钢纤维自应力混凝土受拉应力-应变全曲线试验研究

钢纤维自应力混凝土受拉应力-应变全曲线试验研究

混凝土牵引应力适应曲线是混凝土压力阶段的宏观反映，包括混凝土内部裂缝的发展、破坏积累和最终破坏形状的积累，阐明了混凝土牵引变形和破坏过程的特点，为分析抗结构的压力提供了必要的结构关系。混凝土具脆性,因而其受拉应力—应变全曲线下降段的试验成功率很低,一般要通过改进试验装置或荷载传递方式(如通过减少偏心、减少应力集中、减少应力不均匀等)来提高试验的成功率[1~6]。然而,上述试验与荷载传递方式,对试验成功率低这一现实仍无太大的改变。何化南等在研究钢纤维自应力混凝土受拉应力—应变全曲线时提出在试件中心配置贯通钢筋的方法,不仅避免了不易对中问题,还确保了混凝土开裂后不会迅速断裂,无需提高试验机的刚度便能测出应力—应变全曲线的下降段。在此基础上,本文提出了新的混凝土直拉试验方法,并进行了试验研究。1新试验方法1.1刚性组件的缺陷普通试验机在加载过程中会因变形存储很大的弹性变形能,当试件达到最大承载力后,试验机因卸载产生恢复变形而很快释放出存储的弹性变形能量,当其大于试件稳定破坏所需的能量时,就会造成试件的突然断裂。故大多研究采用在普通试验机上增设刚性组件来提高装置整体刚度,以保证试验机释放的弹性变形能量小于试件稳定破坏所需的能量,从而成功测出混凝土的受拉应力—应变全曲线。但该类方法效果不太理想,试验成功率较低。试件达到最大承载力时,尤其是在已有裂缝开展的情况下,试件自身的变形能量也将释放。且由于裂缝处薄弱的原因,试件变形能量会在裂缝处集中释放,从而造成试件的突然断裂。因此,提出阻断钢筋内(外)置的试验方法来避免或减少试件突然断裂的发生,提高试验的成功率,并将试验结果及获得的全曲线与普通试件的试验结果及全曲线进行了对比分析。1.2立杆选取及材料选用本着简便、易行、现场操作方便且试验费用不高的原则,自行制作了一套简易试验装置,见图1。试验装置中,由油压千斤顶经下端板施力于4根直径为20mm的立杆,立杆穿过承立板自由移动,使其同步均匀上升,对试件实现轴向拉力。再经由上端板、螺杆、力传感器、铰接头对试件施加拉力。试件下端由底座固定,底座由承立板与底板经4根直径为16mm的螺杆相连形成。立杆材料选用的是#45钢空心圆杆,上、下端板材料也选用#45钢,尺寸为200mm×200mm×30mm;承立板与底板材料也选用#45钢,尺寸为300mm×300mm×30mm。试验装置的传力路线为:施力装置—力传感器、试件—底座。1.3试验对象的结构1.3.1试验构件及测量方法试件采取直径14mm的预埋式端头夹持方式,另加4根贯通混凝土内部的钢筋用螺帽固定在两端的承载钢板上,钢板尺寸与试件横截面相同。其中,4根直径为6mm的阻止混凝土开裂后迅速断裂的钢筋(以下简称阻断钢筋)由内径8mm、外径10mm的PE管包裹。PE管起到隔离混凝土内部表面与阻断钢筋的作用。试件的几何尺寸及配筋见图2。由图2可知,施加的外力F为混凝土受力与阻断钢筋受力之和,由力传感器测得。若阻断钢筋在试验段的长度为Ls,伸长量为ΔLs,则阻断钢筋在外力F作用下的应变值为:单根阻断钢筋所受作用力为:式中,Es为钢筋弹性模量。假设4根阻断钢筋变形量相同,则混凝土所受应力为:式中,Ac为试件横截面有效面积;As为单根阻断钢筋横截面面积;A为试件横截面全面积;APE为PE管横截面全面积。1.3.2阻断钢筋外金台安装试件阻断钢筋的内置改变了混凝土内部结构及截面形状,但与PE管接触表面的混凝土无法做到100%无摩擦等,影响了混凝土的受拉应力—应变全曲线的准确性。为此,改进试验方法,提出了阻断钢筋外置于混凝土的试件制作方法。试件仍采用直径14mm的预埋式端头夹持方式。阻断钢筋外置于混凝土外部,通过螺帽与承载钢板固定,钢板尺寸有所增加。钢筋外置的方法不仅起到了阻止混凝土开裂后迅速断裂的作用,还避免了破坏混凝土本身的内部结构,相对于钢筋内置的方法,该试件制作简单。具体试件的几何尺寸及配筋见图3。该试验方法混凝土所受应力为:1.4测量仪器和加载方法1.4.1试验构件与应变试件的伸长量ΔLs采用量程为1mm、精度为1/1000的千分表量测。千分表垂直布置在试件上端钢板的上表面。试件的全长L可用精度为1mm的钢尺测量。试件的轴向拉力F采用力传感器测量。混凝土的应变通过在试验有效区域(除去两端预埋拉杆区域的中间区域)内粘贴应变片测得,且需在两个相对光滑的对立表面有效区域内均布应变片。千分表、力传感器与应变片均与TS3818静态电阻应变仪相连,将位移信号、力信号及应变信号转变为电信号通过应变仪输入电脑。该应变仪采样速率为20个测点每秒。1.4.2阶段应力—加载方法试验共分四个阶段进行静态加载,见图4。(1)第1阶段(弹性阶段)。混凝土试件开始受拉后,直至达到最大应力的70%前,为弹性阶段,该阶段采用等应力加载,混凝土的应力和应变按比例增大,加载速率为0.003MPa/s(30N/s)。(2)第2阶段(塑性阶段)。应力大于最大应力70%且小于最大应力时,应力—应变全曲线上升段进入塑性阶段,该阶段应力—应变不再是线弹性阶段,应力增加同第1阶段,应变增加值则明显比第1阶段大的多,按照等应变方式加载,这一阶段试件接近峰值应力,加载速度要尽可能的慢,加载速率取0.1με/s,在加载至极限荷载时需迅速卸载。(3)第3阶段。应力—应变全曲线进入下降较陡阶段,循环加载过程仍要缓慢加载,该阶段试件刚度大,即使作用小应变,试验机和试件仍存储一定的应变能。这一阶段采用等应变加载,加载速率取0.1με/s。(4)第4阶段。应力—应变全曲线下降段的平缓段,该阶段试件内部损伤积累、裂缝已形成,下降段进入平缓段,这一阶段加载控制比第2、3阶段容易,应变加载的速率也增至1.0με/s,且仍采用循环加载的方式加载。1.5试验构件抗静电性测量试验具体步骤如下。步骤1打开应变仪并设置参数,启动手动油阀,手动进行千斤顶进油至拉力与试件自重相当并调零。步骤2均匀、缓慢地加载至峰值荷载的20%左右,计算偏心率,检查偏心,保证偏心率在5%范围以内。步骤3卸载,重新加载至试件受力为0时,对所有测量仪器调零。步骤4按照前文所述加载方法进行试件的加载,直到试件完全破坏,试验结束。2内外钢筋试件的较大力变形分析2.1邻近峰值位置曲线分析图5为试验所得混凝土受拉应力—应变全曲线。由图5可看出,曲线的上升段在一定程度上呈线性变化,但在靠近峰值的位置曲线呈微凸状,表现出一定的塑形;曲线的下降段,前半段下降较快,当应力降至峰值应力的60%左右时,变形急剧增加而曲线趋于平缓。但曲线的峰值应力偏小与理想状态有一定的差距,表明试件在裂缝得到充分发展后残留应力仍较大。2.2邻近峰值的位置—阻断外置钢筋试件试验所得混凝土受拉应力—应变全曲线见图5。由图5可看出,曲线的上升段在一定程度上也呈线性变化,在靠近峰值的位置应力—应变曲线同样呈微凸状,表现出了一定的塑形;曲线的下降段,前半段下降较快,当应力降至峰值应力的50%左右时,变形急剧增加而曲线趋于平缓。曲线的走势、峰值应力及残留应力较为理想。3试验过程中阻断钢筋的应用对采用钢筋内置、钢筋外置及普通试件的3种试验方法所得应力—应变全曲线进行对比分析,混凝土受拉应力—应变全曲线见图5。由图5可看出:(1)上升段。钢筋外置与普通试件全曲线的上升段形状相似,而钢筋内置曲线的上升段斜率偏小。钢筋外置与普通试件的峰值应力虽有一定的差异,但由于混凝土的离散型,该差异在有效的误差范围内。相对而言,钢筋内置的峰值应力明显要小得多。(2)下降段。钢筋外置与普通试件曲线的下降段也基本相同,而钢筋内置曲线的下降段却相对平缓。由此可见,阻断钢筋的内置对混凝土造成了一定的缺陷,相当于降低了混凝土的强度;而阻断钢筋的外置对试验的结果影响很小,可较真实地得到混凝土受拉应力—应变全曲线。同时,在试验过程中阻断钢筋内(外)置试件方法在下降段可提高每次加载的应变率,这就大幅减少了循环加载次数,节约了时间,提高了效率。另外,普通试件方式获得混凝土受拉应力—应变全曲线的概率为10%左右;而根据试验结果,通过增加阻断钢筋的方式获得全曲线的概率达到了30%左右,大幅提高了试验的成功率。因此,相对于增加刚性组件来提高装置刚度,增加阻断钢筋更有利于提高试验的成功率。4试验方法的选择a.在同样的试验装置条件下,增加阻断钢筋的试