建筑结构试验论文

高强钢筋混凝土梁疲劳刚度的试验研究姓名：王玉科室：试验室摘要:通过对9根高强钢筋混凝土梁的疲劳试验,进行了疲劳荷载作用下平截面假定的验证,分析了其挠度随着疲劳荷载循环次数增加的变化规律,探讨了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的刚度计算方法和计算公式,计算结果与试验结果符合良好。关键词:高强钢筋混凝土梁;疲劳荷载;疲劳刚度1引言在结构的使用期限内,在各种荷载的作用下都要产生相应的变形,而混凝土结构由于总体的刚度大,绝对变形比较小,实际工程中很少因变形过大而发生问题。但随着建筑高度和跨度的不断增加,高强钢筋和高强混凝土已广泛地应用到实际工程中,钢筋和混凝土都处于高应力状态,特别是高强钢筋的使用,降低了构件的配筋率,使用阶段的应变增大,所以对高强钢筋混凝土梁的构件变形和截面刚度的研究也日益重要。目前,对于此方面的研究多集中在静载作用下,对高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的构件变形和截面刚度的研究较少,本文以疲劳试验为基础,分析研究了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的受力变形特点,提出了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的刚度计算方法和公式。计算结果与实测结果符合良好。2试验概况2.1试件设计本文以受拉钢筋配筋率为参数,设计制作了9根混凝土强度等级为C70的高强钢筋混凝土梁(fc=60.2N/mm2,ft=6.68~7.16N/mm2,Ec=43000N/mm2),采用Ⅳ级钢筋(fy=660N/mm2,Es=201.1N/mm2),实际尺寸、配筋及试验类型见表1,试件构造及加载情况见图1。2.2试验内容2.2.1静载试验从低、中配筋率两组梁中各抽出一片作静载试验,确定其极限承载力N。。作静载试验时,一般5次加载,估计开裂和破坏前适当加密,每一级均量测混凝土应变、钢筋应变、裂缝宽度及荷载数值。2.2.2疲劳试验采用固定最小应力和最大应力水平的等幅正弦波加载。施加疲劳荷载的最大值为0.3~0.4Mu,(Mu为梁的极限弯矩),循环特征值ρ=Mmin/Mmax分别为0.3、0.4、0.5三种,配筋率高的梁作疲劳试验的最大值为0.4Mu(Mu为配筋率为1.023%试件的破坏弯矩)。在施加疲劳荷载前,分6级施加静载至疲劳荷载上限,然后卸载,再逐级施加静载至疲劳荷载上限,每一级加载完毕后均量测混凝土应变、钢筋应变、挠度和裂缝宽度,重复加载2次后以5Hz的频率进行疲劳荷载试验。当荷载重复次数分别达到1万、5万、10万20万、…100万、…200万次时,停止疲劳试验,卸载至零。3试验结果3.1裂缝开展情况由2片静载试验梁的结果可看出,高强钢筋混凝土梁在静载作用下,裂缝首先在跨中或荷载作用点附近出现,裂缝间距分布比较均匀,配筋率高的梁(HB3)的裂缝间距明显小于配筋率低的梁(HB22、HB23、HB24),同时在施加相同疲劳荷载上限时,配筋率高的梁的裂缝宽度也小于配筋率低的梁。加载到使用荷载附近时,裂缝已经出齐,继续加载后几乎没有新的裂缝出现,已产生的裂缝继续向梁顶发展,钢筋应力不断增大,直到最后钢筋屈服、混凝土压碎,并且造成梁破坏的主裂缝几乎全部集中在纯弯段。而做疲劳试验的梁,在疲劳试验前的二次静载作用下,梁的裂缝已经基本出齐,在进行疲劳试验后,在梁的纯弯段很少有新的裂缝出现,静载时产生的裂缝随着荷载循环次数的增加继续开展,在疲劳荷载作用初期(约在10万次以内),裂缝开展非常迅速,可明显地看到裂缝向以上开展,以后增长渐缓。3.2疲劳荷载作用下平截面假定的验证如图2所示,由受压区边缘混凝土应变、受拉区钢筋应变和埋设于梁中量测混凝土应变的应变计读数的结果表明,在疲劳荷载作用一定次数后,高强钢筋混凝土梁正截面应变仍然符合平截面假定。3.3循环次数一挠度曲线部分试验梁随荷载循环次数的增加的挠度曲线如图3所示。可以看出,随着疲劳荷载循环次数及受压区混凝土和受拉区钢筋的应变不断增加,各试验梁挠度的上限值和下限值都在增加。挠度的发展可分为2个阶段,开始阶段(疲劳荷载循环10万次以内)增加幅度比较大,第2阶段指疲劳荷载作用10万次以后,挠度的增加逐渐趋于平缓。同时,在相同疲劳荷载上限作用时,配筋率较高的梁(HB3)挠度明显小于配筋率较低的梁(HB24),所以高强钢筋混凝土梁采用较高的配筋率不仅可以增大承载力,而且对减小裂缝宽度和提高截面刚度都是有利的。4疲劳刚度的计算在实际工程中,一般除抗震结构外,作用在结构上的荷载几乎不可能达到极限荷载,一般承受疲劳荷载的结构,疲劳荷载不超过60%的极限荷载,因此在使用荷载范围内,可使用短期刚度值计算变形。本次试验疲劳荷载上限如表1所示,最大为40%的极限荷载,而且试验结果表明,随着荷载循环次数的增加,混凝土和钢筋的应力都在弹性范围内,故本文采用以换算截面为基础的有效惯性矩法推导高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的短期刚度计算公式是合适的。试验证明,疲劳荷载作用下梁截面变形仍符合平截面假定,裂缝间距分布均匀,中和轴位置受裂缝的影响呈波浪型分布,在裂缝截面上有最小的受压区高度,截面的平均曲率可按平均受压区高度考虑,即:式中，为截面在疲劳荷载作用下的平均曲率,和为量测截面顶部混凝土平均压应变和受拉钢筋平均拉应变。所以疲劳荷载作用下的平均抗弯刚度为:试验中根据量测数据所计算的曲率列于表2。梁在受拉区裂缝出现前后有不同的换算截面,应分别进行计算。构件出现裂缝之前,全截面混凝土受力,受拉区钢筋面积为,则其换算截面面积为,n为钢筋弹性模量ES与混凝土弹性模量Ec比,所以换算截面总面积为,受压区高度x可通过受拉区对中性轴的面积矩等于受压区对中性轴的面积矩求得,即:则换算截面惯性矩为:所以开裂前的截面刚度为:在实际工程结构中,一般情况下都存在裂缝,所以应着重计算裂缝截面的换算惯性矩。假定裂缝截面上受拉区混凝土完全退出工作而只有钢筋承受拉力,则受压区高度同样可由上述方法求得式中，，则裂缝截面的换算惯性矩和刚度为在疲劳荷载作用下,混凝土的应变和钢筋应变随着荷载重复次数的增加而变大,混凝土受弯弹性模量在减小,裂缝也不断向梁顶部延伸,裂缝截面的受压区高度也逐渐减小,所以按(l)式计算的裂缝截面受压区高度和按(3)式计算的刚度保持为常值是不合适的。因此,本文认为应在(3)式前乘以系数数,即:,，定义为疲劳荷载作用下裂缝截面的刚度折减系数,随荷载循环次数的变化而变化,即为高强钢筋混凝土梁的疲劳刚度。根据本次试验结果回归得:5结论(1)I高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下,截面应变仍然符合平截面假定。(2)高强钢筋混凝土梁采用较高的配筋率不仅可以提高构件的承载力,而且对减小裂缝宽度和增加截面刚度十分有利。(3)在等幅疲劳荷载作用下,随着循环次数的增加,梁的挠度和裂缝宽度增大,刚度减小。(4)本文采用有效惯性矩法提出了疲劳荷载作用下的刚度计算公式:计算结果与试验结果符合良好。参考文献[1]中国土木工程学会高强混凝土委员会.《高强混凝土结构设计与施工指南》.北京:中国建筑工业出版社,1993,4-17[2]过镇海.《钢筋混凝土原理仁》.北京:清华大学出版社,2001.241-253[3]卢建峰,蒋永生,梁书亭.《高强钢筋高强混凝土梁刚度的试验研究仁》.东南大学学报,1996,26(11):109-l14