)附近的混凝土和加載點(diǎn)下方受壓區(qū)混凝土均出現(xiàn)壓碎，且跨中撓度很小，有脆性破壞特征，呈現(xiàn)斜壓破壞。

圖7 L-1及BL-1梁荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-displacement curves of beam L-1 and beam BL-1

圖8 L-2及BL-2梁荷載-跨中撓度曲線Fig.8 Load-displacement curves of beam L-2 andbeam BL-2

圖9 L-3及BL-3號梁荷載-跨中撓度曲線Fig.9 Load-displacement curves of beam L-3 and beam BL-3

圖10 L-4及BL-4號梁荷載-跨中撓度曲線Fig.10 Load-displacement curves of beam L-4 and beam BL-4

在高配筋率下，呈斜截面破壞的四根梁表現(xiàn)為受壓區(qū)混凝土壓碎和斜裂縫破壞競爭機(jī)制。L-3、BL-3和L-4梁均呈現(xiàn)出較為安全的剪壓破壞形態(tài)，臨界斜裂縫貫穿梁體和受壓區(qū)混凝土壓碎幾乎同時發(fā)生。但BL-4在與L-4相同的縱筋配筋率下使用更細(xì)的縱筋，增加了縱筋與混凝土的粘結(jié)力，反而使剪跨區(qū)縱筋位置出現(xiàn)更多的粘結(jié)裂縫，與之前產(chǎn)生的彎剪斜裂縫交匯，加速了斜裂縫間混凝土的碎裂，令構(gòu)件最終呈現(xiàn)脆性斜壓破壞。

3.3 縱筋應(yīng)變分析

圖11和圖12給出了各試驗梁縱筋跨中處的荷載-應(yīng)變關(guān)系。由圖11和圖12可知，當(dāng)試驗梁配筋率較小時，可大致將鋼筋應(yīng)變變化分成3個階段。第一階段為完全彈性階段，曲線呈線性狀態(tài)，此時試驗梁還未開裂，梁下部拉力由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)。第二階段為混凝土開裂后，梁下部拉力主要由鋼筋承擔(dān)，但仍有部分混凝土起到了一定的抗拉作用。此階段鋼筋應(yīng)變曲率明顯加大，但曲線仍基本呈直線狀態(tài)。第三階段為加載后期，試驗梁下部混凝土基本退出工作，梁下部縱向鋼筋應(yīng)變超過3 000με開始屈服，荷載-鋼筋應(yīng)變曲線由線性直線迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，表現(xiàn)為荷載的微小增大便能引起鋼筋應(yīng)變的極大增加。隨著試驗梁配筋率的提高，鋼筋應(yīng)變的變化情況在前中期與低配筋時無異。當(dāng)荷載增大至極限荷載時，縱筋應(yīng)變集中于2 500με至3 500με之間，隨后試驗梁破壞、荷載和鋼筋應(yīng)變迅速下降，卸載段曲線斜率僅略低于破壞前的加載段，這表明直至試驗梁破壞縱筋也沒有進(jìn)入屈服階段，試驗梁是由于混凝土的斜截面破壞而喪失了承載能力。

圖11 L型梁荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.11 Load-steel strain curves of L-type beams

圖12 BL型梁荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.12 Load-steel strain curves of BL-type beams

3.3 剪跨區(qū)混凝土應(yīng)變分析

圖13和圖14給出了試驗梁的剪跨區(qū)混凝土荷載-應(yīng)變關(guān)系，該曲線表征的是剪跨區(qū)混凝土在支座與加載點(diǎn)連線中點(diǎn)處、并垂直于連線的拉應(yīng)變隨荷載的變化情況，可用以反映試驗梁剪跨區(qū)斜裂縫開裂發(fā)展的過程。從圖13和圖14中可知，試驗梁在受荷初期混凝土主拉應(yīng)變變化小，在斜裂縫發(fā)展之前，應(yīng)變均小于500με。當(dāng)斜裂縫開始沿支座與加載點(diǎn)連線發(fā)展，混凝土應(yīng)變迅速增大，該時刻對應(yīng)的荷載值與實際試驗觀察到的斜裂縫開裂荷載符合。且對應(yīng)于同一荷載時隨著試驗梁配筋的增加，混凝土的主拉應(yīng)變逐漸減小，這也與實際情況相符。例外地，L-3梁在荷載約為26 kN時，斜裂縫已發(fā)展到應(yīng)變片附近，導(dǎo)致荷載應(yīng)變曲線的拐點(diǎn)過早出現(xiàn)。對比各曲線的特征，得知L-3、L-4、BL-3三根梁的曲線形狀較為相近，縱筋配筋率更大的L-4梁應(yīng)變荷載曲線在拐點(diǎn)之前接近線性段的部分斜率顯然大于L-3梁和BL-3梁。對比L-4和BL-4兩根梁的曲線，可見BL-4梁曲線更為圓滑，說明其在此方向上的應(yīng)變增長更為均勻，這與BL-4梁表面出現(xiàn)大量腹剪型、粘結(jié)型裂紋的現(xiàn)象相吻合。

圖13 L-3及BL-3梁荷載-混凝土應(yīng)變曲線Fig.13 Load-concrete strain curves of beam L-3 and BL-3

圖14 L-4及BL-4梁荷載-混凝土應(yīng)變曲線Fig.14 Load-concrete strain curves of beam L-4 and BL-4

4 結(jié)論

本文對適筋范圍內(nèi)不同配筋率和配筋形式的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗研究，得到的主要結(jié)論有：

① 配筋形式不同導(dǎo)致的鋼筋與混凝土粘結(jié)面積不同，對四點(diǎn)彎加載下的鋼筋混凝土梁破壞特征有很大影響。在正截面破壞時，粘結(jié)面積更大的試驗梁跨中純彎段裂縫密度更大，同時裂縫寬度變小，加載過程中的剛度衰減也更為平滑。在斜截面破壞時，粘結(jié)面積更大的試驗梁整體裂縫密度更大，裂縫寬度變小，但粘結(jié)面積最大的試件梁出現(xiàn)斜壓脆性破壞。

② 在較低的縱筋配筋率下，試驗梁極限荷載較低但變形能力更好。采用粘結(jié)面積較小的配筋形式時，試驗梁的極限荷載隨配筋率提高而提高，而變形能力未有明顯下降。采用粘結(jié)面積較大的配筋形式時，試驗梁的變形能力則隨配筋率提高而顯著下降。采用粘結(jié)面積更大的配筋形式可以大幅減小試驗梁破壞時的跨中撓度。

③ 當(dāng)試驗梁呈現(xiàn)正截面破壞，梁底縱筋已經(jīng)屈服。當(dāng)試驗梁呈現(xiàn)斜截面破壞，梁底縱筋基本處于彈性階段并會在卸載后收縮，幾乎沒有殘余應(yīng)變。無論梁底縱筋是否屈服，粘結(jié)面積更大的試驗梁底部縱筋最大拉應(yīng)變會略高一些。

④ 呈現(xiàn)斜截面破壞的試驗梁剪跨區(qū)混凝土應(yīng)變最大值是呈現(xiàn)正截面破壞的試驗梁應(yīng)變的數(shù)倍。此外，粘結(jié)面積更大的試驗梁剪跨區(qū)混凝土應(yīng)變增長更加平滑，表明其剪跨區(qū)的裂縫發(fā)展更為均勻。