为使试验结果与实际工程更为接近, 本文采用150 mm(宽)× 300 mm(高)× 2500 mm(长)的大跨径简支梁进行三点弯曲加载试验。简支梁按照适筋梁配筋, 其中, 受拉钢筋采用2Ø16的HRB335型热轧带肋钢筋, 架立钢筋分别布置在梁上部和梁腰, 采用2Ø8和4Ø8的R235型光圆钢筋, 箍筋采用Ø8的R235型光圆钢筋, 混凝土采用C30混凝土浇筑, 如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 试验梁构造及加载示意图Fig.1 Test beam structure and loading

弯曲梁的约束及加载方式如图1所示, 即在试验梁跨中150 mm× 150 mm范围内施加面均布荷载, 支座位置设在梁两端10 cm处。在此, 首先采用有限元模拟试验加载过程, 由此计算得出梁的变形规律以及裂缝产生的过程, 以便为后续载荷试验的加载过程给出参考和对比分析。

经计算得试验梁的最大承载力为48 kN, 可按照最大承载力的1/2加载观察裂缝发展过程, 故可分12级, 每级加载2 kN。用有限元软件ANSYS做为平台模拟加载过程中梁底面应力应变变化及裂缝的出现位置。为使模型计算简单, 创建该梁的1/4模型。同时, 混凝土采用SOLID65单元, 钢筋采用LINK8单元, 并用MISO模型和双线性等向强化模型(BISO模型)分别定义混凝土及钢筋的应力-应变曲线, 模型不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移。图2为创建的钢筋与混凝土模型, 图3为加载至6、12、24 kN时的裂缝位置图, 图中用短线表示开裂部位。可以看出当加载0~6 kN时梁体无裂缝, 随着载荷增加, 裂缝开始出现并在跨中范围内扩展, 当加载至24 kN时, 裂缝分布在梁跨中位置70 cm范围内, 由此可确定将导电膜黏贴在跨中的相同范围内测量梁体裂缝。

图2

Fig.2

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	图2 ANSYS模型Fig.2 ANSYS model

图3

Fig.3

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	图3 加载过程中裂缝扩展示意图Fig.3 Crack propagation during load process

由有限元模拟可知, 在试验梁跨中部位长度为70 cm的范围内易出现裂缝, 为了与后续应变测量试验作对比, 现计算在导电膜粘贴范围内梁体的平均应变。定义试验梁坐标, 如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 试验梁坐标定义Fig.4 Coordinates define in test beam

通过ANSYS对试验梁导电膜粘贴部位各个坐标点进行应力计算, 在弹性阶段可由应力及混凝土弹性模量计算出应变。由于导电膜粘贴范围内混凝土单元划分网格较多, 因此选用0.9、1.0、1.1、1.2、1.25五个坐标点的平均应变值来计算黏贴范围内所有点的平均应变。计算出每级加载后在导电膜粘贴范围内梁底面产生的平均应变, 用以验证后续的试验结果。应变数值详见后文中的试验结果分析, 在此不赘述。

试验梁加载试验采用如图1所示的三点加载弯曲试验的架设方式。试验梁跨中底面测试元件的布置及仪器连接如图5所示。由理论分析可知, 简支梁的最大应变发生在梁底表面, 根据ANSYS仿真模拟结果, 在试验梁底部正中部位粘贴3 cm× 70 cm的2号导电膜, 用于监测试验梁底部应变和加载时的裂缝扩展过程。在2号导电膜两侧相对应位置粘贴应变计与1号导电膜(3 cm× 15 cm), 保证两者的粘贴长度相同, 用于测试在弹性范围内导电膜对结构应变测量的精度。

图5

Fig.5

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	图5 导电膜布设及仪器连接Fig.5 Conductive film setting and instrument connections

试验过程分为两个阶段:

第一阶段为小荷载加载阶段, 用1号导电膜与应变计同步测量。从而可以定量分析导电膜电阻随应变的变化情况。在第一阶段试验中, 将简支梁架设完毕后用液压式伺服压力机进行小载荷加载。控制压力机按1 mm/min的速率加载, 加载时间为1 min。在此试验过程中记录应变计及电阻仪数值进行分析。

第二阶段为试验梁裂缝检测试验, 应用2号导电膜。第二阶段试验中, 由前期ANSYS仿真模拟可设定压力伺服试验机按12级加载, 每次加载2 kN, 当检测出裂缝出现后, 按位移控制加载。其中, 控制力加载速率为10 N/s; 位移加载速率为1 mm/min。

导电膜在拉伸过程中, 电阻不断变大, 因此本节应用1号导电膜对该材料的电阻与应变的变化关系进行标定。

弹性范围内试验数据如表1所示, 将数据绘制成曲线如图6所示。由图6可以看出, 该导电膜应变与阻值变化的线性相关系数 R2=0.9986,两者为高度线性相关, 且两者关系可表示为: y=0.0088x+0.0207,因此可以通过导电膜电阻变化来反映结构的应变变化。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 应变与电阻变化关系 Table 1 Corresponding relationship between strain and resistance variation 载荷/kN 应变/μ ε 电阻变化值/Ω 0.000 0 0.000 3.672 100 0.888 4.521 122 1.081 5.062 146 1.306 5.545 175 1.548 6.457 192 1.697 7.103 216 1.909 7.502 256 2.361 8.208 314 2.771 8.857 336 2.965 9.555 378 3.334 10.606 405 3.572

表1 应变与电阻变化关系 Table 1 Corresponding relationship between strain and resistance variation

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 1号导电膜拉伸应变与阻值变化对应关系Fig.6 Relationship between tensile strain and resistance in No.1 conductive film

加载过程中2号导电膜的电阻值随时间变化曲线如图7所示, 去除测试裂缝暂停时间, 加载共进行2400 s, 在加载至20 kN时, 梁底面出现一条裂缝, 此后该裂缝不断扩展, 直至快到24 kN加载完毕时出现了第二条裂缝, 从图7可看出, 电阻阻值在裂缝发生时有明显突变。为方便分析, 选取加载0~18 kN弹性阶段以及18~22 kN梁体仅存在一条裂缝阶段进行分析。

图7

Fig.7

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	图7 试验过程中电阻阻值的变化曲线Fig.7 Resistance curves during test

在未出现裂缝的弹性阶段试验数据如表2所示。根据2.2节所得结论:结构每发生100 μ ε 应变时, 导电膜阻值变化0.88 Ω 。前文1.2节已对试验梁进行ANSYS仿真模拟并计算出在2号导电膜粘贴范围内该试验梁的平均应变。根据1号导电膜测试拟合曲线得到理论应变, 推算出导电膜电阻理论值变化, 其结果见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 导电膜电阻变化理论值与实际值比较 Table 2 Comparison between theoretical value and actual value of conductive film’ s resistance change 荷载 /kN 平均应变 /μ ε 电阻理论 变化值/Ω 电阻实测 变化值/Ω 0.000 0.00 0.00 0.00 2.014 13.95 0.12 0.12 4.325 28.08 0.25 0.36 5.958 42.13 0.37 0.40 8.014 56.16 0.49 0.51 10.812 70.21 0.62 0.61 12.093 84.25 0.74 0.71 14.140 98.29 0.87 0.81 15.993 112.33 0.99 0.99 18.581 126.38 1.11 1.14

表2 导电膜电阻变化理论值与实际值比较 Table 2 Comparison between theoretical value and actual value of conductive film’ s resistance change

对比表2中2号导电膜电阻变化试验值与电阻变化理论值可得, 在相同荷载及可达到的精确度下, 其电阻变化理论值与试验值相互吻合, 其相关系数R²=0.9933, 说明测量结果非常准确, 能够将其运用到实际结构的应变监测当中, 且导电膜的长短对测量精度没有影响。

混凝土构件受到单调短期荷载、多次重复荷载或长期荷载作用时, 当混凝土的拉应力超过其极限应力, 或由于拉伸产生的应变达到了极限拉伸值就会出现裂缝。

当试验梁从18 kN加载至20 kN后, 混凝土所受的拉应力超过了其极限应力, 率先在2号导电膜侧面出现一裂缝, 此裂缝距离试验梁最左端距离为1229 m, 此位置接近跨中部位。出现裂缝时, 导电膜电阻值瞬间增大, 用裂缝放大镜观察并记录其宽度。此后, 裂缝继续扩大, 梁体裂缝宽度检测如图8所示。因前期加载数据量过大, 且对裂缝研究意义很小, 本文对加载16~22 kN仅存在一条裂缝的数据进行分析, 裂缝宽度与阻值及压力的对应关系如表3所示。

图8

Fig.8

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	图8 裂缝宽度监测Fig.8 A crack width monitoring

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 导电膜阻值变化与裂缝宽度对应关系 Table 3 Corresponding relationship between conductive film’ s resistance and crack width 荷载/kN 2号膜电阻值变化/Ω 裂缝宽度/mm 15.993 0.99 - 18.581 1.14 - 20.513 23.00 0.02 22.409 49.51 0.08

表3 导电膜阻值变化与裂缝宽度对应关系 Table 3 Corresponding relationship between conductive film’ s resistance and crack width

在未出现裂缝前的弹性阶段, 结构变形可恢复, 导电膜电阻值变化较小; 当出现微小裂缝(宽度仅为0.02 mm)后, 此时结构变形不可恢复, 导电膜电阻值瞬间增大。由表2分析可知, 弹性阶段时导电膜电阻变化值随荷载的增加变化很小, 故将试验梁出现裂缝前后2号导电膜的电阻值变化与裂缝总宽度对应关系进行拟合, 如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 2号导电膜阻值变化与裂缝宽度关系Fig.9 Resistance and crack width relationship in NO.2 conductive film

由表2、表3、图9分析实验梁从未开裂到开裂的实验过程可知, 当结构开裂前仅发生弹性形变时, 导电膜电阻值变化随应变呈线性关系, 且变化不大; 当出现裂缝时, 导电膜电阻值瞬间发生突变并随裂缝的不断扩展而增大, 趋势十分明显。因此, 可根据导电膜阻值变化曲线存在突变从而判断混凝土结构已出现裂缝。同时试验结果表明, 改变导电膜的粘贴范围可以局部或全场地测量混凝土结构应变分布, 并可以多通道同时进行测量。