罗许国，刘岱鑫

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭411201)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下简称 RPC) 由于其具有超高的强度、高韧性和高耐久性等特点[1-2]，自 20世纪 90年代问世以来，国内外研究人员对其在土木工程领域的应用开展了大量的研究工作且多集中在静力性能方面[3-5]． 然而，对于土木工程中的一些常见领域，如吊车梁、海洋平台以及公路和铁路桥梁等，都不可避免的面临着疲劳荷载的作用． 疲劳荷载的作用会导致结构材料的性能不断退化． 最终在低于静载强度的情况下发生脆性破坏[6]．因而，为了实现RPC材料的推广应用，了解钢筋R PC结构的疲劳性能非常重要． 笔者通过钢筋RP C梁的静力和疲劳试验，研究了钢筋RPC梁在疲劳荷载作用下的性能劣化过程．

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

整个试验共设计、制作了 2根具有相同截面和配筋率的钢筋 RPC梁，试验梁采用受弯控制，依据文献[4]进行配筋，截面实际配筋率为3.3 %，符合规范对适筋梁的要求．同时，在试件剪弯段内配置足够数量的箍筋防止试件发生斜截面破坏．钢筋 RPC梁的实际外形尺寸和配筋情况如图 1-2所示．试验梁的制作采用现场人工搅拌成型的方法，成型 2 d后拆模，在室内环境下洒水养护．所有试验梁中，1根进行静载试验，用于确定疲劳加载荷载水平的参考值．另外1根进行疲劳试验．

图1 试件立面Fig.1 Facade of specimen

图2 试件横截面Fig. 2 Cross-section of specimen

1.2 试验原材料

混凝土采用湖南大学研制的RPC，其基本配合比如表 1所示．每个试验梁在浇筑期间分别制作 3个尺寸为 100 mm ×100 mm ×100 mm的试块，用于测定钢筋 RPC梁在试验时的 RPC强度值． 棱柱体试块尺寸为 100 mm ×100 mm ×300 mm，总计 6个，用于测定正式试验时 RPC棱柱体的抗压强度和弹性模量．试块采用与试验梁相同的制作和养护方法． 由于我国目前还没有制定针对 RPC这种高强材料的力学性能试验规程，因而暂参考普通混凝土力学性能试验方法进行． RPC材料的试验结果见表2．

表1 RPC配合比Tab. 1 Proportions of RPC mix (kg/m3)

表2 RPC实测力学性能Tab. 2 Measured value of RPC mechanical property

试验梁内的纵向受力钢筋采用直径为20 mm的 HRB400(Ⅲ级)钢筋， 架立筋和箍筋采用直径分别为 10 mm 和 8 mm 的 HPB235(Ⅱ级)钢筋．实测的 HRB400纵向钢筋的屈服强度为 473 MPa，极限强度为619 MPa．

1.3 疲劳试验荷载选取

对于公路桥梁而言，疲劳荷载下限值Mmin通常为桥梁结构自重以及桥面附属设施等的静荷载作用产生的弯矩值，而弯矩上限值Mmax与车辆类型及分布等情况有关． 在相同的疲劳荷载作用次数下，低应力幅引起的桥梁损伤很小，随着应力幅的增长，桥梁损伤则约呈 3～5次方急剧增长． 然而由不同弯矩幅值下的车辆比例(如表 3所示)可以看出，低应力幅的作用次数远高于中高应力幅值．因而，本次试验选用低中弯矩幅水平的分界点 0.25Mu作为等幅疲劳加载的控制值． 疲劳荷载下限值取为Mmin=0.05Mu，疲劳荷载上限值Mmax取为0.3Mu，其中Mu为静极限承载力．

1.4 试验加载方案及测点布置

试验均采用 3分点加载方式．静载试验梁采用千斤顶进行分级加载． 疲劳试验梁采用疲劳机进行正弦波形加载，疲劳加载频率取为4 Hz，先做 2次加卸载循环的静载试验，然后进行疲劳加载，当疲劳加载次数达到 1、2、5、10、20、50、100、150和200万次时，停机进行一次加卸载循环的静载试验(试验方法与静载试验梁类似)．所有试验梁在跨中沿截面高度方向均匀的布置 5片胶基箔式电阻应变片，钢筋应变分别布置在跨中和加载点内侧，百分表布置于跨中、加载点和支座处，裂缝观测位置为钢筋附近．

表3 钢筋混凝土桥梁弯矩幅水平等级划分[7]Tab.3 Divided Bending moment amplitude

2 钢筋RPC梁静力和疲劳试验结果与分析

2.1 静力试验结果与分析

钢筋 RPC梁的静载破坏属于适筋梁破坏，破坏始于受拉区钢筋的屈服，然后跨中位置的RPC被压溃，典型的破坏形态如图3所示．荷载挠度曲线如图 4所示．试验过程中，当加载力达50 kN左右时，梁纯弯段受拉区以及加载点附近开始出现竖向弯曲裂缝，然而由于钢纤维的阻裂作用，其裂缝宽度值较小，仅为 0.02 mm左右． 同时，开裂导致截面刚度降低，荷载挠度曲线略微向挠度轴倾斜．此后继续加载，新的裂缝不断产生，并发出钢纤维拔出的“啪啪”声．当加载力达到280 kN左右时，在跨中RPC应变片粘贴位置的左右，1条主裂缝急剧开展，挠度急剧增大，中和轴高度迅速上升，导致受压区RPC被压溃，钢筋 RPC梁丧失承载力，此时的主裂缝的最大宽度Wmax为1 mm，跨中挠度值f为25 mm，受压区 RPC的极限应变值约εc为 3 154 με，纵向受拉钢筋应变值εs约为 3 406 με．实测的钢筋 RPC梁的开裂弯矩Mcr和极限弯矩Mu分别为 15 kN⋅m 和 84 kN⋅m，二者的比值约为0.18，远高于普通钢筋混凝土梁的相应比值0.1[8]．RPC梁的开裂弯矩Mcr和极限弯矩Mu的比值高于普通混凝土梁开裂弯矩和极限弯矩的比值主要是由于 RPC基体材料和掺入的钢纤维具有较高的抗拉能力提高了 RPC梁的抗裂性能使得钢筋 RPC梁开裂荷载较大，此外 RPC材料较高的弹性模量值使得钢筋 RPC梁具有良好的抗变形能力．实测的钢筋 RPC梁静载破坏时相关物理参数的值见表4．

图3 静载试验梁破坏形态Fig.3 Failure mode of the test beam

图4 荷载挠度曲线Fig.4 Load-Deflection curve

表4 静力和疲劳试验相应参数实测值Tab. 4 Measured values of static and fatigue tests

2.2 疲劳试验结果与分析

钢筋 RPC梁在疲劳荷载作用下未发生疲劳破坏．因而可以看出，按本文设计的钢筋 RPC梁在以出现概率为 98.11 %的桥梁疲劳应力幅值作用下，其疲劳寿命值至少 200万次以上． 此外，文献[9]指出：混凝土内部微裂缝失稳扩展时，其纵向总应变与加载历史无关． 与静载破坏一样，混凝土的疲劳破坏亦是由于材料内部的微缺陷不断扩展形成连续的不稳定裂缝所引起的． 故，由表 4可看出，钢筋 RPC梁疲劳结束时最大裂缝宽度、跨中挠度、受压边缘 RPC应变和受拉钢筋应变分别为静载破坏时的 12 %、25.8 %、32 %和24.3 %，远未达到其破坏值． 钢筋RPC梁能较好的满足公路桥梁使用要求．

2.2.1 钢筋RPC梁裂缝

等幅疲劳荷载作用下的钢筋 RPC梁疲劳裂缝的分布与走向如图5所示．

在前 2次静力加卸载循环过程中，当加载至50 kN左右，钢筋RPC梁在加载点内侧出现了竖向弯曲裂缝，在剪弯段靠近加载点处亦出现少量短细的竖向裂缝． 此后继续加载，当加载至疲劳最大荷载Fmax=67.2 kN时，梁上几乎没有新裂缝产生，此时的最大裂缝宽度仅为0.02mm．

在疲劳加载阶段，不同疲劳加载次数下钢筋的裂缝数量与前 2次静力加载阶段相比，并不见明显增多． 而疲劳最大荷载作用下的裂缝宽度随不同疲劳加载次数的变化规律如图6所示． 由该图可见，试验梁裂缝宽度随疲劳加载次数的增加不断增大，裂缝宽度的发展速率不断降低，表现为2阶段发展规律． 实测的200万次疲劳结束时的最大裂缝宽度约为0.12 mm，相比第1次静力加载时的最大裂缝宽度值增加了约 6倍，但仍小于极限破坏时的裂缝宽度值1mm．

图5 等幅疲劳试验梁裂缝分布Fig.5 Crack distribution of constant-amplitude fatigue tests

图6 不同加载次数下的最大裂缝宽度Fig.6 Maximum crack width under different loading times

2.2.2 钢筋RPC梁挠度

挠度是梁刚度变化的反应．不同疲劳加载次数下试验梁跨中挠度随加载荷载值的变化规律如图 7所示，跨中最大挠度与残余挠度随疲劳加载次数的变化规律如图8所示．

由图可见，最大挠度和残余挠度都随着疲劳加载次数的增加而逐渐增大，且具有与梁最大裂缝宽度相类似的两阶段发展规律，在荷载挠度曲线上表现为先疏后密的形态．此外不同加载次数下的荷载挠度曲线逐渐向挠度轴倾斜，说明钢筋RPC梁的刚度随着加载次数的增加明显降低． 当200万次疲劳结束时，残余挠度值和最大挠度值分别为1.509 mm和6.438 mm．

图7 不同加载次数荷载挠度曲线Fig.7 Load-deflection curve in different loading times

图8 挠度随N发展曲线Fig.8 Relationship between deflection and N

2.2.3 RPC应变

等幅疲劳荷载作用下钢筋 RPC梁受压区边缘 RPC累积残余应变和总应变随疲劳加载次数的变化规律如图 9所示，不同加载次数下 RPC应变随加载荷载值的变化规律如图 10所示．由图可见：

钢筋 RPC梁受压区边缘 RPC的残余应变和总应变均随着疲劳加载次数的增加而增大， 二者的发展均体现出 2阶段规律，第一阶段结束时的加载次数约为 50万次左右，在该阶段受压区RPC的累积残余应变值和总应变值均发展较快，增长速率随着加载次数的发展逐渐降低．实测的该阶段结束时的累积残余应变值为 223 με，总应变值为 927 με分别约为静载破坏时的 RPC极限应变值(3 154 με)的 7.1%和 29.4%． 第二阶段发展较慢，其增长速率基本为一定值，疲劳 200万次结束时的累积残余应变值为 298 με，总应变值为1 010 με，分别约为静载破坏时的RPC极限应变值(3 154 με)的9.4%和32%．而荷载应变曲线的斜率随加载次数的变化相对较小，表明受压区RPC变形模量降低程度不大．

图9 RPC应变随N发展曲线Fig.9 Relationship between RPC strain and N

图10 不同加载次数后RPC应变Fig.10 RPC strain in different loading times

2.2.4 钢筋应变

图 11为等幅疲劳荷载作用下钢筋应变随加载次数的变化规律，图 12为不同疲劳加载次数后钢筋应变随加载荷载的变化规律．

由这两图可以看出：在第一次加载时，当荷载加载50 kN左右时，钢筋的应变突然增大，荷载应变曲线的斜率降低，卸载完成时的钢筋残余应变值约为 40 με．在疲劳加载过程中，钢筋的残余应变和总应变亦表现为2阶段发展过程． 当加载到 50万次时，钢筋的残余应变值比第一次加载的残余应变值约增加了 2.75倍，200万次疲劳结束时，钢筋的残余应变值比第一次加载的残余应变值增加了约3.675倍．

图11 钢筋应变随N发展曲线Fig.11 Relationship between steel strain and N

图12 不同加载次数后钢筋应变Fig.12 The steel strain in different loading times

3 结论

（1）按本文设计的钢筋 RPC梁，其静载破坏形态为受弯破坏．钢筋 RPC梁的开裂弯矩与极限弯矩值的比值达 0.18，远高于普通钢筋混凝土梁的相应比值0.1，体现出较好的抗裂性能．

（2）钢筋RPC梁以出现概率为98.11%的桥梁应力幅值进行疲劳加载，其疲劳寿命达 200万次以上．

（3）钢筋 RPC梁裂缝宽度、跨中挠度、受压区边缘 RPC应变以及钢筋应变随着疲劳加载次数的增加均呈现出 2阶段发展规律，即快速发展阶段和平稳发展阶段． 且疲劳200万次结束时的相应值分别约为静载破坏的 12 %、25.8 %、32 %和24.3 %． 体现出较好的抗疲劳性能．

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