鋼纖維自應(yīng)力混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗研究

鋼纖維自應(yīng)力混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗研究

混凝土牽引應(yīng)力適應(yīng)曲線是混凝土壓力階段的宏觀反映，包括混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展、破壞積累和最終破壞形狀的積累，闡明了混凝土牽引變形和破壞過程的特點，為分析抗結(jié)構(gòu)的壓力提供了必要的結(jié)構(gòu)關(guān)系?；炷辆叽嘈?因而其受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€下降段的試驗成功率很低,一般要通過改進試驗裝置或荷載傳遞方式(如通過減少偏心、減少應(yīng)力集中、減少應(yīng)力不均勻等)來提高試驗的成功率[1~6]。然而,上述試驗與荷載傳遞方式,對試驗成功率低這一現(xiàn)實仍無太大的改變。何化南等在研究鋼纖維自應(yīng)力混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€時提出在試件中心配置貫通鋼筋的方法,不僅避免了不易對中問題,還確保了混凝土開裂后不會迅速斷裂,無需提高試驗機的剛度便能測出應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€的下降段。在此基礎(chǔ)上,本文提出了新的混凝土直拉試驗方法,并進行了試驗研究。1新試驗方法1.1剛性組件的缺陷普通試驗機在加載過程中會因變形存儲很大的彈性變形能,當試件達到最大承載力后,試驗機因卸載產(chǎn)生恢復(fù)變形而很快釋放出存儲的彈性變形能量,當其大于試件穩(wěn)定破壞所需的能量時,就會造成試件的突然斷裂。故大多研究采用在普通試驗機上增設(shè)剛性組件來提高裝置整體剛度,以保證試驗機釋放的彈性變形能量小于試件穩(wěn)定破壞所需的能量,從而成功測出混凝土的受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。但該類方法效果不太理想,試驗成功率較低。試件達到最大承載力時,尤其是在已有裂縫開展的情況下,試件自身的變形能量也將釋放。且由于裂縫處薄弱的原因,試件變形能量會在裂縫處集中釋放,從而造成試件的突然斷裂。因此,提出阻斷鋼筋內(nèi)(外)置的試驗方法來避免或減少試件突然斷裂的發(fā)生,提高試驗的成功率,并將試驗結(jié)果及獲得的全曲線與普通試件的試驗結(jié)果及全曲線進行了對比分析。1.2立桿選取及材料選用本著簡便、易行、現(xiàn)場操作方便且試驗費用不高的原則,自行制作了一套簡易試驗裝置,見圖1。試驗裝置中,由油壓千斤頂經(jīng)下端板施力于4根直徑為20mm的立桿,立桿穿過承立板自由移動,使其同步均勻上升,對試件實現(xiàn)軸向拉力。再經(jīng)由上端板、螺桿、力傳感器、鉸接頭對試件施加拉力。試件下端由底座固定,底座由承立板與底板經(jīng)4根直徑為16mm的螺桿相連形成。立桿材料選用的是#45鋼空心圓桿,上、下端板材料也選用#45鋼,尺寸為200mm×200mm×30mm;承立板與底板材料也選用#45鋼,尺寸為300mm×300mm×30mm。試驗裝置的傳力路線為:施力裝置—力傳感器、試件—底座。1.3試驗對象的結(jié)構(gòu)1.3.1試驗構(gòu)件及測量方法試件采取直徑14mm的預(yù)埋式端頭夾持方式,另加4根貫通混凝土內(nèi)部的鋼筋用螺帽固定在兩端的承載鋼板上,鋼板尺寸與試件橫截面相同。其中,4根直徑為6mm的阻止混凝土開裂后迅速斷裂的鋼筋(以下簡稱阻斷鋼筋)由內(nèi)徑8mm、外徑10mm的PE管包裹。PE管起到隔離混凝土內(nèi)部表面與阻斷鋼筋的作用。試件的幾何尺寸及配筋見圖2。由圖2可知,施加的外力F為混凝土受力與阻斷鋼筋受力之和,由力傳感器測得。若阻斷鋼筋在試驗段的長度為Ls,伸長量為ΔLs,則阻斷鋼筋在外力F作用下的應(yīng)變值為:單根阻斷鋼筋所受作用力為:式中,Es為鋼筋彈性模量。假設(shè)4根阻斷鋼筋變形量相同,則混凝土所受應(yīng)力為:式中,Ac為試件橫截面有效面積;As為單根阻斷鋼筋橫截面面積;A為試件橫截面全面積;APE為PE管橫截面全面積。1.3.2阻斷鋼筋外金臺安裝試件阻斷鋼筋的內(nèi)置改變了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及截面形狀,但與PE管接觸表面的混凝土無法做到100%無摩擦等,影響了混凝土的受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€的準確性。為此,改進試驗方法,提出了阻斷鋼筋外置于混凝土的試件制作方法。試件仍采用直徑14mm的預(yù)埋式端頭夾持方式。阻斷鋼筋外置于混凝土外部,通過螺帽與承載鋼板固定,鋼板尺寸有所增加。鋼筋外置的方法不僅起到了阻止混凝土開裂后迅速斷裂的作用,還避免了破壞混凝土本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu),相對于鋼筋內(nèi)置的方法,該試件制作簡單。具體試件的幾何尺寸及配筋見圖3。該試驗方法混凝土所受應(yīng)力為:1.4測量儀器和加載方法1.4.1試驗構(gòu)件與應(yīng)變試件的伸長量ΔLs采用量程為1mm、精度為1/1000的千分表量測。千分表垂直布置在試件上端鋼板的上表面。試件的全長L可用精度為1mm的鋼尺測量。試件的軸向拉力F采用力傳感器測量?；炷恋膽?yīng)變通過在試驗有效區(qū)域(除去兩端預(yù)埋拉桿區(qū)域的中間區(qū)域)內(nèi)粘貼應(yīng)變片測得,且需在兩個相對光滑的對立表面有效區(qū)域內(nèi)均布應(yīng)變片。千分表、力傳感器與應(yīng)變片均與TS3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀相連,將位移信號、力信號及應(yīng)變信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柾ㄟ^應(yīng)變儀輸入電腦。該應(yīng)變儀采樣速率為20個測點每秒。1.4.2階段應(yīng)力—加載方法試驗共分四個階段進行靜態(tài)加載,見圖4。(1)第1階段(彈性階段)?；炷猎嚰_始受拉后,直至達到最大應(yīng)力的70%前,為彈性階段,該階段采用等應(yīng)力加載,混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變按比例增大,加載速率為0.003MPa/s(30N/s)。(2)第2階段(塑性階段)。應(yīng)力大于最大應(yīng)力70%且小于最大應(yīng)力時,應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€上升段進入塑性階段,該階段應(yīng)力—應(yīng)變不再是線彈性階段,應(yīng)力增加同第1階段,應(yīng)變增加值則明顯比第1階段大的多,按照等應(yīng)變方式加載,這一階段試件接近峰值應(yīng)力,加載速度要盡可能的慢,加載速率取0.1με/s,在加載至極限荷載時需迅速卸載。(3)第3階段。應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€進入下降較陡階段,循環(huán)加載過程仍要緩慢加載,該階段試件剛度大,即使作用小應(yīng)變,試驗機和試件仍存儲一定的應(yīng)變能。這一階段采用等應(yīng)變加載,加載速率取0.1με/s。(4)第4階段。應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€下降段的平緩段,該階段試件內(nèi)部損傷積累、裂縫已形成,下降段進入平緩段,這一階段加載控制比第2、3階段容易,應(yīng)變加載的速率也增至1.0με/s,且仍采用循環(huán)加載的方式加載。1.5試驗構(gòu)件抗靜電性測量試驗具體步驟如下。步驟1打開應(yīng)變儀并設(shè)置參數(shù),啟動手動油閥,手動進行千斤頂進油至拉力與試件自重相當并調(diào)零。步驟2均勻、緩慢地加載至峰值荷載的20%左右,計算偏心率,檢查偏心,保證偏心率在5%范圍以內(nèi)。步驟3卸載,重新加載至試件受力為0時,對所有測量儀器調(diào)零。步驟4按照前文所述加載方法進行試件的加載,直到試件完全破壞,試驗結(jié)束。2內(nèi)外鋼筋試件的較大力變形分析2.1鄰近峰值位置曲線分析圖5為試驗所得混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。由圖5可看出,曲線的上升段在一定程度上呈線性變化,但在靠近峰值的位置曲線呈微凸狀,表現(xiàn)出一定的塑形;曲線的下降段,前半段下降較快,當應(yīng)力降至峰值應(yīng)力的60%左右時,變形急劇增加而曲線趨于平緩。但曲線的峰值應(yīng)力偏小與理想狀態(tài)有一定的差距,表明試件在裂縫得到充分發(fā)展后殘留應(yīng)力仍較大。2.2鄰近峰值的位置—阻斷外置鋼筋試件試驗所得混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€見圖5。由圖5可看出,曲線的上升段在一定程度上也呈線性變化,在靠近峰值的位置應(yīng)力—應(yīng)變曲線同樣呈微凸狀,表現(xiàn)出了一定的塑形;曲線的下降段,前半段下降較快,當應(yīng)力降至峰值應(yīng)力的50%左右時,變形急劇增加而曲線趨于平緩。曲線的走勢、峰值應(yīng)力及殘留應(yīng)力較為理想。3試驗過程中阻斷鋼筋的應(yīng)用對采用鋼筋內(nèi)置、鋼筋外置及普通試件的3種試驗方法所得應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€進行對比分析,混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€見圖5。由圖5可看出:(1)上升段。鋼筋外置與普通試件全曲線的上升段形狀相似,而鋼筋內(nèi)置曲線的上升段斜率偏小。鋼筋外置與普通試件的峰值應(yīng)力雖有一定的差異,但由于混凝土的離散型,該差異在有效的誤差范圍內(nèi)。相對而言,鋼筋內(nèi)置的峰值應(yīng)力明顯要小得多。(2)下降段。鋼筋外置與普通試件曲線的下降段也基本相同,而鋼筋內(nèi)置曲線的下降段卻相對平緩。由此可見,阻斷鋼筋的內(nèi)置對混凝土造成了一定的缺陷,相當于降低了混凝土的強度;而阻斷鋼筋的外置對試驗的結(jié)果影響很小,可較真實地得到混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。同時,在試驗過程中阻斷鋼筋內(nèi)(外)置試件方法在下降段可提高每次加載的應(yīng)變率,這就大幅減少了循環(huán)加載次數(shù),節(jié)約了時間,提高了效率。另外,普通試件方式獲得混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€的概率為10%左右;而根據(jù)試驗結(jié)果,通過增加阻斷鋼筋的方式獲得全曲線的概率達到了30%左右,大幅提高了試驗的成功率。因此,相對于增加剛性組件來提高裝置剛度,增加阻斷鋼筋更有利于提高試驗的成功率。4試驗方法的選擇a.在同樣的試驗裝置條件下,增加阻斷鋼筋的試