冻融循环对钢筋混凝土简支梁的影响

1、510152025303540冻融循环对钢筋混凝土简支梁的影响吴海亮，慕儒（河北工业大学土木工程学院，天津300401）摘要：研究了冻融循环对钢筋混凝土简支梁承载力、挠度的影响。理论计算和有限元分析表明，冻融循环作用下，简支梁的承载力下降、跨中挠度增加。当简支梁顶面受冻受压区混凝 土劣化时，梁的挠度增加较多；当简支梁底面受冻受拉区混凝土劣化时，梁的挠度变化较小。关键词：冻融循环；耐久性；挠度；承载力中图分类号:TU528.01Influence of freeze-thaw cycles on reinforced concrete beamsWU Hailia ng. Mu Ru（Schoo

2、l of Civil En gi neeri ng, Hebei Un iversity of Techno logy, Tianjin 300401, Chi na）Abstract: The effect of freeze-thaw cycles on the properties of a simple supported rein forced concrete beam was investigated. The results of theoretical analysis and finite element method show that after freeze-thaw

3、 cycles the bearing capacity of the beam decreases, whilst the deflecti on of the beam in crease. When the top surface of the beam subjected to freeze-thaw cycles, which means the degradatio n of con crete mainly occurs in compressi on regi on of the beam, the deflection of the beam decreases signif

4、icantly. However, when the bottom surface of the beam subjected to freeze-thaw cycles, say ing the degradati on mainly takes place in tension regi on of the beam, the in flue nce on the deflecti on of the beam is little.Key words: freeze-thaw cycles, durability,deflect ion, beari ng capacity0引言混凝土的抗

5、冻性问题受到普遍重视，自Powers于1945年提出了混凝土冻融破坏的静水压假说2之后，有学者陆续提出了混凝土冻融循环破坏的渗透压理论3、极限饱水值理论、微冰晶理论5等，虽然各种理论认为导致混凝土冻融循环破坏的原因有所不同，但均认 为冻融循环作用下，混凝土中形成微裂缝，使得混凝土材料变得疏松、孔隙粗化、孔隙率增 大，宏观表现为相对动弹性模量下降、表面剥落等现象。目前，针对冻融作用导致混凝土损伤的机理研究仍在深入开展，并且在一定层面内取得了共识，普遍认识到暴露在冻融环境中的混凝土结构将发生材料性能和力学性能的衰退以及使用寿命的缩减6。冻融循环引起混凝土力学性能劣化的研究较多，如冀晓东、宋玉普依据

6、各向同性连续损伤力学理论，建立了混凝土冻融损伤破坏准则，并在此基础上通过有限元分析建立了混凝土的冻融损伤本构模型；牛荻涛，肖前慧8以三参数 Weibull分布模型为基础，在已有试验数据的基础上，绘制了冻融环境下混凝土损伤量与冻融循环次数的概率关系曲线，并对曲线进行了回归分析，给出了冻融循环次数和混凝土损伤量间指数关系的回归方程。针对冻融后混凝土强度的变化，施士升、李金玉、覃丽坤等进行了大量的试验研究9,10。结果表明，包括抗压、劈裂抗拉及抗剪强度、弹性模量和抗剪模量等混凝土的力学性能，会 基金项目：教育部高等学校博士点专项科研基金（2010131720009）；江苏省土木工程材料重点实验室开放

7、 课题基金 仃MCL2011.05）作者简介：吴海亮（1987-），男，硕士，主要研究方向：结构工程通信联系人：慕儒（1971-），男，高级工程师，主要研究方向：土木工程材料.E-mail: rmu455055606570被冻融循环损伤，并且冻融循环次数愈多，则其损伤愈大9。通过试验数据回归分析，得到混凝土静力弹性模量 E （式（1）、单轴抗拉强度ft （式（2）随冻融次数的变化规律10= _0.00151N1.0073(0w NW 100)(1)dEo=0.475-0.0022N(25W NW 100)(2)式中，Ed冻融后混凝土的弹性模量；E0未冻融混凝土的弹性模量；N冻融循环次数；ft冻

8、融后混凝土单轴抗拉强度； ft0未冻融混凝土单轴抗拉强度。冻融循环引起的混凝土力学性能劣化，可能引起结构承载力下降或变形，导致结构性能变化，这方面的研究鲜有报导。本文采用理论计算和有限元方法研究了冻融循环对钢筋混凝 土简支梁的影响。1简支梁基本参数冻融循环作用引起混凝土的弹性模量下降或者抗压强度降低，可能导致梁的挠度增大、截面曲率增加、承载力下降等。分析图 1所示钢筋混凝土简支梁，梁的长度为 3.2m，横截 面为矩形，尺寸为 bXh=200mrX 300mm ,支座距梁端部100mm ,跨度为3.0m。梁内钢筋全 部采用HRB335，受拉纵筋采用 320,受压纵筋210,箍筋采用 10100b

9、对称集中荷 载P作用于三分点处（距支座 1000mm），混凝土采用 C40,净保护层厚度为 25mm。A.1000, 10001000 .100100丰in3竝0川0 1/丙、图1梁荷载及梁体尺寸Fig .1 Load and size of the beam冻融前和经过50次快速冻融循环后，混凝土的轴压强度fc分别为34.2MPa、15.6MPa。钢筋的屈服强度为 300MPa，冻融循环对钢筋强度没有影响。2冻融循环对承载力的影响按照混凝土结构设计规范（ GB 50010-2010） 11中的钢筋混凝土简支梁承载力计算 方法，计算冻融前和冻融后梁的承载力。冻融前，计算简支梁承载力的基本参数为

10、： 混凝土单轴抗压强度 fc=34.2MPa，受拉钢筋 面积As=942mm2,受压钢筋面积 As =157mm2，钢筋屈服强度 fy=300MPa，受拉钢筋中心 点到下表面的距离 as=35mm,受压钢筋中心点到上表面的距离 as =30mm。根据规范，7580859095系数o=1.0,相对界限受压区高度在混凝土强度等级小于C50时E b=0.55，则受压区高度 x为：fyfyAs joO 942 -3°° 157 3.4mmfc b 1.0 34.2 200x ： bh0 =0.55 265 =143mm 且 x ： 2as = 2 30 = 60mm，则极限弯矩 M

11、u 为:Mu =fyAs(h° -as) =300 942 (265 -30) =66.4kN m经50次快速冻融后10，混凝土的单轴抗压强度 fc=15.6MPa，梁的尺寸、配筋不变，则 受压区高度x为：fyAs-fyAs 300 942-300 157x75.5mma x fc xb1.0x15.6x200x ： b% =0.55 265=143mm且 x 2as =2 30=60mm，极限承载弯矩 Mu为:i x *Mu = rfcbx h°fyA h。-as = 60.3kN m可以看出，经过 50次冻融循环，钢筋混凝土简支梁的承载力从66.4kN m下降到60.3

12、kN m，下降幅度为 9.2%。3冻融循环对挠度的影响分析图1所示冻融前后简支梁跨中挠度的变化情况，与前节相同，经过50次快速冻融循环，C40混凝土的轴压强度 fc由34.2MPa下降为15.6MPa，弹性模量 E从30010N/mm2 下降为18500N/mm2,混凝土抗拉强度 ft从3.14MPa下降到1.15MPa10,12。对于实际工程梁体而言，混凝土梁受冻融循环作用影响部位可能会有所不同，可能整体受到冻融循环作用，也可能局部受冻。分别分析仅受压区混凝土受冻融劣化（工况2）、仅受拉区混凝土受冻融劣化（工况3 ）以及作为参照的不受冻简支梁（工况 1 ）。所有工况中梁的尺寸、配筋及受力情况

13、完全相同。假定混凝土梁的冻融深度为75mm，即受冻区混凝土从表层至75mm深度范围内的混凝土受冻融影响，性能产生劣化，深度超过75mm的混凝土性能不变。采用有限元方法分析冻融对简支梁挠度的影响。图2冻融作用下混凝土梁的跨中挠度Fig.2 Deflection of the beam before and after freezing and thawing图2是三种工况下梁的跨中挠度计算结果，从图2可以看出，钢筋混凝土简支梁在冻融 循环作用下，梁的挠度增大。与不受冻情况相比，受压区受冻和受拉区受冻时，简支梁跨中 挠度分别增加23.9%、6.0%。混凝土结构设计规范 （GB 50010-2010

14、）规定，混凝土简支梁的挠度宜控制在I。/250以内（Io为构件的计算跨度）。本文分析的简支梁跨度为3000mm，挠度应控制在12mm以内。分析结果显示，简支梁受压区混凝土受冻融劣化时，挠度增大最多，比不受冻融的梁挠 度分别增加了 0.96m m,占挠度限值的8%。受拉区受到冻融时，跨中挠度增加了0.22mm,只占挠度限值的1.8%。在钢筋混凝土梁构件中，混凝土主要抵抗弯曲作用下的压力，拉力依靠钢筋承担。所以当受压区混凝土受冻融劣化时，对梁的挠度影响较大；受拉区受冻融时，对梁的性能影响较小。另外，分析表明，梁整体受冻时挠度的增加与受压区受冻的挠度变化基本相同。4结论冻融循环作用下，混凝土的强度、

15、弹性模量等性能下降，可能引起结构问题。本文通过 理论计算和有限元分析对冻融循环作用下钢筋混凝土简支梁性能进行研究，得到以下结论：（1）钢筋混凝土简支梁受到冻融时，梁的挠度有所增加。梁截面受压区混凝土遭受冻融劣化时，梁的承载力、挠度增加较大，本文分析的C40钢筋混凝土简支梁经50次冻融循环，跨中最大挠度增加20%以上。（2）本文只考虑了冻融单一因素对混凝土结构的影响，然而混凝土结构一般都经受着多因素的共同作用。混凝土模型的建立应该考虑冻融循环与其他因素的耦合作用，这也是本文作者今后进一步研究的方向。参考文献（References）1 Bryant Mather. Concrete durabil

16、ityJ.Cement & Concrete Composites, 2004, 26: 3-4.2 Powers T C. The mechanisms of frost action in concrete （durability of Concrete, SP-8）R. Detroit: ACI, 1965, 42-47.3 Powers T C, Helmuth R A. Theory of volume change in hardened portland cement paste during freezing. Proceeding, Highway research

17、board, 1953, 32: 285-2974 Fagerlund G. The significance of critical degrees of saturation at freezing of porous and brittle materials. In: Scholar C F, eds. Durability of concrete. Detroit: American concrete institute, 1975: 13-655 Setzer M J. Micro-ice-lens formation in porous solidJ. J Colloid Interface Sci, 2001,243: 193-20116 卫龙，张晓玲，赵霄龙.混凝土结构耐久性的研究现状和发展方向J.2OO3，92（2）: 1-3.7 冀晓东，宋玉普.混凝土冻融损伤本构模型研究J.计算力学学报，2011，28（ 3）： 461-4678 牛荻涛，肖前慧.混