维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第１７期 ２ ０ ０ ７年６月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３３Ｎｏ．１７ Ｊｕｎ．２００７ ・７７・ 文章编号：１００９—６８２５（２００７）１７—００７７—０２ 预应力粉煤灰高性能混凝土梁疲劳性能研究 龚雪芬 摘要：研究了粉煤灰高性能混凝土梁在重复荷载作用下的力学性能，并探讨了粉煤灰掺量（０％～４０％）、混凝土标号 （Ｃ５０－－Ｃ８０）及养护条件等因素对预应力粉煤灰高性能混凝土梁力学性能的影响，在此基础上进行了预应力粉煤灰高性 能混凝土梁的实桥测试，为粉煤灰高性能混凝土在铁路桥梁上的应用及设计参数的选取提供了依据。 关键词：预应力粉煤灰高性能混凝土梁，疲劳性能，模型试验，实桥测试 中图分类号：ＴＵ２２３ 文献标识码：Ａ 粉煤灰高性能混凝土（ＵＦＡ－ＨＰＣ）是在普通混凝土中掺加一 ２．１．２ 粉煤灰掺量对梁体位移的影响 定数量的活性掺合料（粉煤灰）和高性能外加剂，从而获得的一种 当粉煤灰掺量在０％～２５％范围内时，粉煤灰混凝土梁在疲 高强、高耐久性的新型混凝土。粉煤灰高性能混凝土的强度较普 劳加载后的跨中位移均稍小于相同荷载作用下普通混凝土梁的 通混凝土高，而且具有更好的和易性、工作性及耐久性，这些特征 位移值，粉煤灰的掺入使混凝土梁的挠曲变形有所减小，但减小 正是桥梁结构所期望的。近年来建成的一些公路桥梁中多采用 的幅度不大，说明粉煤灰掺量的提高不能显著提高混凝土梁的整 高性能混凝土，如上海杨浦大桥、武汉长江二桥等，但铁路桥梁工 体抗弯刚度，减小梁体挠曲变形。 程建设中仍然较少使用粉煤灰高性能混凝土。 为了探讨预应力粉煤灰高性能混凝土铁路桥梁在静载及重 ２．１．３ 混凝土标号对粉煤灰混凝土梁位移的影响 当粉煤灰掺量为２５％时，不同混凝土标号的粉煤灰混凝土梁 复荷载作用下的性能，文中进行了预应力粉煤灰高性能混凝土模 的跨中位移值几乎没有差别，在相同荷载作用下，各梁跨中的位 型梁疲劳性能试验研究，同时，为了验证模型梁试验的可靠性，还 移值非常接近，说明粉煤灰混凝土梁的挠曲变形对混凝土的强度 进行了预应力粉煤灰高性能混凝土梁的实桥测试，为粉煤灰混凝 等级不敏感，高标号粉煤灰混凝土梁虽然局部强度较高，但其整 土在铁路桥梁工程中的应用和推广提供了技术支持。 体抗弯刚度却没有明显提高。 １模型梁试验概况 １．１试验模型 ２．１．４ 养护条件对粉煤灰混凝土梁位移的影响 蒸汽养护提高了粉煤灰？昆凝土的早期强度，但同时也大大降 蒸汽养护条件下的粉煤灰 本试验探讨了粉煤灰（ＵＦＡ）掺量（０％～４０％）、混凝土标号 低了粉煤灰混凝土梁的整体抗弯刚度，挠曲变形明显增大。 （Ｃ５０－－Ｃ８０）及养护条件（标准养护和蒸汽养护）等因素对混凝土 混凝土梁的位移值明显偏大，桥梁结构受力行为的影响，包括预应力粉煤灰高性能混凝土梁的 ２．１．５各梁活载作用下的挠度 疲劳性能。模型梁共分为９组，每组２根，２根梁同时灌注，各梁 活载作用下，各梁跨中最大挠度的实测值与理论值差别不 个别梁的挠度实测值与理论值相差较大，是由试验误差引起 的几何尺寸均相同。模型梁按相似原理模拟３２ ｍ铁路预应力混 大，粉煤灰掺量为２５％的梁跨中实测活载挠度最大 凝土简支梁，几何尺寸采用１：５比例缩尺，其总长度为６．５２ ｍ，截 的。疲劳加载后，面为Ｔ形截面。 值与跨度之比 ＜［ ］，能够满足铁路《桥规》要求。 １．２试验材料 本试验所采用的复合超细粉煤灰（ＵＦＡＩ），均满足《超细粉煤 灰矿物外加剂的技术要求》。粉煤灰混凝土的诸多力学性能指标 均不低于普通混凝土。当粉煤灰掺量小于３０％时，随着粉煤灰掺 量的增加，混凝土的强度提高较大，但弹性模量变化不大，ＵＦＡ的 适宜掺量为２０％～３０％；当混凝土强度等级提高时，其弹性模量 改变不大。 ２．２梁体应变结果及分析 ２．２．１ 疲劳加载后梁体应变 普通混凝土梁和粉煤灰混凝土梁（Ｃ５０—２５）跨中截面下缘的 荷载一应变关系曲线。各梁在不同疲劳次数加载后均没有出现裂 纹，都还处于弹性变形阶段，因而惯性矩 不变。各梁的荷载一应 变曲线的斜率基本保持不变，从而梁体材料的弹性模量在疲劳试 ２疲劳试验结果及分析 验中基本没有改变，粉煤灰混凝土梁的受力性能不随疲劳次数的 增加而改变。各梁在疲劳加载２００万次后，荷载一应变关系均还 ２．１ 梁体位移结果及分析 ２．１．１疲劳加载后梁体位移 保持良好的线性关系，各梁均还处于弹性变形阶段，粉煤灰混凝 土梁的疲劳受力性能稳定。 同一梁体在相同荷载作用下，跨中位移并没有随疲劳次数的 ２．２．２ 粉煤灰掺量对梁体应变的影响 增加而增大，说明疲劳次数对所有梁体的整体抗弯刚度几乎没有 当粉煤灰掺量低于４０％时，粉煤灰混凝土梁在疲劳加载２００ 影响，梁体的刚度在疲劳试验中基本不变，各梁体的挠曲变形稳 万次后，梁体跨中截面上、下缘的应变值均稍小于相同荷载作用 定。各梁在疲劳加载２００万次后，跨中挠度与荷载仍呈线性关 下普通混凝土梁的应变值。由于梁体均处于弹性变形阶段，在相 粉煤灰混凝土梁的应变值偏小，其材料的弹性模 系，并且各梁均没有出现裂缝，处于弹性阶段。标准养护下的粉 同荷载作用下，煤灰混凝土梁与普通混凝土梁的位移值差别不大，两者的挠曲变 量则偏大，说明粉煤灰混凝土梁的受力性能较普通混凝土梁更好 些。粉煤灰混凝土梁的应变值与普通混凝土梁的应变值差别并 形比较相似，均满足刚度要求。 收稿日期：２００７—０３—２３ 作者简介：龚雪芬（１９７９一），女，硕士，助理工程师，广州市地下铁道设计研究院，广东广州５１００１０ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・７８・ ．７Ｑ． 第３２ ０ ３卷錾１０ ７ ６年７皙 月 １－／－／ 西 建 筑２ Ｐ作用下，梁体均没有开裂。掺入粉煤 不显著，所以粉煤灰掺量的增加并不能大幅度提高混凝土的弹性 规范及设计要求。在１．模量，对梁体的受力性能没有显著影响。这和材料的力学性能得 灰的预应力混凝土桥梁与没有掺入粉煤灰的预应力混凝土桥梁 相比，静载试验中检测的力学性能没有明显区别。实桥测试的结 出的结论是一致的。 ２．２．３ 混凝土标号对粉煤灰混凝土梁应变的影响 果与模型梁的测试结果接近，同时也验证了模型梁试验的可靠性。 混凝土标号对粉煤灰混凝土梁的受力性能基本没有影响。 ４结语 使用高标号粉煤灰混凝土并不能明显提高材料的弹性模量，进而 １）梁体经过２００万次疲劳试验，预应力粉煤灰高性能混凝土 基本不能提高梁体的受力性能，在材料的力学性能表中也可得到 梁和预应力普通混凝土梁均没有开裂，处于正常工作状态，受力 同样的结论。 ２．２．４ 养护条件对粉煤灰混凝土梁应变的影响 性能良好，疲劳性能稳定。证明按现有的规范进行结构设计，在 合理的应力幅值范围内，现有的预应力混凝土技术可以用于粉煤 蒸汽养护下的粉煤灰混凝土梁在疲劳加载２００万次后，梁体 灰高性能混凝土预应力结构体系。２）在正常荷载作用下，疲劳 跨中截面的下缘应变值明显大于标准养护条件下的粉煤灰混凝 ２００万次后，粉煤灰高性能混凝土梁的挠度与荷载呈良好的线性 土梁的应变值，蒸汽养护降低了粉煤灰混凝土梁的受力性能，所 关系，疲劳加载对挠度影响很小，梁体抗弯刚度基本不变，挠曲变 以粉煤灰混凝土是否适宜采用蒸汽养护应用于铁路桥梁中还有 形稳定，能够满足铁路桥梁在重复荷载作用下的刚度要求；跨中 待探讨。 截面应变随荷载的增加线性增大，梁体处于弹性阶段，疲劳加载 ２．３梁体基频结果及分析 对跨中截面上、下缘应变的影响也很小，粉煤灰高性能混凝土梁 在正常荷载作用下，模型梁的基频计算值为２４．４ ｔ－Ｉｚ，各梁体 的疲劳受力性能良好。３）在正常荷载作用下，粉煤灰高性能混凝 疲劳试验基频实测值与理论计算值比较接近。同一梁体的第一 土梁的第一阶频率在疲劳２００万次范围以内基本保持不变，动力 说明梁体的刚度基本不变，与由位移、应力得出的规律 阶频率在疲劳２００万次范围以内基本保持不变，说明疲劳次数对 特性稳定，混凝土梁的动力特性没有影响，梁体的刚度基本不变，与由梁体 相同。４）梁体没有出现裂纹，由实测梁体的挠度、应力和基频能 疲劳试验中各梁的弹性 位移得出的规律相同。标准养护下的粉煤灰混凝土梁在不同次 够反算出混凝土的弹性模量，可以得出，数疲劳加载后的基频基本保持在２２ Ｈｚ～２６ ｔ－Ｉｚ范围内，与理论值 模量差别不大，粉煤灰的掺入对混凝土弹性模量的影响不大，与 相差不大，并且均高于普通混凝土梁的基频实测值，这说明标准 材料的力学性能结果一致。因此，粉煤灰混凝土的疲劳性能是能 养护条件下的粉煤灰混凝土梁的动力特性稳定，其刚度相对普通 够满足铁路桥梁活载作用的。５）由梁体的位移、应变及基频的结 混凝土梁有所提高，都能满足铁路桥梁的要求。但蒸养粉煤灰混 果表明，当粉煤灰掺量在２５％范围内时，预应力粉煤灰高性能混 凝土梁的基频明显偏低，说明蒸汽养护条件下的粉煤灰高性能混 凝土梁的疲劳受力性能相对普通混凝土梁有所提高，但提高并不 显著，粉煤灰高性能混凝土可以取代普通混凝土应用于铁路桥梁 凝土梁的刚度明显降低了。 ３实桥测试 ３．１ 实桥试验 实桥测试的对象是我国新建铁路上采用了预应力ＵＦＡ－Ｈｔ￣ 上。混凝土标号对粉煤灰高性能混凝土梁的疲劳受力性能影响 很小。蒸汽养护条件下的粉煤灰混凝土的受力性能明显较差。 本试验验证了对于掺入粉煤灰的混凝土，用于３２ ｍ铁路预 应力简支梁是可行的。用普通混凝土理论计算的挠度、应力、频 率值与实测值基本吻合，说明在疲劳加载试验中，预应力粉煤灰 混凝土简支梁与预应力普通混凝土简支梁的力学性能基本相同。 由于粉煤灰混凝土具有良好的环保性和经济效益，其在桥梁工程 中的应用将有广阔的前景。根据目前的研究与应用结果，预计将 成为２１世纪中国铁路桥梁建设的优选工程材料。 参考文献： 简支梁试用桥，粉煤灰掺量为２５％，Ｃ５０混凝土，即对应于编号为 Ｃ５０—２５的模型梁，同时还进行了与普通混凝土梁的对比试验。试 验采用五点加载，加载力对称布置于梁体纵向中心线，间距４ ｍ，设 计荷载加载力Ｐ＝５２８．４ Ｉ【Ｎ。 ３．２材料参数及材料性能 粉煤灰混凝土梁和普通混凝土梁的制造和试验条件相同，只 是配合比不同。粉煤灰混凝土的配合比为１：０．３３：１．７６：３．２８（水： 粉煤灰：砂；碎石），普通混凝土的配合比为１：１．３６：２．４８（混凝土： 砂：碎石）。试验数据表明，粉煤灰混凝土３ ｄ强度平均值为 ２６．４ ＭＰａ，低于普通梁的３１ ＭＰａ，粉煤灰混凝土１４ ｄ强度平均值 为５４．１５ ＭＰａ，基本与普通混凝土强度５４．９ ＭＰａ持平，说明粉煤 灰混凝土的早期强度增长较慢，后期强度增长较快。 ［１］沈旦申．粉煤灰混凝土［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８９． ［２］钱觉时．粉煤灰特性与粉煤灰混凝土［Ｍ］．北京：科学出版社， ２００２． ［３］喀楚林．铁路桥梁试验［Ｍ］．北京：人民铁道出版社，１９５５． ［４］高根德．浅析粉煤灰混凝土在桥梁工程中的应用［Ｊ］、山西交 通科技．２００２（２）：５１—５９． ３．３ 实梁测试的结果及分析 粉煤灰混凝土梁与普通混凝土梁相比较，结果基本相同。活 ［５］李法东，孙涛．粉煤灰在公路桥梁中的应用［Ｊ］．混凝土与混 凝土制品，２００３（３）：３０—３１． 载作用下，跨中挠度为ｌ６．５ ｌ／－ｌ／ｎ－，梁体的挠跨比为１／１ ９３９，满足 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ｈｉｇｈ－ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｌｅ ｔｉｒｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ＧＯＮＧ Ｘｕｅ－ｆｅｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｌｅ ｕｎｄｅｒ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｏａｄ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ａｍｏｕｎｔ，ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔＯ ｓｔｒｅｓｓ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ｈｉｇｈ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｌｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ｉｔ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｏｗｄｅｒｅｐｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ｈｉｇｈ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｏｎｃｒｅｔｅ ｃｐｉｌｅ，ａｎｄ ｏｆｆｅｒｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ｈｉｇｈ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｏｎ ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｓｓ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ｃｏａｌ ａｓｈ ｈｉｇｈ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｌｅ，ｔｉｒｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ，ａｃｔｕａｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｅｓｔ
