引言

集中荷载作用下桥面板的冲切破坏属于局部的脆性破坏,而桥面板作为桥梁耐久性较差的组成部分(刘海燕,2018),须具备相应的抗冲击性,使桥面板在受冲切破坏时保持较好的延性及吸收能量的能力。板内钢筋对提高冲切强度和防止冲切锥突然坠落起到一定的作用,但仍然不能改变其脆性破坏的性质,且桥面板在破坏发生前出现的弯曲裂缝较少、裂缝宽度细微,板面的变形较小,没有明显的破坏预兆(林旭健等,2003),钢纤维对混凝土的阻裂作用可以较好地解决脆性破坏这一问题(Maya等,2012)。

前人对混凝土板的冲切性能开展了试验研究,对于普通混凝土板的冲切试验研究已较为成熟(Caldentey等,2013杨秋宁等,2014何芳等,2016孙健婕等,2018);对于钢纤维钢筋混凝土试件性能试验大多数为板柱形态(林旭健等,2004);而板状试件仅仅局限于添入铣削型钢纤维的钢筋混凝土板(高丹盈等,2008)和钢纤维局部分布的钢筋混凝土板(谢晓鹏等,2009)。但对于不同剪切型钢纤维体积率的钢筋混凝土桥面板研究较少。本文为研究不同钢纤维体积率对混凝土桥面板冲切强度和中央挠度变化及钢筋混凝土的应变影响,开展了不同钢纤维含量的钢筋混凝土板冲切试验。

1 试验概况
1.1 试件设计

试验设计尺寸为1500mm×1500mm×140mm的混凝土试件,普通钢筋混凝土试件与钢纤维钢筋混凝土试件分别标记为S-1和G-1;基体混凝土强度为C30,其中钢纤维钢筋混凝土试件中掺入体积率为0.38%(中国工程建设标准化协会,2005)的浪剪切型钢纤维,长径比35,长度35mm,横截面积0.8mm×1mm;为保证浇筑的连续性及钢纤维在混凝土中均匀分布,试验借助商品混凝土搅拌技术进行浇筑,主要参数见表 1表 2。试件中抗拉、抗压侧钢筋均使用直径为12mm的HRB400螺纹钢,并采用对提高冲切承载力更有利的方格网配筋。

表 1 板试主要参数 Table 1 Main parameters of the test piece
表 2 混凝土的配合比 Table 2 Concrete mix ratio
1.2 试验方案

试件采用支撑跨度为1300mm的四边支撑,在支座与板间放入长800mm、直径50mm的圆钢棒;加载试验使用推力为500kN的液压脉动试验机。在试件板正中心位置放置100mm×100mm×30mm的方形加载板进行加载,为减小摩擦,在其下方放置100mm× 100mm×3mm的橡胶垫,加载装置如图 1所示。加载过程中使用静态应变仪测得试件受拉区混凝土和受拉钢筋的应变,使用位移计记录挠度变形。试件受冲切破坏后,观测其冲切锥体底面夹角及裂缝发展分布。为测得有效数据,钢筋、混凝土应变仪双份布置;由于中心位置位移计与试件底部混凝应变片不能重合,故位移计在偏离中心位置处布置,具体分布如图 2图 3所示,其中Ⅰ、Ⅱ为位移计的位置编号,a、b、c、d、e为混凝土应变片的位置编号。


图 1 试验加载装置 Fig. 1 Test loading device

图 2 钢筋应变片分布 Fig. 2 Steel strain gauge set-up

图 3 试件底部混凝土应变片和位移计分布 Fig. 3 Location of concrete strain gauges and displacement gauges
2 试验结果与分析
2.1 冲切破坏状况

试件底部损坏情况如图 4所示。由于试件G-1添加了钢纤维,混凝土受拉区表面完整性较好,而试件S-1则有明显的混凝土脱落,部分钢筋裸露在外。试件底部受冲切破坏,裂缝呈放射状从加载板下方向四边延伸,加载板下方裂缝较为密集;通过观察记录发现,试件G-1在外荷载加至169kN、试件S-1则在外荷载加至58.5kN时,首条裂缝出现。受拉区的混凝土保护层局部轻微下陷,试件G-1下陷面积较试件S-1大。当冲切裂面形成后,弯曲变形在残余荷载作用下继续发生,试件因混凝土与钢筋粘结、锚固失效和加载板下方范围内钢筋屈服达到极限承载力而破坏。


图 4 板底冲切破坏形态 Fig. 4 Punching failure form at bottom

为观测试件内部破坏状况,将试件底部松动的混凝土手动剥落,使钢筋裸露出来,如图 5所示。试件顶部与底部出现夹角呈45°左右的冲切破坏锥,测量发现试件G-1的角度略大于S-1,破坏断面继续向下延伸,中性轴下侧的冲切破坏角度逐渐减小,在试件底部结束。


图 5 剥落板底松动混凝土后的破坏形态 Fig. 5 Destruction form after peeling off the bottom of the board
2.2 荷载-应变关系

荷载-钢筋应变曲线如图 6所示。曲线编号S-1代表试验中钢纤维体积率为0的试件,G-1代表钢纤维体积率为0.38%的试件,编号第3位的1、2、3分别为布置在试件内钢筋上的应变片位置编号(图 2)。加载初期,受压区混凝土承受主要外荷载,在首条裂缝出现前,曲线斜率较大,钢筋应变增长缓慢。随着外荷载的增加,其由钢筋和混凝土共同承受,此时曲线斜率逐渐降低,钢筋应变急剧增长直至试件破坏。通过计算发现,在试件G-1添加钢纤维后,其钢筋的应变在同一荷载水平下比S-1减少38%—60%。其原因在于混凝土基体中掺入钢纤维后,钢纤维相互交错在混凝土中,对骨料和钢筋的粘结提高了试件的受拉性能,其在标准试块的抗劈裂试验中也有所体现(表 1)。对比2块试件的荷载-钢筋应变曲线,在首条裂缝出现之前,G-1的斜率大于S-1,即其应变增长速率小于未添加钢纤维的试件,而后,2块试件的应变增长速率基本相似。在加载后期,试件S-1的钢筋出现局部应变增长速率减小,其原因在于加载中期外荷载由钢筋和混凝土共同承担,随着外荷载的增加,受拉区混凝土受到不同程度的损伤导致失去工作能力发生开裂,在裂缝出现前,由于锚固作用钢筋的受力均匀,故曲线表现出平稳上升的状态;当裂缝即将出现时,该点的钢筋接受了大部分承载力,应变瞬间增大,故此时的曲线呈现出猛增的状态;当裂缝发生后,钢筋和混凝土之间的粘结性能降低,造成了粘结滑移,由于该点的钢筋还未达到屈服,因此钢筋发生弹性卸载,故曲线有回弹现象,导致中心区域钢筋应变曲线有部分波动。而曲线S-1-2和G-1-3出现波动较少,经研究分析,认为该2两点钢筋应变片处在裂缝较小处或未在裂缝处。


图 6 荷载-钢筋应变曲线 Fig. 6 Load-bar strain curve

试件的混凝土应变与荷载关系曲线如图 7所示,编号中a、b、c表示混凝土应变片的分布位置(图 3)。加载初期,混凝土应变增长速率缓慢,二者基本呈线性关系。随着外荷载的继续增加,试件开始进入弹塑性阶段,此时应变增长速率逐渐升高直致受拉区混凝土开裂破坏失去工作能力。在加载板下方受拉区混凝土破坏前,相同荷载水平下的G-1混凝土应变比S-1减小51%。通过对试件表面的观察,发现2块试件在首条裂缝出现时,外荷载的水平区别较为明显,G-1出现首条裂缝为外荷载加至总荷载54%时,S-1首条裂缝则是在外荷载加至总荷载的19%时出现;在每级荷载水平下,试件G-1受拉钢筋和受拉区混凝土的应变都较S-1降低。由于试件G-1的混凝土中添加有钢纤维,其与混凝土基体的粘结导致试件中裂缝被钢纤维有效的抑制和闭锁,因此钢纤维混凝土需要更多的能量达到与普通混凝土相同的裂缝发展程度。


图 7 荷载-混凝土应变曲线 Fig. 7 Load-concrete strain curve
2.3 荷载与挠度变化

每块试件测得2点(图 3中Ⅰ、Ⅱ)挠度值,如图 8所示。初始加载时,试件变形不明显,随着荷载的增大,挠度随之增加,在冲切裂面形成后,挠度因残余荷载自行增长。自外荷载加载开始至试件破坏,试件的挠度随外荷载的增长而增长,S-1的挠度增长速率明显高于G-1,且同等荷载水平下G-1的挠度明显较S-1小。由于混凝土中的钢纤维将骨料和钢筋通过胶凝材料紧紧粘结在一起,故在相同荷载下,普通混凝土试件的挠度比钢纤维混凝土试件大。


图 8 荷载-挠度关系 Fig. 8 Load-deflection curve
3 试件受力阶段分析

由试件钢筋、混凝土的受力状态和挠度变化可知,集中荷载作用下钢纤维钢筋混凝土桥面板的受力情况可分为3个阶段,分别为:①弹性受力阶段,即开始加载至第1条裂缝产生;②带裂缝工作阶段,即试件出现首条裂缝直至试件破坏发生之前;③试件破坏阶段,即带裂缝工作阶段之后直至外荷载无法再增大,同时试件冲出冲切锥的瞬间。

在弹性受力阶段,试件的挠度与对应承受的荷载基本呈线性关系。主要的外荷载由混凝土承担,板的变形很小,挠度与荷载呈线性关系。当第1条裂缝出现时,表示弹性阶段受力结束。

在带裂缝工作阶段,裂缝的出现导致了试件受弯刚度损失较大,故此阶段在相同外荷载施加下,试件的变形比前一阶段大,这种现象表现为荷载-钢筋、混凝土应变与挠度曲线斜率均减小。由于混凝土的抗拉强度较低,随着荷载的增加,裂缝长、宽不断增大及新裂缝的出现,导致混凝土逐渐丧失工作能力。试件S-1的加载板正下方受拉区混凝土在外荷载加至极限荷载的25%时,失去工作能力,而试件G-1则在外荷载加至极限荷载的65%时才失去工作能力,此时的外荷载主要由钢筋承担,具体表现在荷载-钢筋应变曲线逐渐偏向应变轴,且无钢纤维试件板比有钢纤维试件更为明显。

在试件破坏阶段,主要表现出外荷载增加速率缓慢,但试件变形程度较大,试件S-1荷载-挠度曲线更靠近挠度轴,但试件G-1的曲线变化并不十分明显。钢纤维混凝土板的冲切破坏也由普通混凝土板的脆性破坏转为延性破坏。

随着外荷载的增加,试件中的钢纤维不但能延缓裂缝扩展,且能使在极限荷载后的试件承载力得到部分提升。尤其在破坏后,试件冲切锥范围内的混凝土仍然保持良好的完整性,相比普通混凝土板底大面积脱落,其受力钢筋的继续移动仍然受到较大的阻力。

4 结论

(1)由于钢纤维对混凝土的约束作用,混凝土应变减小,并有效约束了钢筋,使其应变减小且几乎没有出现回弹现象;

(2)在混凝土加入钢纤维后,在混凝土开裂时,处在与裂缝近似垂直位置的钢纤维起着阻裂作用,使试件裂后性能显著提高;

(3)钢纤维能够有效抑制板底裂缝发展,使得最终破坏时混凝土的剥离现象得以减轻,加载板下方尺寸范围内受力钢筋屈服,但加入钢纤维无法显著提高板的抗冲切承载力。

参考文献
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