(精品)土木工程材料力学精品 滠水一桥总结报告(2013年优秀毕业设计)

滠水一桥总结报告1 工程概况滠水一桥主桥采用变截面预应力混凝土连续刚构，桥跨布置为30+50+50+30160m，采用R=5000米的竖曲线。城关侧一桥为（3+4+4）20m预应力混凝土先简支后结构连续空心板140m预应力混凝土简支T梁330m预应力混凝土先简支后结构连续T梁，鲁台侧引桥为330m预应力混凝土先简支后结构连续T梁，总长600m。跨河段：0.25m（栏杆）+2.25m（人行道）+19m（行车道）+2.25m（人行道）+0.25m（栏杆），全宽24m；城关引桥段：0.5m（栏杆）+19m（行车道）+0.5m（栏杆），全宽20m。（照片）2 先简支后连续梁桥国内外发展状况及优缺点2.1 先简支后连续梁桥国内外发展状况为了解决城市桥梁建设速度问题，并保证其良好的力学性能，出现了“先简支后连续”施工法，由此形成先简支后连续梁桥结构体系。国内约在20世纪80年代开始建造该类结构体系桥梁，90年代以后广为采用56。国外具有代表性的先简支后连续梁桥是美国的内布拉斯加州林肯市第十街的人行天桥及第V号街天桥。国内外对这种桥梁结构体系的理论、试验研究有以下几个阶段710：20世纪60年代的研究以波特兰混凝土协会(简称PCA)为代表。他们对预制梁通过现浇桥面板和连续横隔板连续的方法进行了研究，并考虑不同的钢筋连接方式。20世纪70年代，哥伦比亚大学研究了将钢绞线延伸到连接横隔板内部以形成正弯矩连接的可行性, 并进行了三种钢绞线配置的足尺模型试验。20世纪80年代，美国施工技术试验室(简称为CTL)对此类先简支后连续梁桥进行了分析研究，并开发了程序(BridgeRM)以预测与时间相关的限制矩。20世纪90年代早期，美国学者Rabbad和Aswad回顾了在田纳西州和其它地方采用的连续横隔板的一些标准细节(在PCA法的基础上发展而来)。AlanR.Phipps和Q.DSpruilJr.(1990年)强调了后连续施工方法的特点。胡崇武(1992年)在综合考虑先简支后连续结构体系特点的基础上，以5跨30m预应力混凝土T形梁的实际设计计算为例进行了探讨。20世纪90年代中期，美国印第安纳州交通部在普渡大学发起了一项研究，以评定预制预应力混凝土桥的限制矩，并进行了6座两跨连续梁桥的试验。MaherK.Tadros(1995年)介绍了美国的NU型后连续新技术；刘中林等(1996年)初步分析了混凝土的收缩徐变以及温度在先简支后连续结构体系上引起的次内力。90年代后期，英国的Clark和Sugie等人研究了预制梁的正、负弯矩连接。Robert J.Peterman和Julio A.Ramirez(1998年)分析研究了全高度预应力混凝土板的强度和特性后，提出了全高度预制预应力混凝土板桥由于混凝土的收缩徐变而产生的附加弯矩的计算方法。国内在20世纪90年代出现了许多原型桥工程，引起了许多学者的研究兴趣。福州大学率先进行了室内模型梁试验，详细分析了先简支后连续结构体系的受力性能。曹俊伟、谢琪等(1997年2000年)对国内几个主要的原型桥工程进行了详细的介绍，探讨了它们的设计特色、工艺特点、连接方式以及施工中的重要问题等，为先简支后连续结构体系的推广应用提供了一定的理论及实践依据。2000年以后，A.R.Mari和J.Montaner(2000年)详细探讨了一种新型的预制混凝土连续箱梁桥，该种典型的桥梁包括“U”形截面的预制预应力混凝土梁和通过端部横隔板实现混凝士桥面板后连续的预应力连接，现浇的上部预应力混凝土板提供了桥梁的纵向连续并和侧板一起组成了箱形截面。S.I.M.R.Lopes和J.Harrop(2001年)进行了6根两跨连续预应力组合梁的试验研究，分析了中支座处截面的弯矩和转角的关系。Hyo-Gyoung Kwak、Young-Jae Seo(2002年)研究分析了预制预应力混凝土先简支后连续梁在中支座处由于混凝土的收缩引起的开裂控制问题。以上几个阶段的研究大都从先简支后连续结构体系的受力性能和施工方法、工艺角度进行的。对接缝材料的研究少有相关研究报道，现有资料显示：湿接缝采用高强微膨胀混凝土浇注1113。还有一些试验研究结合实际工程1417，利用合成纤维在混凝土中的增韧阻裂、提高混凝土的抗冲击、抗渗、抗冻性能，把聚丙烯、聚丙烯腈等合成纤维混凝土运用在桥面的铺装层和伸缩缝处。而武汉理工大学交通工程研究所在纤维混凝土和混杂纤维混凝土材料领域进行过许多试验研究和有限元模拟工作1829。主要从如下几方面进行了分析研究：层布式钢纤维、混杂纤维混凝土的基本力学性能的研究；层布式钢纤维、混杂纤维混凝土抗折强度的研究；层布式钢纤维、混杂纤维混凝土的抗疲劳特性及疲劳方程；层布式钢纤维、混杂纤维混凝土渗透性及孔隙率的试验研究等。这些研究成果对本项目实施提供了较好的研究基础。2.2 先简支后连续梁桥的优缺点滠水一桥引桥部分采用先简支后连续梁桥结构形式，简支梁桥属于单孔静定结构，构造简单，施工方便，其结构尺寸易于设计成系列化和标准化，有利于在制梁厂大规模工业化预制生产，并可用现代化的起重设备进行安装。采用装配式的施工方法可以大量节约成本，降低劳动强度，缩短工期，加快桥梁建设速度。然而简支梁桥也存在很大缺点：从运营条件来说，简支梁桥在梁衔接处的挠曲线会发生不利于行车的折点（一般简支梁在梁衔接处设置成伸缩缝或采用桥面连续），伸缩缝造价较高，易受破坏，行车不舒适；桥面连续容易破坏，已建工程中简支梁上桥面连续出现破坏的屡见不鲜。另外，简支梁跨中弯矩较大，致使梁的截面尺寸和自重显著增加，需要耗用材料多。连续梁桥同简支梁桥相比较而言，其特点差别很大。其结构较复杂，且从桥梁建筑现代化的角度来衡量，钢筋混凝土连续梁桥逊色于简支梁桥，因为当跨径较大时，长而重的构件不利于预制安装施工，而往往要在工费昂贵的支架上现浇，需要的工期长。但是连续梁桥无断点，行车舒适，且由于支点负弯矩的存在，使跨中正弯矩值明显减少，从而减少材料用量及结构自重，这些特点是简支梁桥所无法比拟的。先简支后连续梁桥刚好发挥了上述两种梁桥的优点，克服了它们的缺点。其施工特点是先按简支梁规模化施工，后用湿接缝把相临跨的梁块连接成连续梁，从而得到连续梁优越的使用效果。因此，随着城市高架桥梁建设的发展，先简支后连续结构体系在20世纪80年代迅速兴起，并很快得到了广泛的应用。但在长期的工程实践中人们注意到：先简支后连续梁桥在施工过程中，在整体桥面板浇注后往往出现沿预制T梁翼板接缝的混凝土纵向裂纹；梁端部接缝设置较多的预应力钢筋，当没有汽车荷载作用时，结构仍然处于高压应力状态，结构的反拱度较大，混凝土的徐变影响也较严重，而且徐变变形还将加剧结构的反拱；桥梁在运营阶段长期受到反复活载作用，由于活载所占比例较大，带有湿接缝的先简支后连续梁结构中最薄弱部位往往存在于湿接缝断面。尽管在湿接缝处采取加设预应力钢筋、后浇高强微膨胀混凝土，但工程实践显示：重复加载能明显降低梁体刚度，并使梁体混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的应变增大；重复荷载降低了湿接缝的抗裂强度，常常出现沿纵向接缝的裂纹和墩头接缝处的反拱1。针对湿接缝在整个先简支后连续结构体系中存在的实际问题，本项目提出采用高强混杂纤维增强混凝土作为接缝材料，利用其高抗弯拉、高韧性、高抗渗与高耐久性等特性24，改善湿接缝处的受力性能，预防病害的发生。项目研究成果将直接应用于先简支后连续结构体系，可以改善桥梁耐久性，减少后期维护费用，增加桥梁使用寿命。并可为国内其他地区同类城市桥梁建设提供实践经验和技术保证。为了满足先简支后连续梁桥湿接缝处复杂力学性能要求，需在湿接缝处浇注高强混杂纤维混凝土，通过进行混杂纤维混凝土和素混凝土多种力学性能（韧性试验、弯拉试验、疲劳试验）的试验研究定量的分析混杂纤维混凝土在力学性能方面的优势，通过调整混杂纤维混凝土配合比以满足施工现场的泵送要求。3 高强混杂纤维混凝土配制及试验研究3.1 泵送混杂纤维混凝土配合比调整 现场的混凝土以泵送方式浇注，在混凝土中加入钢纤维和聚丙烯纤维后会在一定程度上降低混凝土的流动性从而会影响泵送效果，为了能满足泵送要求，需要调整配合比，经过五次调整得到最终的配合比，整个调整过程如下，其中五次配合比数据见表配合比组数P42.5水泥（kg）一级粉煤灰（kg）巴河 中砂（kg）石（kg）贝卡尔特钢纤维（kg）杜拉纤维（kg）外加剂-西卡水（kg）1430507971008551.01.3%1542430507221083551.01.4%1543430507221083501.01.1%1584430506861119501.01.1%1585430706741100501.01.1%165第1组配合比：砂率较高达44%，外加剂参量为1.3%，水胶比为0.32，初始坍落度很小，为56cm，不满足混凝土泵送施工要求。第2组配合比：调整砂率至40%，水胶比为0.32。考虑其双参纤维要求，增加外加剂参量至1.4%，发现新拌混杂纤维混凝土粘性大，工作性能无明显改善。第3组配合比：考虑外加剂参量太高会使新拌混杂纤维混凝土粘性更大，不适于泵送，所以建议外加剂参量不高于胶凝材料用量的1.1%（质量比）。同时把钢纤维参量降低5kg，把用水量增加4kg，水胶比增为0.33，发现新拌混杂纤维混凝土初始坍落度为16cm，2小时后的坍落度为10cm，坍损较大。而现场施工要求混杂纤维混凝土在2小时之内的坍损不超过3cm。此调整不能达到预期目标。第4组配合比：调整砂率至38%，其他参数和第三组配合比相同，得到新拌纤维混凝土工作性能与第三组配合比差别不大。第5组配合比：考虑到纤维参量不能过低，所以保持纤维参量不变，砂率保持为38%，减水剂参量为1.1%，适当提高胶凝材料用量，增加20kg粉煤灰，保持水胶比0.33不变进行试拌，发现纤维混凝土粘性大大降低，初始坍落度为19cm，2小时后坍落度仍能保持为17.5cm，坍损为1.5cm，完全满足泵送要求。 综合考虑采用第五组配合比进行施工，在现场施工中随机取样测得新拌混杂纤维混凝土初始坍落度为21cm，2小时后坍落度仍能保持为20cn，坍损为1cm，完全满足泵送要求，现场施工效果良好，达到预期目标。3.2 韧性试验研究在湿接缝浇注之前，通过对钢-聚丙烯混杂纤维混凝土、钢纤维混凝土和苏混凝土进行韧性试验研究，定量的分析三种类型的混凝土韧性性能之间的差异，此次试验配合比是通过查阅大量资料总结确定的。3.1.1 纤维材料特性 表1 纤维材料特性纤维类型密 度（g/cm3）抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）长 度（mm）长径比直 径贝卡尔特钢纤维7.810002203564 0.55mm杜拉纤维0.912763.7931930um3.1.2 混凝土配合比水泥：P.O42.5级普通硅酸盐水泥；砂：中砂，细度模数在2.4-3.0 范围内，级配良好；石子：级配良好，粒径为8-20mm；粉煤灰：一级；减水剂：花王牌；水：自来水；钢纤维：贝卡尔特钢纤维；聚丙烯：美国杜拉纤维。 表2 不同类型混凝土配合比试件类型水 泥（kg）粉煤灰（kg）硅 灰（kg）石 头（kg） 砂（kg） 水（kg）减水剂钢纤维体积掺量%聚丙烯纤维质量掺量kg/m3C40740.7222.6112435851750.0900SFC40740.7222.6112435851750.090.80HFC40740.7222.6112435851750.090.81.0注：水灰比为0.34，砂率38.3%。混凝土强度等级为C50。C,SFC,HFC分别表示素混凝土，钢纤维混凝土，钢-聚丙烯混杂纤维混凝土。3.1.3 试件制作过程及尺寸试件分为三组，每组三个试件，分别为素混凝土，钢纤维混凝土和钢纤维-聚丙烯混杂纤维混凝土，用C,SFC,HFC表示。采用强制式混凝土搅拌机搅拌，高频振动台振实成型，每组试件配料一次。为使纤维能充分散于混凝土中，在搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的黄砂，杜拉纤维全部，干拌1min 左右，再投入1/3水泥全部，砂子盖在水泥上，干拌1min，再加水全部，搅拌2min左右。 搅拌均匀的拌和物置入钢模，经振动后抹平顶面，成型24h后脱模；标准养护28d后进行力学性能测试。抗压试件尺寸为150mm150mm150mm，抗弯韧性试件尺寸为100mm100mm400mm，按现行GBJ81-85规定进行试块的制作，用1m2 平台式高频振动器振动捣实试件。3.1.4 试验方法试验采用三分点加载梁进行试验，梁净跨为300mm, 实验梁如图1。试验在英国Instron公司生产的电液伺服万能疲劳试验机(Instron Model 1341)上进行，按照恒位移控制方法加载，位移速率为0. 10 mm/ min，计算机自动采集数据，得到荷载挠度全曲线。 P/2P/25010050100100P/2P/2图1试验梁示意图3.1.5 试验结果及分析3.1.5.1荷载挠度曲线 图2 荷载-挠度曲线 表3 不同类型混凝土的力学性能试件类型初裂荷载/KN初裂挠度/mm初裂抗弯强度/MPa抗压强度/MPaC24.7890.5107.43768.46SFC26.2280.6037.86374.33HFC26.1760.5557.85175.01表3中的数值是每组三个试件的平均值。从表3可以看出，纤维的掺入对混凝土的立方体抗压强度略微提高但影响较小。钢纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土初裂荷载非常接近，都略微高于素混凝土能承受的初裂荷载，说明钢纤维的加入能小幅度提高试件的初裂荷载。钢纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的初裂挠度略微高于素混凝土，说明纤维的加入能够改善试件的开裂性能，但效果不太明显，也表明纤维的加入对混凝土裂前性能影响不大。3.1.6 韧性指数评价3.1.6.1 ASTM- C-1018法 图3 ASTM C1018韧性指数计算图数据用origin软件分析，计算结果见表4 表4 不同类型混凝土抗弯韧性指数试件类型与素混凝土比值与素混凝土比值与素混凝土比值C1.00 1.001.10 1.001.10 1.00 SFC5.22 5.228.02 6.2912.4210.2936.02HFC6.22 6.229.89 7.9916.68 14.1652.30表4为素混凝土、钢纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土韧性指数计算结果，由表4可知，钢纤维混凝土的I5、I10、I30相对于素混凝土提高了422.0%、629.0%、1029.0%。钢-聚丙烯混杂纤维混凝土I5、I10、I30相对于素混凝土提高了622.0%、799.0%、1416.0%。钢-聚丙烯混杂纤维混凝土I5、I10、I30相对于钢纤维混凝土提高了19.1%、23.3%、34.2%。表明钢纤维和聚丙烯纤维的加入能够显著提高混凝土的韧性，其中钢-聚丙烯混杂纤维的加入效果更好。3.1.6.2 ASTM-C1399-98法对挠度为0.5、0.75、1.0及1.25mm处的荷载求平均值,用该平均值按照弹性理论求剩余强度ARS，结合抗弯拉强度计算相对剩余强度， 式中：剩余强度； 相对剩余强度； 试件的抗弯拉强度； 跨中挠度为n mm时对应的荷载值；，b，h 分别为梁的跨度，截面宽度，截面高度。数据用origin软件分析，计算结果见表5 表5 剩余强度及韧性指标计算结果试件类型ARS/MPaffe，m/MPaRIS大小 %比值C0.437.435.881SFC4.077.8651.888.82HFC4.257.8554.139.20表5为素混凝土、钢纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土剩余强度和韧性指标的计算结果。由表5可知钢纤维混凝土的剩余强度相对于素混凝土提高了833.0%，钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的剩余强度相对于素混凝土提高了872.0%。钢纤维混凝土韧性指标RIS相对于素混凝土提高了882.0%，钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的韧性指标RIS相对于素混凝土提高了920.0%。钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的韧性指标RIS相对于钢纤维混凝土提高了4.3%。说明钢纤维和聚丙烯纤维的加入能够改善混凝土的韧性性能，钢-聚丙烯混杂纤维的加入效果更佳。3.1.6.3 PCSm(post-crack strength)法图4 PCSm韧性指标计算图 式中： 峰值荷载后荷载-挠度曲线下面积；梁的跨度；峰值荷载对应的挠度值；梁截面的宽；梁截面的高；梁的挠度。数据用origin软件分析，计算结果见表6 表6 PCSm韧性指标计算结果试件类型PCS300/MPa比值PCS200/MPa比值PCS100/MPa比值PCS50/MPa比值C1.0501.000.1921.000.0771.000.0351.00SFC7.4187.0646.56534.1924.82562.6623.06287.485HFC7.8677.4926.76835.255.49671.3763.721106.314表6为素混凝土、钢纤维混凝土和钢聚丙烯混杂纤维混凝土用PCSm法分韧性指标的计算结果，从表6可知钢纤维混凝土的PCS300、PCS200、PCS100、PCS50相对于素混凝土提高了7.01倍、34.19倍、62.66倍、87.48倍。钢聚丙烯混杂纤维混凝土PCS300、PCS200、PCS100、PCS50相对于素混凝土提高了7.49%倍、3525.0%倍、7137.0%倍、10631.0%倍。说明钢纤维和聚丙烯纤维的加入能够改善混凝土的韧性性能，钢-聚丙烯混杂纤维的加入效果更明显。与ASTM-C1018方法相比, PCSm(post-crack strength)法不依赖于初裂挠度，从而减少了由于初裂挠度判断困难引进的人为误差；该韧性指标用L/m为变量对峰值荷载以后各个挠度变化阶段的韧性进行分析,使韧性的测量更加准确。相对于ASTM-C1018方法，ASTM-C1399-98依据的是剩余强度，由于纤维对混凝土峰值应力以前的贡献或影响较小，但对峰值后混凝土的变形软化性能影响大，则剩余强度可以较好地反映纤维对混凝土的阻裂增韧性能。并且得到的韧性指标为剩余强度，与目前结构设计规范中普遍采用的强度指标的方法相互衔接，在峰值荷载后，剩余承载力的提高是纤维增韧性能的充分体现。3.1.6.4 变形性能 图5 素混凝土荷载-挠度曲线 图6钢纤维混凝土荷载-挠度曲线 图7混杂纤维混凝土荷载-挠度曲线纤维能够改善混凝土的变形能力，图5至图7分别是素混凝土，钢纤维混凝土和钢纤维聚丙烯混杂纤维混凝土的荷载-挠度曲线，从图6可以看出素混凝土属于脆性破坏，断裂面基本呈一字型，断口较整齐。从图7可以看出钢纤维混凝土则表现出极好的韧性，表现出延性破坏，破坏缝隙由中间向四周逐步开展，呈放射状分布，并以某几条长而宽的主裂隙为主，且裂而不开；因为钢纤维横跨裂缝，阻止了裂缝的进一步扩张，引起了受拉区的应力重分布，使受拉区应力分布更加均匀，导致次裂缝在附近产生和发展，荷载-挠度曲线就出现了二次峰值。吸收破坏冲击能量的能力极强。从图8可以看出混杂纤维混凝土和钢纤维混凝土的开裂挠度和开裂位移非常接近，但钢纤维-聚丙烯混杂纤维混凝土的下降段要比钢纤维混凝土下降段缓和，因为聚丙烯是低弹模纤维，可以缓解微裂缝的应力集中，延缓微裂缝贯通形成宏观裂缝的时间，其吸收破坏冲击能量的能力更强。3.3 立方体抗压强度试验2.3.1 抗压试验根据混凝土结构设计规范GB 500102002，以边长为150mm150 mm150 mm的立方体试块在温度203，相对湿度在90以上的空气中养护28天 ，用标准试验方法测得的具有95以上保证率的抗压强度（N/mm2），称为混凝土立方体抗压强度。试验结果见表2-4。2.3.1.1 试验方法试件从养护室取出后先将试件表面和试验机上下承压板面清理干净，将试件安放在试验机的下压板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直，试件的中心与试验机的中心对准，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。所有试件均以11.25kN/s18 kN/s的加荷速度均匀加载，试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机进油阀，直至破坏，并记录破坏荷载。立方体抗压试验图见图2-3。2.3.1.2 试验结果与分析混凝土立方体试件抗压强度计算式如下： （2-1）式中：混凝土立方体抗压强度；F极限荷载；A受压面积。取3个受压试件测得结果的算术平均值为测定值，计算精确至0.01MPa。3个测值中的最大值或最小值中如有1个与中间值之差超过中间值的15%，则取中间值为测定值，如最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的15%，则该组试验结果无效。 表 2-4 立方体抗压强度试件类型立方体抗压强度（MPa）123fcu,k素混凝土52.8950.4853.1252.16混杂纤维混凝土54.8757.2552.8654.99由上表可知混杂纤维混凝土的立方体抗压强度比素混凝土略高，平均立方体抗压强度提高了5.4%，但从钢-聚丙烯混杂纤维混凝土抗压试件的破坏形态来看，相对于素混凝土，钢-聚丙烯混杂纤维混凝土试件受压破坏时没有明显的碎块或崩落，只是出现了裂缝和脱皮。说明受压韧性大幅度提高，混凝土脆性破坏转变为延性破坏。 图2-3 立方体抗压试验图综上所述，表明混杂纤维的加入对混凝土立方体抗压强度的增强效果不显著，但可以改善破坏形态。3.4 弯拉强度试验为了使试验结果有一定的工程指导意义，本试验配合比保持和现场配合比一致，试件尺寸为100x100x400mm。3.1.1 试验方法本次试验养护期为28天，从养护地点取出试件，擦净后检查外观不得有明显缺损，在跨中1/3受拉区内不得有直径大于7mm,深度大于2mm的表面孔洞。将试件成型时的侧面作为承压面，试件安放到试验机上，放稳对中后开动试验机，当压头与试件接近时，调整压头和支座使接触均衡，若接触不良处应予垫平。然后对试件连续均匀加荷，本试验混凝土等级为C50超过了C30,加荷速度应选取0.05MPa/s0.08MPa/s。当试件临近破坏变形速度增快时应停止调整试验机油门直至破坏记录最大荷载，精确至0.01MPa。分别对素混凝土和混杂纤维混凝土试件进行一组弯拉试验，混凝土的抗折最大荷载见表2-5和表2-6。3.1.2 弯拉强度计算弯拉强度按下式计算：， （2-2）式中： 弯拉强度（MPa） 最大荷载（N）支座间距(mm)试件截面宽度（mm）试件截面高度(mm)由于混凝土离散型比较大，本次试验以5个试件计算结果的算术平均值作为该组试件的弯拉强度，规定5个试件中如有一个折断面位于两个集中荷载之外（以受拉区为准）则该试件的试验结果无效。混杂纤维混凝土抗折强度按另四个试件的试验结果计算，如有四个试件的折断面均位于两集中荷载之外则该组试件的试验结果无效，本试验试件尺寸为100x100x400(mm)，要在测得弯拉强度的基础上乘以系数0.82。计算结果见表25，表26。表 25 素混凝土最大抗折荷载、弯拉强度试件编号 最大荷载（kN） 弯拉强度(MPa)115.624.68215.824.74315.724.71416.194.85516.514.95平均值15.924.79 表 26 混杂纤维混凝土最大荷载、弯拉强度试件编号 最大荷载（kN） 弯拉强度(MPa)115.194.56215.284.58317.785.03417.465.24517.345.20平均值16.614.92 图2-3 最大荷载对比图 图2-4弯拉强度对比图由图2-3，2-4和表2-5，2-6可知，混杂纤维的加入使混凝土的平均抗折强度提高了7%左右，通过一些学者进行的试验研究可知，对纤维混凝土的弯拉强度产生影响的因素很多，其中包括纤维的长径比、外观形状、以及纤维的掺配率。然而，多次实验表明48.49除了以上分析的因素外，影响纤维混凝土弯拉强度的因素还有许多，主要归结为两大类：其一，基体的性状包括基体的强度、配合比、外加剂的添加情况等，其二，纤维的性状包括纤维的抗拉强度、体积掺量、长径比等。从宏观角度来说这些影响因素很复杂，组合形式不同，其增强效果的差异也很大。从细观角度来看，混凝土开裂后钢纤维横跨在裂缝两端能提供一定的拉力抑制裂缝的发展。而钢纤维最后是被拉断还是被从基体中拔出又取决于纤维的抗拉强度、外荷载以及基体与纤维的界面粘结强度，如果钢纤维与基体的粘结强度较小，在荷载的作用下钢纤维还没有达到其极限抗拉强度就被从基体中拔出。所以，以上讨论的宏观影响因素除了纤维的抗拉强度外都统一为纤维与基体的界面粘结强度，纤维与混凝土之间的粘结力主要由以下三部分组成：由于混凝土收缩将纤维握裹而产生的摩擦力、混凝土中的胶凝体与纤维表面产生的化学胶着力、纤维表面粗糙、凸凹不平与混凝土之间产生的机械咬合力。由于诸多因素的影响，加上素混凝和混杂纤维混凝土离散性大以及钢纤维无规则的杂乱分布，并且试件数量多，需要分批次搅拌，每一批混凝土所用的骨料含水量和级配不会完全一样，在搅拌的过程中会造成钢纤维的形状发生改变，此外在振动台上震捣时也会影响了钢纤维的分布情况，这些因素导致混杂纤维混凝土试件静载强度的变异性比素混凝土大。3.5 疲劳试验3.4.1 试验依据本论文试验依据纤维混凝土结构技术规程（CECS38：2004）、钢纤维混凝土试验方法（CECS13：89）、公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（302005）及公路水泥混凝土路面设计规范（JTGE402002）等现行法规规范进行试验研究。弯曲疲劳试验的试件，在标准条件下养护28天后进行试验。疲劳试验的荷载循环特征值按现行有关路面设计规范的规定取为，频率根据应力比的大小来选择，如应力水平大于等于0.8取5-7Hz，应力水平小于0.8取10-20Hz。3.4.2 试件分组试件尺寸：100mmx100mmx400mm；试验材料、纤维材料物理力学特性、试件的制备、混凝土的配合比与弯拉强度试验的试件相同。本次试验的试件分为素混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土两种类型，每种类型的试件分别在三个应力水平（0.75、0.8、0.85）进行疲劳试验，详细分组情况见表3-1 表3-1 素混凝土分组 应力水平试件数量0.750.80.85素混凝土555混杂纤维混凝土565 图3-1应变片布置图 图3-2电液伺服机instron3.4.3 弯曲疲劳试验过程整个试验采用英国Instron公司生产的电液伺服万能疲劳试验机(Instron Model 1341)，按三分点加荷，试验加载图如图3-3。P/2P/25010050100100P/2P/2图3-3试验梁示意图3.4.3.1 静载试验在做疲劳断裂试验前用静载试验确定试件的最大抗折强度，静载试验加载方式及速率采用数控方式，加载点位移由试验机自带的位移计测量，测量范围为O10mm所有数据在微机中显示保存。静载试验方法为:向微机输入试件加载荷载的单位时间变化量，测定荷载加载点位移曲线。每种试件做3-6个试件的静载试验，记录下破坏时的最大荷载及抗折强度。试件断裂位置必须在试件跨中100mm范围内，否则该试件所得数据不予采用。静载试验数据见2.3.2节。3.4.3.2 动载试验用砂布清理试件底部跨中100mm试件表面，用丙酮清洗，然后用502将应变片贴在小梁底部，根据平均弯拉荷载和应力水平确定、，将循环荷载作用于试件上，在试验过程中，用应变动态采集仪全程采集试件底部动应变，试件在及下的疲劳寿命由Instron 1341自带的数据采集系统自动采集并保存于微机内本试验分别在0.75，0.8，0.85三个应力水平下进行疲劳试验，每个应力水平下加载3-6根试件。循环荷载施加于试件跨中三分点位置。3.4.3.3 测试步骤（1）试验前一天取出试件，晾干表面，擦净后检查外观，不得有明显缺损，在跨中1/3受拉区内不得有直径大于7mm、深度大于2mm的表面孔洞，标定加载点和支撑点的位置。（2）在试件纯弯曲段的受拉区底面中部平行布置应变片(如图3-1)，用以监测受拉区混凝土应变的发展。（3）取试件成型时的侧面作为承荷面，安放在支座上，检查支座及压头位置，校准加载点和支撑点的位置，另外还要联合伺服试验机的使用方法进行。（4）试件放稳对中后开动试验机，当压头与试件接近时，调整压头和支座，使接触均衡。若压头及支座不能前后倾斜，各接触不良处应予垫平。（5）对试件连续、均匀加荷。若试件在受拉面跨度三分点以外断裂，则此试验结果无效。（6）在施加循环荷载前应先对试件进行预加荷载，使仪表工作正常，同时消除因接触不良造成的误差。然后将荷载加到上限荷Pmax，再卸荷，重复两次，稳定后即可进行疲劳试验即按正弦波形式对试件施加荷载进行交变试验。（7）循环荷载作用下的动态应变采用动态应变仪自动采集。（8）在循环荷载作用下试件不能再继续承受荷载时停止试验。3.4.4 试验结果及分析 次应变是用动态应变仪全程采集，应变片的连接如图3-4，然后根据时间对应关系描绘出曲线，如图3-5，图3-6 图3-4 应变片连接图图3-5、图3-6是通过动态应变采集仪测得的素混凝土和混杂纤维混凝土的曲线。 （a） 素混凝土应变疲劳寿命曲线 （b）素混凝土应变疲劳寿命曲线 （c）素混凝土应变疲劳寿命曲线图3-5 素混凝土在各应力水平下应变疲劳寿命曲线 （a）混杂纤维混凝土应变疲劳寿命曲线 （b）混杂纤维混凝土应变疲劳寿命曲线 （c）混杂纤维混凝土应变疲劳寿命曲线图3-6 混在纤维混凝土在各应力水平下应变疲劳寿命曲线分析图3-5，图3-6可知，在循环荷载的作用下，素混凝土和混杂纤维混凝土应变随循环次数的变化呈三段式发展，即应变快速产生阶段，应变稳定发展阶段和应变加速发展阶段。但素纤维混凝土的三段式特点更加明显，在第二阶段素混凝土的斜率明显大于混杂纤维混凝土，说明素混凝土的裂缝发展快于混杂纤维混凝土。3.6 混杂纤维混凝土弯曲疲劳方程3.5.1 疲劳的几个基本概念（1）疲劳破坏疲劳是指当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限也可能发生破坏，这种在循环载荷重复作用下材料或结构发生的破坏现象称作疲劳破坏。（2） 疲劳强度疲劳强度是指材料或构件在交变载荷作用下的强度，是用来衡量材料或构件疲劳性能好坏的指标（3）疲劳极限疲劳极限是指在一定循环特征R下，材料或构件可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力Smax，是用来衡量疲劳强度的指标。（4）疲劳寿命疲劳寿命是指发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受循环载荷到发生断裂所经过的时间称为该材料或构件的疲劳寿命。疲劳寿命的长短取决于应力水平的高低，施加的应力水平越高，则疲劳寿命越短。（5） 应力比 R (4-1)式中，弯拉荷载平均值； 循环荷载最大值。（6）荷载循环特征值 (4-2) 式中，作用在试件上的最小荷载；作用在试件上的最大荷载； 荷载循环特征值，本试验取0.1（普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法里面规定最小取0.15）。（7）循环荷载加载波形，如图4-1 图4-1 加载波形（8）疲劳破坏的过程疲劳裂纹会最先在构件缺陷处形成，在应力集中处（局部出现较大应力），构件能够承受较少的荷载循环次数，当初始裂纹出现以后，由于裂纹处不能再承受应力使得其余部分的平均应力升高，并且在裂纹尖端会形成新的应力集中，此处又继续开裂，集中应力的存在导致裂纹不断扩展直到构件突然破坏。疲劳破坏大致过程为:应力集中一产生裂纹一形成新的应力集中一裂纹扩展一断裂。裂缝扩展及断裂图片 （a） 裂缝产生 （b） 裂缝扩展 （c） 裂缝扩展 （d） 混杂纤维混凝土断裂 （e） 素混凝土破坏断面 （f）素混凝土断裂 图4-2 混凝土裂缝扩展及断裂图3.5.2 实测疲劳寿命统计分析由于混凝土具有很大的离散性，测得的试验数据一般来说是杂乱的，没有一定规律，需要经过数据整理后才能使试验数据具有一定规律性。按照威布尔分布理论，对素混凝土和混杂纤维混凝土各应力水平下的数据进行处理，素混凝的分析结果见表4-1，混杂纤维混凝土的分析结果见表4-2。表4-2 混杂纤维混凝土疲劳寿命数据处理疲劳寿命对数疲劳寿命失效概率应力水平S=0.7514023710.60250.1666-1.7019228811712.57110.3333-0.9027394281313.75660.5-0.36654102863113.84370.66660.09405127685614.05990.83330.5831应力水平S=0.8177408.95410.1428-1.869828762411.38080.2857-1.0892320345812.22320.4285-0.5805428638712.56510.5714-0.1657551863213.15890.71420.2253679443513.58530.85710.6657应力水平S=0.85138738.26170.1666-1.70192123609.42210.3333-0.902736287111.04880.5-0.366548946511.40160.66660.0940517476212.07110.83330.5831以作为横坐标，为纵坐标对上表4-1和表4-2中的威布尔分布检验结果进行线性回归，素混凝土回归结果见表4-3，混杂纤维混凝土回归结果见表4-4素混凝土按两参数威布尔分布回归方程：S=0.75： （4-23）S=0.8： （4-24）S=0.85： （4-25）(a）S=0.75时素混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合（b）S=0.8时素混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合(c）S=0.85时素混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合图4-3 素混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合图混杂纤维混凝土按两参数威布尔分布回归方程：S=0.75： （4-26）S=0.8： （4-27）S=0.85： （4-28）（a）S=0.75时混杂纤维混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合（b）S=0.8时混杂纤维混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合（c）S=0.85时混杂纤维混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合图4-4 混杂纤维混凝土疲劳寿命威布尔分布拟合图从图4-3到图4-4可知，和在各级应力水平下都呈现处良好的线性关系，表明素混凝土和混杂纤维混凝土的疲劳寿命均服从两参数威布尔分布。现将各应力水平下的不同数据组在威布尔分布下的相关系数列出，结果如表4-3所示。相关系数都接近于1，这说明两参数威布尔分布可以用来描述混凝土的疲劳寿命。表4-3 回归结果a，b应力水平回归系数a回归系数b相关系数Na=eb/a素混凝土0.750.61727.14140.9649106270.59230.80.52135.45920.975735522.69150.850.54075.37630.989921068.9487混杂纤维混凝土0.750.55777.94540.94021565810.00540.80.53356.85450.9664384341.61940.850.55946.36740.984378442.82363.5.3 疲劳方程3.5.3.1 疲劳方程的形式由于混凝土内部存在初始裂缝，在循环荷载的作用下会不断地扩展，一般认为其不存在耐久极限。因此，疲劳方程的边界条件为 （4-29）目前惯用单对数疲劳方程 （4-30）但单对数疲