部分预应力活性粉末混凝土梁的疲劳性能试验研究

王 蕊 吴晓明

(桂林理工大学勘察设计研究院，广西桂林 541004)

近年来，预应力梁在实际工程中的使用逐渐普及，尤其是在桥梁工程中应用极为广泛，但随着交通流量的与日俱增，荷载极限也大大增加。为了提高结构的疲劳性能和保障其安全性，对主要承受重复动荷载的桥梁等结构常采用高强高效的预应力技术，部分预应力活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete，简称为RPC)构件受弯疲劳性能研究和设计理论尚处于研究的起步阶段，本文对部分预应力RPC梁进行了疲劳试验分析研究，为该方面的理论研究提供参考。

1 试验概况

1.1 RPC 材料配比

活性粉末混凝土配比详见表1。

表1 RPC试验配合比

1.2 RPC 强度取值

通过对RPC进行立方体抗压强度试验，测得其强度标准值fcu，k=160 N/mm2;故该梁的设计强度等级取C160。据《混凝土结构设计规范》混凝土受压疲劳强度修正系数γp=0.68，故混凝土轴心抗压疲劳强度标准值混凝土受拉疲劳强度修正系数γp=0.63，故混凝土轴心抗拉疲劳强度标准值

1.3 RPC试验梁设计

RPC试验梁长为3 000 mm，为防止锚固破坏，支座两边各留出150 mm，截面为矩形截面，详见图1。非预应力受力钢筋采用HRB400级钢筋;预应力筋选用φs15.24(1×7)预应力钢绞线，梁设计参数见表2。

1.4 试验梁加载方案

图1 RPC梁示意图

表2 试验梁设计参数

疲劳试验采用PMS-50型数显式脉动疲劳试验机进行加载。疲劳荷载上限取为恒载与活载之和为60 kN，疲劳荷载下限取梁消压荷载为22 kN。整个试验过程包括两个部分:

1)预裂加载。预裂加载采用静载的形式，如图2所示。静载分级加载直至疲劳荷载下限，再采取每1 kN级分级加载，以确定梁的开裂荷载，加载时每加载一级停留3 min，用以测量裂缝的宽度，采集相应应变和挠度值，直至梁主裂缝宽度达到0.1 mm时停止加载。2)疲劳加载。预裂加载完成后以4 Hz的频率进行等幅疲劳加载。每加载50万次(50万次、100万次、150万次、200万次)停止进行静力加载。静力加载以5 kN级进行分级加载直至疲劳荷载上限值，然后以同样的级别进行分级卸载至疲劳荷载下限值，再卸载至0。静力加载后继续进行疲劳加载，整个过程加载、卸载、疲劳加载直至进行疲劳加载200万次或梁破坏。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及分析

试验梁L-1，L-2在加载200万次后发生破坏，L-3在经历200万次疲劳加载后未发生破坏。在预裂加载阶段，当荷载达到25 kN时L-1出现第一条裂缝，继续加载到43 kN时裂缝宽度达到0.1 mm;荷载达到26 kN时L-2出现第一条裂缝，继续加载到45 kN时裂缝宽度达到0.1 mm;L-3在荷载为29 kN时出现第一条裂缝，当荷载达到51 kN时裂缝宽度达到0.1 mm，梁裂缝主要集中在纯弯段靠近跨中处。L-1在经历77万次疲劳加载后裂缝扩大速度加快，梁挠度增大较快，当加载到130万次时出现斜裂缝，随着疲劳荷载的进行斜裂缝迅速扩张，加载到145万次时，梁宣告破坏;L-2在疲劳荷载加载到146万次时出现斜裂缝，裂缝扩展速度相比L-1稍慢，当加载到160万次时，L-2宣告破坏。L-3在经历200万次疲劳加载后裂缝和挠度都有所增加，未出现斜裂缝，主裂缝宽度达到2.5 mm，挠度达到23 mm。整个疲劳破坏过程大致分为3个阶段:1)裂缝衍生阶段。在疲劳加载初期(0万次～62万次)随着疲劳荷载次数的增加，L-1不断有新的裂缝产生，裂缝宽度和高度也有所增加，同时混凝土和钢筋的应变也随之增大，梁的刚度减小，挠度增加。导致这些情况发生的原因是由于活性粉末混凝土内部微裂缝的产生和扩展，所以此阶段称之为裂缝衍生阶段。2)疲劳稳定阶段。随着疲劳荷载次数的增加(62万次到斜裂缝出现前)，梁裂缝宽度和高度都有一定的增加，跨中挠度达到15 mm，活性粉末混凝土和钢筋应变增量不大，梁的刚度退化特征不明显，混凝土中微裂缝的扩展较小，整个梁的疲劳破坏处于一种相对稳定的阶段。3)疲劳破坏阶段。L-1，L-2经过疲劳稳定阶段后开始出现斜裂缝，并且随着斜裂缝的迅速扩展非预应力筋应力增大，随之达到屈服，刚度退化明显，跨中挠度急剧增加，整个梁宣告破坏。

图2 试验梁静力加载方案

2.2 试验结果分析

1)跨中挠度分析。根据实测得出梁的荷载—跨中挠度曲线见图3，从图3中可以看出:a.在相同疲劳加载次数下，如图3所示，在达到消压荷载以前L-1，L-2，L-3荷载—跨中挠度曲线有一定的重合度，表明在消压荷载以前预应力度对梁的刚度影响较小，当荷载增大到一定程度以后，相同荷载下梁的跨中挠度随着预应力度的提高而减小，说明梁的疲劳刚度随着预应力度的增大而增大，并且增大的幅度随着疲劳次数的增加而降低。b.从图3可以看出，部分预应力筋RPC梁的荷载—挠度曲线基本保持线性，在整个疲劳加载前一段过程中梁荷载—挠度曲线斜率变化不大，随着荷载和疲劳加载次数的增加，梁的裂缝宽度增大，梁疲劳刚度退化，梁挠度增加。

2)裂缝宽度。梁试件最大裂缝宽度随循环疲劳加载次数比(循环疲劳加载次数N与疲劳寿命Nf的比值)的发展情况见图4。L-1在循环加载130万次时出现斜裂缝，当达到134万次时斜裂缝宽度达到0.23 mm，继续加载到斜裂缝宽度达到1.21 mm，随之斜裂缝宽度急剧增加，在达到145万次疲劳加载后梁破坏。L-2在循环加载158万次时斜裂缝宽度达到0.86 mm，为循环加载151万次时裂缝宽度的3倍，随着循环荷载次数的增加裂缝不断扩展，当循环加载到160万次时斜裂缝宽度达到2.47 mm梁破坏。L-3在疲劳加载200万次时未出现斜裂缝。由图4可知预应力度对RPC梁的疲劳性能有一定的影响，预应力度的增加有利于缓和梁的疲劳破坏，对梁斜裂缝的发展具有一定的抑制作用。

图3 梁荷载—跨中挠度曲线图

图4 梁最大斜裂缝宽度图

3 结语

1)对于RPC的抗压、抗拉强度的取值，由于还没有现行规范，参考普通混凝土结构设计规范具有一定的保守性;2)试验梁的疲劳破坏过程大致分为裂缝衍生阶段、疲劳稳定阶段、疲劳破坏阶段等3个阶段，梁疲劳破坏过程伴随有裂缝的扩展，梁刚度、挠度的增加以及混凝土压碎等破坏形态，破坏过程中随着预应力度的增大，梁的裂缝宽度和挠度等都有所减小，能承受的疲劳加载次数也有所增加;3)梁的疲劳刚度随着预应力度的增大而增大，并且增大的幅度随着疲劳次数的增加而降低;4)预应力度的增加有利于缓和梁的疲劳破坏，对梁斜裂缝的发展具有一定的抑制作用。

［1］余自若.活性粉末混凝土疲劳性能及其构件疲劳验算方法研究［D］.北京：北京交通大学博士学位论文，2006.

［2］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］JGJ/T 92-93，无粘结预应力混凝土结构技术规程［S］.