第 卷 第 期 年 月 建筑科学与工程学报 && ' 文章编号 无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力学性能 程东辉 俞永志 董志鹏 东北林业大学土木工程学院 黑龙江哈尔滨 摘要 设计制作了 根不同粗骨料替换率的无粘结预应力再生粗骨料混凝土试验梁 并采用两点加载对其进行正截面受弯性能试验 研究了无粘结预应力再生粗骨料混凝土的梁破坏形态 承载力 裂缝宽度及跨中挠度等力学性能 基于试验数据建立了与 混凝土结构设计规范 -8 相协调的无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁预应力钢筋应力增量计算公式 提出了无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁的最大裂缝宽度及刚度的设计建议 结果表明 再生粗骨料替换率对无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁的破坏形态 裂缝宽度 跨中挠度影响不大 达到承载力极限状态时无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁的无粘结预应力钢筋应力增量比无粘结预应力混凝土梁的无粘结预应力钢筋应力增量大 但再生粗骨料替换率对应力增量的影响不显著 关键词 再生粗骨料混凝土 替换率 力学性能 极限承载力 预应力钢筋中图分类号 /0 文献标志码 5 6& - &A0 A&B;->& &&4 4042&& 4 24 2 444 4&&& 6 464& / 44 46 & 6 /444 2&64646 -.. -8 4 444 444224444&&&2 6224 4 364&&446444 24444&&&2 6 6/44 46 4&&&44& 6462444 2444 2444224444 &&&24&2 4&&&44& 444 24442 4&&& 2&4442 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金重大研究计划项目 哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目 7@@ 作者简介 程东辉 男 黑龙江哈尔滨人 教授 工学博士 &&
第 期 程东辉等无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力学性能 > 引言 再生 骨 料 混 凝 土 简 称 再 生 混 凝 土它 是 指 将 混 凝土'砂浆'石'砖瓦等建筑垃圾经机械或人工破碎' 筛分与清洗后按一定的比例级配形成再生骨料部 分或 全 部 代 替 天 然 骨 料并 加 入 胶 凝 材 料'砂'石' 水'外加剂等拌 制 而 成 的 新 混 凝 土 再 生 粗 骨 料 是 指粒径大于 > <@BB 的颗粒再生细骨料 是 指粒 径 不大于 > <@BB 的颗粒 随着 社 会 经 济 的 不 断 发 展城 市 化 进 程 不 断 加 快建筑垃圾产量逐年递增当前中国建筑垃圾处 图? 理手段缺乏资源再生利用率极其低下不仅污染了 生态环境更造成了社会资源的极大浪费与国家提 倡发展循环经济和建设资源节约型社会的目标背道 而驰为解决这些 问 题对 建 筑 垃 圾 的 处 理 必 须 走 再生粗骨料照片? 5/& && 1 43& ;2 2 2 表? 骨料的物理性能指标 70@? 5/ 5 & 8-. -4 B & ;2 2 2 表观密度 压碎指 堆积密度 可持续发展道路而 再 生 混 凝 土 技 术 是 适 应 可 持 续 骨料类型 吸水率F 发展道路的最有效手段之一 天然骨料 < < > > > 再生骨料 <? >? 目前再 生 混 凝 土 的 应 用 范 围 主 要 集 中 在 道 路 工程与基础工程中再 生 混 凝 土 还 没 有 广 泛 地 应 用 到结构当中 < 目 前 各 国 学 者 对 再 生 混 凝 土 在 结 构中的应用研究主 要 集 中 在 再 生 混 凝 土 梁 方 面并 取得了一系 列 的 研 究 成 果 A?但 对 预 应 力 再 生 混 凝土结构特别是 无 粘 结 预 应 力 再 生 粗 骨 料 混 凝 土 [8B\标值F [8B\ 空隙率F 件的受力 性 能在 试 件 的 混 凝 土 受 拉 区 配 置 5 普通纵向 受 拉 钢 筋强 度 等 级 为 KUV>@ 根 试 验梁再 生 粗 骨 料 掺 量 分 别 占 总 骨 料 质 量 的 F F @F <F F 试 验 梁 编 号 及 参 数 见 表 试验用钢筋实测强度如表 所示 梁的研究工作尚未展开针对这一情况本文通过试 表D 验开展无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁正截面力 试验梁参数 70@ D 5 8 & 7 T 8 学性能的研究工作 再生粗骨料 混凝土立方体抗 有效预应力 掺量F 压强度 /QS D3QS ><??> @ ><?< @ @ @ ><? 土梁废弃梁 混 凝 土 强 度 等 级 为 5>废 弃 年 限 为 < < > @? 年废弃梁所处环境为露天环境通过颚式破碎机对 > > A 试验梁编号? 试验设计? 混凝土再生粗骨料的选取 试验用混凝土再生粗骨料选取试验废弃的混凝 废弃梁进行机械破碎得到再生粗骨料如图 所示 表E 表 给出了试验用天然骨料和再生骨料的物理 性能指标 D 试验梁制作 为了开展无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力 学性能的研究根 据 试 件 混 凝 土 中 再 生 粗 骨 料 替 换 试验用钢筋实测强度 70@ E A 4' -2 / & 7 T 钢筋种类 KUV> R@ 抗拉屈服强度 OQS 抗拉极限强度 /QS >@A @A< A? 率的不同设计制作 了 @ 根 无 粘 结 预 应 力 再 生 粗 骨 E 试验梁加载与数据测量 试验 梁 采 用 两 点 加 载加 载 点 距 近 端 支 座 距 离 料混凝 土 试 验 梁 试 验 梁 截 面 尺 寸 为 BB] 为 BB加载点间距为 BB分级加载 BB长度为 >BB净跨为 A BB混凝 土强 度 等 级为 5> 梁中 无粘结预 应力钢 筋 采用 < 每级 @[;直至 试 验 梁 破 坏预 应 力 钢 筋 采 用 一 端 张拉为了 监 测 试 验 梁 加 载 过 程 中 力 学 性 能 的 演 股 @ 钢 绞 线钢 绞 线 抗 拉 强 度 标 准 值 D2[ ` 变在试验梁表面布设了如下装置在加载点间的普 A QS张拉控制应力/'` <@D2[为改善试 通纵向受力钢筋表 面 等 间 距 布 置 < 片 钢 筋 应 变 片 R
建筑科学与工程学报 年 间距为 BB&在距 离 跨 中 左 右 两 侧 各 @ BB 处 布置预应力钢筋应变片沿截面环向粘贴&为了测量 试验梁沿截面高度 方 向 的 混 凝 土 应 变在 跨 中 处 布 置 @ 片混凝土应变 片&在 梁 顶 加 载 点 范 围 内 连 续 布 置? 片混凝土应变 片&在 梁 的 支 座 上 方 和 跨 中 架 设 位移计以测量 跨 中 挠 度 利 用 数 字 自 动 采 集 系 统 测读并自动记录试 验 梁 数 据 中 各 值 的 变 化并 由 裂 缝观测仪测读裂缝宽度记录裂缝开展情况 试验 梁 加 载 及 量 测 方 案 如 图 所 示试 验 现 场 如图 所示 图D 试验梁加载及量测方案 D ' / 8& R& 4-2-4 A 8& 7 T 8 图F 表F 试验梁破坏形态 F A&4 & 7 T 8 试验梁弯矩与预应力钢筋应力增量实测值 70@ F A 4I & A&8-4'. - 8 & 5 4T & 7 T 8 图E 试验现场 E. U & BC 8 D 试验现象与试验结果 试验过程中 @根试验梁受力后的破坏过程比 较相近具体表现 为随 着 荷 载 的 增 加试 验 梁 跨 中 处受拉区混凝土首 先 开 裂裂 缝 高 度 随 着 荷 载 的 增 加而不断加大&试验梁临近破坏时非预应力钢筋首 试验梁编号 62 [;B62 [;B62 [;B2 / O DQS @? @ @? @ A @ @? < @ @? > @ @ 纵向受拉钢筋屈服弯 62 62 62 注 / 分别为混凝土开裂弯矩' O 矩和承载力极限状态弯矩实测值& 2 D 为预应力钢筋应力增 量实测值 先受拉屈服随后在荷载增加不大的情况下加载点 间受压区混凝土被压碎试验梁宣告破坏此时预应 力钢筋均未屈服如图 > 所示 表 > 给出了试验梁各阶段弯矩实测值及相应的 预应力钢筋应力 增 量 实 测 值 由 表 > 可 以 看 出试 验梁达到承载力极 限 状 态 时无 粘 结 预 应 力 混 凝 土 梁中预应力钢筋的应力增量低于无粘结预应力再生 粗骨料混凝土梁中预应力钢筋的应力增量 图 @ 给出了 @ 根试验梁在荷载作用下的跨中挠 度 变 化 情 况 由 图@可 知 加 载 开 始 时 试 验 梁 跨 中 图G 试验梁跨中挠度实测值 G A 4I & A 4 U CN &-& 7 T 8
第 期 程东辉 等 无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力学性能 挠度随荷载变化呈线性增加 当荷载增加至受拉区混凝土开裂时 荷载 挠度曲线发生第 个转折 此后随着荷载增加 试验梁跨中挠度的增长有所加快 当普通纵向受拉钢筋屈服时 试验梁荷载 挠度曲线发生第 个转折 随后在荷载增加不大的情况下试验梁变形增加迅速 直至破坏 - 试验结果分析 - 平截面假定 图 给出了不同荷载 下 根试验梁跨中截面混凝土沿梁高方向应变变化曲线 由图 可以看出 各试验梁混凝土应变沿梁高方向基本符合平截面假定 - 无粘结预应力钢筋应力增量分析 图 给出了试验梁无粘结预应力钢筋应力增量随着荷载增加的应力变化情况 由图 可以看出 根试验梁的无粘结预应力钢筋应力增量曲线呈现三折线 曲线转折点分别为受拉区混凝土开裂和普通纵向受拉钢筋屈服 在受拉区混凝土开裂后 无粘结预应力钢筋应力增速有所提高 当普通纵向受力钢筋屈服后 施加的荷载主要由预应力钢筋承担 因此无粘结预应力钢筋在这一阶段的应力增速明显加大 -- 裂缝分布特点 图 为 根试验梁一侧裂缝分布及发展变化实测图 其中的数字为在该高度时的荷载等级 从图 可以看出 无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁的裂缝分布主要集中在加载点区间 裂缝间距比较均匀 破坏时受压区混凝土存有一定高度 有明显的破坏征兆 同时再生粗骨料的替换率对裂缝分布形态无明显影响. 无粘结预应力再生混凝土梁的设计方法. 正截面承载力 承载力极限状态下无粘结预应力钢筋应力增量的确定是计算试验梁承载力的关键 公式 是 混凝土结构设计规范 -8 以下简称 规范 第 条中给出的无粘结预应力钢筋应力增量的计算公式 即 < / <4 图 0 试验梁混凝土应变分布 ' 0 6& 式中 为无粘结预应力钢筋应力增量 为综合配筋指标 不宜大于 为试验梁截面高度 / 为试验梁计算跨度 4 为受拉区纵向非预应力钢筋截
建筑科学与工程学报 年 表 / 应力增量计算值与实测值 / 1 & 试验梁编号 应力增量实测值 35 应力增量计算值 35 0578 0578 0578 图 试验梁荷载 7 预应力钢筋应力增量曲线 ' 47& 66& 0578 0578 量计算公式 即 < / 式中 为无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁预应力筋极限应力增量增大系数 取 < 利用 规范 提出的无粘结预应力混凝土梁承载力计算方法并结合公式 对 根试验梁承载力进行计算并与实测值进行对比 其校核结果见表 表 0 试验梁正截面受弯承载力校核结果 0 8 &' 6 6& 试验梁编号 0578 0578 0578 0578 0578 图 2 试验梁裂缝分布 单位 8 ' 2 86&58 面面积 为试验梁截面宽度 为无粘结预应力钢筋的截面面积 为无粘结预应力钢筋合力点到截面受压边缘的距离 以公式 计算的无粘结预应力钢筋应力增量的计算值及试验过程中应力增量的实测值见表 由表 可以看出 无粘结预应力再生混凝土梁在极限状态下的预应力钢筋应力增量比普通混凝土梁中预应力钢筋应力增量提高较多 这是由于再生骨料中的缝隙较天然骨料多 从而在极限状态下无粘结预应力再生混凝土梁的变形略大 导致无粘结预应力钢筋应力增量也相应增大 考虑到与普通混凝土梁的差别仅为混凝土材料的不同 其他影响条件均相同 因此 对 根无粘结预应力再生混凝土梁在承载力极限状态下的钢筋应力增量进行拟合 建立了无粘结预应力钢筋应力增 注 分别为试验梁极限弯矩的计算值与实测值. 最大裂缝宽度 对 根无粘结预应力再生混凝土试验梁的 条裂缝间距进行统计分析 并利用公式 进行计算验证 其结果如表 所示 / < <4 式中 / 为裂缝间距 为最外层纵向受拉非预应力钢筋外边缘到混凝土受拉区边缘的距离 为受拉区纵向非预应力钢筋等效直径 为受拉区第 种纵向非预应力钢筋根数 为受拉区第 种纵向非预应力钢筋公称直径 为受拉区第 种纵向受拉非预应力钢筋相对粘结特性系数 取 < 为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉非预应力钢筋配筋率 当 时 取 < 为
第 期 程东辉 等 无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力学性能 表 试验梁平均裂缝间距计算值与实测值 1 86& 试验梁编号 0 0 00 0578 0578 0578 0578 0578 注 00 分别为试验梁平均裂缝间距的计算值与实测值 有效受拉混凝土截面面积 取 < 由表 可以看出 利用现有的计算方法计算无粘结预应力再生混凝土梁平均裂缝间距是可行的 根据 无粘结预应力混凝土结构技术规程 - 以下简称 规程 提出的计算方法 2 表 2 利用公式 计算 根试验梁加载至 后出现的最大裂缝宽度 计算结果与实测结果如表 所示 < 4 4 < 4 4< 4 式中 4 为钢筋弹性模量 为裂缝间混凝土伸长对裂缝宽度影响系数 取 < 为混凝土抗拉强度标准值 为受弯构件截面有效高度 为无粘结预应力混凝土梁正截面开裂弯矩 为裂缝间纵向受拉非预应力钢筋应变不均匀系数 当 时 取 < 试验梁最大裂缝宽度计算值与实测值 1&&8 6& 0578 0578 0578 0578 0578 注 为弯矩 为最大裂缝宽度计算值 为最大裂缝宽度实测值 由表 可以看出 现有的无粘结预应力混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算公式对无粘结预应力再生混凝土梁最大裂缝宽度的计算结果与实测结果吻合较好 再生粗骨料掺量的变化对最大裂缝宽度无明显影响.- 跨中挠度公式 分别为 规程 中提出的混凝土未开裂时的刚度计算公式和混凝土开裂时的无粘结预应力混凝土受弯构件刚度计算公式 即 混凝土未开裂 4< 混凝土开裂 < < < 式中 4 为受弯构件短期刚度 为混凝土弹性模量 为试验梁截面换算惯性矩 当 时 取 < 为无粘结预应力筋配筋指标与综合配筋 指标的比值 < 为无粘结预应力钢 4 筋与混凝土弹性模量的比值 为试验梁纵向受拉 钢筋配筋率 < 4 为受拉翼缘截面面积与 腹板有效面积的比值 为试验梁翼缘宽度 为 / 型截面受弯构件翼缘高度 利用公式 和公式 对 根试验梁的跨中挠度进行计算 计算值与实测值如图 所示 由图 可以看出 利用 规程 中提出的无粘结预应力混凝土受弯构件刚度计算公式对无粘结预应力再生混凝土梁的挠度进行计算 计算值略大于实测值 符合安全性要求 再生粗骨料掺量的变化对试验梁刚度影响不明显 / 结语 无粘结预应力再生混凝土梁受力过程经历了弹性工作阶段 混凝土开裂阶段 破坏阶段 控制截面基本符合平截面假定 破坏时普通纵向受拉钢筋先屈服 受压区混凝土被压碎 无粘结预应力钢筋未达到受拉屈服强度 再生粗骨料的替换率对破坏形态没有显著影响 基于试验数据 对承载力极限状态下无粘结
建筑科学与工程学报 年 合较好 利用 规程 中提出的计算公式对试验梁最大裂缝宽度及跨中挠度进行了计算 计算值与实测值吻合较好 参考文献 -/ 再生骨料应用技术规程 -// 7&&& 全洪珠 丁杰东 朱亚光 等 不同品质再生粗骨料对混凝土强度及耐久性影响的实验研究 中国土木工程学会 首届全国再生混凝土研究与应用学术交流会论文集 上海 同济大学出版社 E0 &B- &>0 A&& 4 54 7 4 &&&4 &42 &&5&4 4 4 747 &/& 04 544 杨 青 再生骨料的吸水率对再生混凝土物理力学性能的影响研究 杭州 浙江大学 A- E&74 54 3 54 7 2? 24 7 &&&&B >&04 水中和 潘志生 朱文琪 再生集料混凝土的微观结构特征 武汉理工大学学报 0>&5 >4&>0?3 44 7 && &? 04 /& 袁孝文 解培民 路面混凝土的再生强度和弹性模量的研究 筑路机械与施工机械化 A0 @6@ 5 4 34475 73C 43B 孙跃东 李 莹 再生混凝土应用的生态性及经济性 图 3 试验梁跨中挠度试验值与计算值对比 ' 3 &1 76& 预应力钢筋应力增量的计算公式进行修正 并对试验梁承载力进行验证 结果表明 计算值与实测值吻 研究 山东科技大学学报 自然科学版 0 A&1A&74 & 47 & 04 /&
第 期 程东辉 等 无粘结预应力再生粗骨料混凝土梁力学性能 瞿尔仁 杨木旺 叶桂花 等 再生混凝土技术及其应用 合肥工业大学学报 自然科学版 E0 A- 36&A - ; 7 04 /& 樊禹江 王社良 于 洋 等 性能增强再生混凝土梁受弯性能试验研究 实验力学 A&?- &A0 A& 5 5 7 84 34 / 7307 ;- A 544204&57 74 34 吴 瑾 丁东方 杨 曦 再生混凝土梁正截面开裂弯矩分析与试验研究 建筑结构?0 - &&A- @ 74 & 3 7848& ;8 3478 67 4 &&&5&4 3&8 杨桂新 吴 瑾 叶 强 再生粗骨料钢筋混凝土梁短期刚度研究 土木工程学报 A- -?0 A E& / 44 7 84 6 74 &&&4 & & 徐 明 高海平 陈忠范 高温下再生混凝土梁受剪性能试验研究 建筑结构学报 @0 3&-; & >& 74847 844 8& 4 周静海 张 薇 刘爱霞 再生粗骨料混凝土梁抗弯性能研究 沈阳建筑大学学报 自然科学版 >;0&>-?10 85 4 7 4 &&& 8&B 04 邓志恒 杨海峰 罗延明 等 再生混凝土有腹筋简支梁斜截面抗剪试验研究 工业建筑 - >&A- &10; A& 5 786?28 44 刘 超 白国良 尹 磊 等 长期荷载作用下再生混凝土梁裂缝宽度试验研究 土木与工程学报 10 8-&A 1?7&&& 8 01& 1& && 郑 丹 郭启华 无粘结预应力粗钢筋在斜拉梁桥中的应用 筑路机械与施工机械化 >- -0; E02 5444 24 8& 7 3 C 4 3B 陈云刚 再生混凝土界面强化试验的微观机理研究 混凝土 A&&34 34 74 442 && 34 > 7&&& 石建光 再生骨料对混凝土性能影响的试验研究和计算分析 上海 上海大学 &&74 44 7 &&& 5&&04