1、http:/- 1 -中国科技论文在线冻融循环对钢筋混凝土简支梁的影响 # 吴海亮，慕儒 *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课题基金(TMCL2011.05)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: （河北工业大学土木工程学院，天津300401）5 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
2、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10 中图分类号：TU528. 01Influence of freeze-thaw cycles on reinforced concrete beamsWU Hailiang, Mu Ru(School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)15 Abstract: The effect of freeze-thaw cycles on the propert
3、ies of a simple supported reinforced concrete beam was investigated. The results of theoretical analysis and finite element method show that after freeze-thaw cycles the bearing capacity of the beam decreases, whilst the deflection of the beam increase. When the top surface of the beam subjected to
4、freeze-thaw cycles, which means the degradation of concrete mainly occurs in compression region of the beam, the 20 deflection of the beam decreases significantly. However, when the bottom surface of the beam subjected to freeze-thaw cycles, saying the degradation mainly takes place in tension regio
5、n of the beam, the influence on the deflection of the beam is little.Key words: freeze-thaw cycles, durability,deflection, bearing capacity25 0 引言混凝土的抗冻性问题受到普遍重视 1，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 4、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
6、土材料变得疏松、孔隙粗化、孔隙30 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 7依据各向同性连35 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
7、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。40 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，http:/- 2 -中国科技论文在线会被冻融循环损伤，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。（0N 100） （1）0.51.73d45 （25N 100） （2）0.47.2tf式中，E d冻融后混凝土的弹性模量；E0未冻融混凝土的弹性模
8、量；N冻融循环次数；ft冻融后混凝土单轴抗拉强度；50 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55 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 bh=200mm300mm，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
9、 210，箍筋采用 10100。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。60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65 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：混凝土单轴抗压强度 f
10、c=34.2MPa，受拉钢70 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，http:/- 3 -中国科技论文在线系数 =1.0，相对界限受压区高度在混凝土强度等级小于 C50时 b=0.55，则受压区高度 x为： 3094215734.m1.0ysyscfAxb75 且 ，则极限弯矩 Mu为：0.5264mbxh 6sxa0()().kNuyssMfh 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
11、不变，则受压区高度 x 为： 39420157.m1.6ysyscfAb80 且 ，极限承载弯矩 Mu为：0.5264mbxh 3sxa1006.kN2ucyssMfbhfAh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 66.4kNm 下降到60.3kNm，下降幅度为 9.2%。85 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
12、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90 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。95图 2 冻融作用下混凝土梁的跨中挠度Fig.2 Deflection of the beam be
13、fore and after freezing and thawinghttp:/- 4 -中国科技论文在线图 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100 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）规定，混凝土简支梁的挠度宜控制在l0/250 以内（l 0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105 冻融的梁挠度分别增
14、加了 0.96mm，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。110 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、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：115 （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
15、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120 本文作者今后进一步研究的方向。参考文献 (References)1 Bryant Mather. Concrete durabilityJ.Cement & Concrete Composites, 2004, 26: 3-4.2 Powers T C. The mechanisms of frost actio
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