第二期内容
为研究加热温度和冷却方式对高温后钢-高延性胶凝材料（ECC）复合梁垂直抗剪的影响，通过对4根钢-ECC复合梁和1根对比构件进行室温静载荷试验，探究了钢-ECC复合梁在高温后的裂纹扩展规律、破坏模式、残余承载力和变形。
01 背景
ECC材料具有延展性好、抗拉性能强、抗拉刚性强等优点，ECC材料应用于钢筋混凝土复合梁桥可以提高结构的力学性能和耐久性。钢筋混凝土组合梁桥在使用过程中可能会承受极端的火灾荷载，从而威胁结构安全。经历高温后，普通混凝土桥面爆裂，影响整体结构的承载力和耐久性，甚至造成坍塌。目前，对钢-混凝土组合梁在常温和极端高温后的力学性能的研究主要集中在抗弯性能上，对象主要是普通混凝土，在实验研究、理论推导、数值分析等方面对钢-ECC复合梁的静态承载力进行了探索，对ECC材料和钢-普通混凝土组合梁在高温后的力学性能进行了探讨对温度进行了初步研究，但对高温后钢-ECC复合梁的力学性能研究较少。因此，本文通过高温试验和高温后静试验，探讨了钢-ECC复合梁在高温后的裂纹扩展规律、破坏模式、残余承载力和变形，以期为钢-ECC复合梁的设计提供理论支持。
02 试验概述
在试验中钢材的抗剪屈服强度，设计了5根钢-ECC简支承复合梁，试样编号依次为SEB-1~SEB-5。所有试件的截面尺寸和结构相同，试样的长、宽、高均为400mm，高度为250mm。钢-ECC复合梁翼板宽度为400 mm，高度为50 mm。翼板中的纵向和横向加强均为直径为12mm的钢筋。试样根据完整的剪切连接用螺柱排列。螺栓直径10mm，高度40mm，两列排列，纵距和横向间距分别为100和40mm。各试样的截面尺寸和结构分别见表1和图1。
表1 试样主要参数
图1 跨中截面
根据相关规范，对常温固化的ECC、钢筋和钢板的力学性能进行了测试，ECC力学性能测试结果见表2，钢筋和钢板的力学性能测试结果见表3。
表2 ECC材料力学性能
表3 钢的力学性能
液压千斤顶在三个点上装载试样，其边界条件简单支撑，试样两端全部延伸30mm，具体布置如图2所示。
图2 加载装置
03 测试现象与分析
对于自然冷却的试样 SEB-2 和 SEB-4，高温后的失效模式如图 3a 所示。对于用湿水冷却的试样SEB-3和SEB-5，高温后的失效模式如图3b所示。可以看出，在经历了200°C的高温后，每个试样都没有明显的变形。在不同的高温和不同的冷却方式下，钢梁的表面颜色发生了不同的变化，经过200和400°C的高温后，钢梁自然冷却，其表面颜色为深褐色，并且随着温度的升高，棕色逐渐加深。从高温试验现象可以看出，ECC材料具有优越的裂纹控制能力，表现出多裂纹开裂和密集分布的特点，PVA纤维的加入可以有效减缓裂纹的发展和渗透。
（a） 自然冷却
（b） 湿式水冷
（c） 高温后的变形
图3 试样高温后损伤特性
高温后，在跨度中间对试样SEB-1~SEB-5进行单点静载荷试验，试样最终失效模式如图4所示。以SEB-1为例，在加载初期，钢梁与翼板表现出良好的结合效果，钢-ECC复合梁的载荷-挠度曲线初始斜率在T≤400°C时比较接近，表明钢-ECC复合梁在不同温度下的初始刚度接近。
图4 SEB-1试样的失效模式
04 测试结果与分析
钢-ECC复合梁试件高温后的应力过程可分为三个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，如图5所示，每个试件的屈服荷载、极限荷载和相应的屈服挠度和极限挠度见表5， 其中载荷是千斤顶施加的载荷，不包括测试设备和试样的自重。
图5 试样的载荷-挠度曲线
表4 高温后承载力试验结果
刚度是衡量试样抗变形能力的重要指标，通过分析每个试件来获得刚度与温度变化的关系。与自然冷却相比，高温自然冷却后复合梁的初始刚度降低（图6），湿水冷却后试件的初始刚度增加。由于PVA纤维的熔点为230°C，当温度达到400°C时，湿水冷却后ECC翼板的强度和刚度急剧下降。
图6 刚度分析
如图7所示，可以看出试样SEB-1的延展性良好，一方面剪切连接器可以抵抗纵向剪切力，另一方面由于ECC材料的高延展性和板内纵向加固的作用，ECC翼板虽然损坏，但仍能承受外部载荷， 提高了复合梁的延展性。
图7 延性分析
对于常温、高温下的试样，在中跨ECC翼板和钢梁上粘贴6个电应变片，以确定加载过程中截面的应变分布。试样 SEB-1 的中跨段的应变分布如图 8 所示。在室温下，在加载初期，试样SEB-1沿梁高截面的应变基本呈线性变化，符合平坦截面的假设。
图8 跨中段应变分布
05 有限元分析
有限元模拟可以反映试样在高温后的力学性能。因此，在钢-ECC复合梁高温试验的基础上，采用有限元分析软件，考虑高温后钢材与ECC的材料非线性和几何非线性，采用热-机耦合分析方法建立不同冷却模式下钢-ECC复合梁的热-力耦合模型， 通过与试验结果进行对比，验证了有限元模型的正确性，为后续高温后钢-ECC复合梁剪力承载力参数化分析奠定了基础，有限元模型的尺寸和网格划分如图9所示。
图9 有限元模型
有限元分析荷载-跨中挠度曲线如图10所示。可以看出，试验结果与有限元计算结果吻合较好，两条曲线的斜率基本一致，屈服荷载与试验值基本一致。但是，两者之间仍然存在一定的偏差，因为模型中ECC材料的假设和简化无法完全模拟实际情况。根据试验结果钢材的抗剪屈服强度，采用有限元法对高温后试件承载力影响较大的两个因素（ECC翼板厚度和钢梁屈服强度）进行了参数化分析。
图10 荷载-跨度有限元仿真与试验结果对比
如图11所示，主裂纹的发展与有限元模拟的拉伸损伤位置一致。与试验结果相比，有限元模型再现了混凝土构件的开裂模式。钢梁的变形主要受其自身屈服强度和跨中荷载大小的影响，这与静态试验的破坏模式相似（图11b）。同时，从图11c可以看出，有限元模拟的钢-ECC复合梁的最终破坏模式是剪切破坏。
图11 有限元分析与测试失效模式比较
06 结论
1）钢-高延性水泥基材料（ECC）复合梁翼板高温后出现裂纹，分布在板的顶部和侧面，裂纹呈现出多裂纹开裂和密集分布的特征。在200°C以下的温度下，机翼内的PVA纤维可以有效抑制裂纹的产生，而在400°C时，PVA纤维熔化在基材中留下的气孔可以避免ECC机翼在高温下破裂。
2）钢-ECC复合梁在200°C后仍具有良好的延展性，但400°C后湿水冷却试件的延展性明显下降。
3）钢-ECC复合梁高温后和常温下的破坏模式为剪切破坏，弯曲变形可分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。钢-ECC复合梁高温后剪切承载力下降，200°C内冷方式的剪切承载力对剪切承载力影响不大，400°C湿水降温后的剪切承载力明显小于自然降温后的剪切承载力，400°C自然降温和湿水降温后的剪切承载力分别降低8.7%和25.7%， 分别。
4）冷却方式对高温后钢-ECC复合梁的初始刚度有显著影响，湿水冷却后钢-ECC复合梁的初始刚度增加，自然冷却后降低。湿式水冷方式对钢-ECC复合梁的强度有明显的破坏。
5）高温后钢-ECC复合梁的有限元参数分析表明，与自然冷却相比，湿水冷却方式对钢-ECC复合梁剪切能力的降低有显著影响。随着加热温度的升高，随着翼板厚度的增加和钢梁强度的增加，湿水冷却后钢-ECC复合梁的剪切能力的增加一般小于自然冷却方式。
关于作者
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2020年长安大学公路学院硕士研究生
研究方向：
高性能材料和钢筋混凝土组合结构桥梁
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