疲劳荷载作用下的植筋混凝土梁刚度分析及计算
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第17卷第24期2017年8月科学技术与工程V d. 17 N a24 A ug. 2017 1671 —1815(2017)024-0251-06Science Technology and E ngineering ⑧2017 Sci. Tech. Engrg.建筑科学疲劳荷载作用下的植筋混凝土梁刚度分析及计算阎西康1>2庞玉松“张陆伟1(河北工业大学土木与交通学院1,河北省土木工程技术研究中心2,天津3〇〇4〇1)摘要植筋技术是一种被广泛应用于工程界的连接锚固技术。
对承受疲劳循环荷载的植筋梁而言，疲劳破坏是一种重要 的损伤形式。
为了分析植筋处于疲劳状态下的工作性能，共设计制作了 3根相同植筋深度的混凝土梁试件，并对其进行疲劳 试验下的受弯试验。
试验表明：植筋梁的刚度在疲劳加载下有了一定的降低，低频加载对梁体造成的损伤大于高频加载；通 过对刚度退化的分析，建立符合刚度退化规律的函数，对试验数据进行拟合，得出刚度退化系数函数，与结果吻合较好，实现 了对植筋梁疲劳刚度的计算，能够对植筋梁疲劳刚度进行定量描述。
关键词植筋梁疲劳 加载频率 刚度中图法分类号T U375. 1; 文献标志码A植筋技术是一种锚固技术广泛应用于建筑结构 的改造、加固、扩建领域。
现阶段对植筋构件的研究 以拉拔[1一5]和承受静力荷载[6一9]时的力学性能研究 为主，对植筋构件处于复杂应力状态下的工作性能 研究较少。
现实建筑物的很大一部分结构，比如公 路、吊车梁、桥梁等都是承受多次循环并且比较大的 动荷载，这样的结构在使用过程中承受长期疲劳荷 载，极易产生疲劳破坏。
混凝土结构的刚度在一定程度上能反映出结构 的损伤程度，刚度测试可通过量测梁体挠度来计算，试验简单易行。
植筋梁不同于整浇梁，如果能找到 植筋梁在疲劳荷载作用下的刚度退化规律，该规律 可作为计算植筋梁疲劳刚度的一项计算依据。
植筋 梁疲劳损伤会产生疲劳裂缝，疲劳裂缝的存在会使 很多结构突然发生破坏。
国内外学者对植筋混凝土 梁进行的疲劳试验数量较多，也取得了显著成果，但 *2017年2月13日收到河北省研究生创新项目（CXZZSS2017029)资助 第一作者简介:阎西康(1966—）,男，河北冀州人，博士，教授，博士研究 生导师。
研究方向:工程结构加固与维修、工程施工新技术。
E-mail: tjsyxk@ 126. com〇*通信作者简介:庞玉松（1991 一），男，河北安国人，硕士研究生。
研 究方向：工程结构加固与维修、工程施工新技术。
E-m ail: 1911293978@ qq. com。
引用格式:阎西康，庞玉松，张陆伟.疲劳荷载作用下的植筋混凝土 梁刚度分析及计算[J] •科学技术与工程，2017, 17(24) : 251 —256 Yan Xikang, PangYusong, Zhang Luwei. The stiffness analyses and calculate of reinforced concrete beam under fatigue lo a d[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(24) ：251 —256是对混凝土梁的刚度退化仅仅是做了简单描述，没 有进行深人研究[w’11]，所以通过对混凝土植筋构件 进行疲劳试验研究植筋梁的刚度退化规律有着非常重要的意义[1M3]。
通过对3根不同加载频率的植筋梁进行疲劳试 验，通过对比研究相同频率不同加载次数下梁体挠 度及相同次数不同加载频率下梁体挠度的变化规 律，进而对梁体刚度进行分析，得出其一般规律。
1试验简介为了进一步研究混凝土植筋梁的疲劳受力性 能，试验采用植筋技术设计制作了 3根混凝土植筋 梁,试验梁的截面尺寸为6 X /i=250 mm X400 mm,梁长Z= 2 600 mm,保护层厚度为25 mm。
梁编号分 别为P I、P2、P3。
混凝土强度等级为C30，试验梁纵 向钢筋型号为HRB400,直径25 m m,梁体通常钢筋 等级为HPB235,箍筋采用HPB300光圆钢筋，直径 为10 mm,为满足其抗剪承载力要求箍筋间距取100 mm。
植筋钻孔根据植筋加固规范要求:钢筋直 径25 mm需要钻孔的直径为32 mm。
植筋深度均为 20 为植筋直径），植筋胶型号均为FISEM390,梁体加载频率分别为4 Hz、6 Hz、7 Hz。
试验梁分两批浇筑，梁体先浇段完成并养护后 进行钻孔植筋，浇筑后浇段混凝土和养护。
植筋梁 尺寸图及截面配筋图如图1和图2所示。
2疲劳加载制度该试验梁采用集中力加载的方式，当疲劳试验252科学技术与工程17卷前期烧筑混泥土(155〇) I ±g ^1丨2I 3Io寸预置，|.2〇£/=50012丨2 600-_1单位:m mP 1梁和P 2梁图1植筋梁尺寸Fig. 1R e b a r-p la n tin g beam size2010201020101—^01O@1OO -W M b 01O@1OO -r—^01O@1OO 2撤5预制筋|m i 2銳5预制筋|2蛇5植筋2010XT20102010.250250.250⑻（b )(c )单位:m m图2试验梁配筋Fig. 2R einforcem ent o f re b a r-p la n tin g beam时，在重复荷载加载到1 x 104次、10 x 104次、50 x 104次、100 x 104次、150 x 104次时，停机进行一个 循环的静载试验，读取分级荷载下的挠度，并观察混凝土梁体的裂缝等，加卸载方法为加载时每级荷载 取10 kN ，加载到90 kN ，卸载时分三级卸载，每级为 30 kN 。
试验梁的跨中挠度通过在梁体支座和跨中 安装激光位移计进行测量[W ]。
试验梁参数如表1 所示0表1试验梁参数Table 1 Test beam parameters试验梁编号植筋深度/mm加载频率/H z试验种类P120^=5004静载试验+疲劳试验P220^=5006静载试验+疲劳试验P320^=5007静载试验+疲劳试验3疲劳试验现象及分析对P I 、P 2梁在进行疲劳加载前先进行一次静载试验，加载过程中，第一次静力加载时两根梁试验现象基本相同，均在加载至40 k N 时，试验梁的先浇 混凝土和后浇混凝土的施工缝处出现第一条裂缝， 加载至90 k N 时，在跨中附近出现几条竖向裂缝，如 图3和图4所示。
由于设备使用时间限制，P 1梁仅进行了 150 x1〇4次的疲劳循环加载，P 1梁在循环50 x 104〜150 x1〇4次过程中梁体并未出现明显的新裂缝。
加载到 150 x 104次时，梁未损坏，同P 2梁一样进行静力加 载，后期梁底主筋截面处出现平行于主筋方向的水 平裂缝，加载到240 kN 时，梁体突然丧失承载力，图3 P 1梁破坏形态Fig. 3F a ilu re modes o f P I beam图4P 2梁破坏形态Fig. 4F a ilu re modes o f P2 beam植筋端头处截面梁底混凝土保护层剥落并形成一条上下贯穿的大裂缝，造成脆性破坏。
对P 2梁加载前 50 xlO 4次时，竖向裂缝基本出齐，P 2梁在完成50 x 1〇4次加载到200 x 104次时梁体并未出现明显的新 裂缝。
加载到200 x 104次时，梁未损坏，静力加载 至梁失去承载力0加载到后期，梁底主筋截面处出 现了几条细微的水平裂缝，在加载至260 k N 时，截 面网格21〜23处出现许多横向或斜向受剪裂缝并 形成一个较大的竖向裂缝，梁体丧失承载力。
P 3梁疲劳前静载阶段加载至30 k N 时，在新旧 混凝土交界面出现第一条裂缝继续加载该裂缝向上 发展迅速。
当加载到60 k N 时，在跨中出现第二条 竖向裂缝，植筋端头出现第三条竖向裂缝，在以后的加载过程中此裂缝向加载作用点发展。
在疲劳结束 的破坏试验中加载到180 k N 时在竖向受弯裂缝处 出现斜向受剪裂缝。
在加载到290 k N 时，植筋端头 处斜裂缝达到1.5 mm ，发生斜截面受剪破坏。
改用 位移加载，继续加载到296 k N 时，能明显看到梁的 变形，最大主裂缝贯穿梁高，最后为植筋的黏结界面 破坏，梁丧失承载力。
P 3梁的破坏形态图如图5 所示0图5P 3梁破坏形态 Fig. 5F a ilu re modes o f P3beam24期阎西康，等:疲劳荷载作用下的植筋混凝土梁刚度分析及计算2530 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100荷载/k N(d)20〇xl 〇4 次图6不同疲劳次数下P 1、P 2、P 3梁 荷载-挠度曲线对比图Fig. 6Com parison o f load de flection curves o f P I ，P2 and P3 beams un der d iffe re n t fatigue tim es次的疲劳加载为植筋混凝土梁疲劳损伤发生的主 要时期。
3.1开裂荷载与极限承载力分析根据混凝土结构设计规范[1S :钢筋混凝土梁受 弯构件的开裂弯矩为式（1)中，/〇 = (0.083 +0. 19aE p )从3 ;y 0 = (0.5 + 0.425aE p)A ;y m 为截面抵抗矩塑性影响系数基本 值，y m = 1. 55 ;a E 为钢筋弹性模量和混凝土弹性模量的比值，其值为7 ;P 为受拉筋的配筋率。
按照式（1)计算的开裂弯矩为25. 19 k N *m 。
表2为梁的开裂荷载计算值和实测值，表3为梁的 极限承载力。
表2梁的开裂荷载计算值和实测值Table 2 The calculation value and measuredvalue of beams cracking load开裂荷载PI 梁P2梁P3梁计算ffl/k 、50. 850. 847. 8实测值/kN 353530实测值:计算位/%68.968.962.8表3梁的极限承载力Table 3 The ultimate bearing capacity of beams梁编号P1P2P3极限承载力/kN240260296由表2可看出每根植筋梁的实际开裂荷载都 比计算值低，最大的为计算值的68. 9%，最小的仅 为计算值的62. 8% ^第一条裂缝位置都在新旧混 凝土结合面，说明施工缝处的结合面是梁的薄弱 地方D 随着加载频率的增大，植筋梁极限承载力 呈上升趋势，低频加载对植筋梁极限承载力不利， 所以在实际过程中，应尽量避免低频重复荷载的 出现。
