0 引言

近年来，国内外学者[1-7]主要从植筋胶、植筋拉拔等试验研究植筋在静载作用下的力学性能，而实际工程中像桥梁、吊车梁和轨枕等结构构件常常处于反复荷载作用下的复杂应力状态，材料的疲劳损伤对结构构件的性能和安全往往产生重大影响.张建荣等学者[8]通过疲劳荷载作用下植筋梁受弯试验，初步分析了与相同条件下静载植筋梁力学性能的异同.孔德霞等学者[9-10]在试验中发现植筋梁发生植筋端头受剪破坏，但没有给出具体的加固措施.本文在此基础上通过试验着重分析不同植筋深度的植筋梁在不同循环次数和不同加载频率的疲劳荷载作用下以及在疲劳后静载至破坏阶段的力学性能及损伤情况，为植筋梁工程设计与施工提供借鉴.

1 试验概况

1.1 试验梁设计

本试验共设计5根钢筋混凝土植筋试验梁来研究疲劳荷载作用下植筋梁的力学性能，见表1.试验梁截面b×h=250 mm×400 mm，跨度l=2 600 mm.试验梁分2批浇筑，前期浇筑混凝土强度达到设计要求后钻孔植筋，然后浇筑后期混凝土，新旧混凝土交界面处形成2次浇筑的施工缝，见图1.混凝土采用C30商品混凝土，保护层厚度为25 mm，钻孔直径32 mm.为了对比研究试验梁植筋端头混凝土保护层是否会受剪破坏，将PB4梁植筋端头伸入箍筋上部进行加固[11].

 

表1 试验梁明细Tab.1 Test beam detail

  

试验梁编号 植筋深度 加载频率 植筋胶型号 加载基数PB1 20d=500 mm 5 Hz FISEM390S 200万次PB2 25d=625 mm 3 Hz FISEM390S 200万次PB3 25d=625 mm 5 Hz FISEM390S 200万次PB4（植筋端头箍筋） 25d=625 mm 5 Hz FISEM390S 200万次PB5 30d=750 mm 5 Hz FISEM390S 200万次

  

图1 试验梁几何尺寸与截面配筋图（mm）Fig.1 Size and reinforcement of test beam （mm）

2 试验及试验现象

试验采用跨中集中力加载方案和常幅疲劳试验方法[12]（图2），疲劳上限Pmax=90 kN，疲劳下限Pmin=50 kN.加载制度分为疲劳试验前预加静载试验、疲劳试验、疲劳中的静载试验（当疲劳循环荷载达到1万次、10万次、50万次、100万次、150万次）和破坏试验，见图2.

  

图2 疲劳加载程序示意图Fig.2 Fatigue loading program

2.1 裂缝的开展及分布

在施加疲劳荷载前的静载试验中，各试验梁第1条裂缝均出现在新旧混凝土交界面处，开裂荷载大体在35 kN左右；随后在荷载达到疲劳上限90 kN的过程中，试验梁在跨中和植筋端头处出现第2条和第3条裂缝；经过0万次、1万次、10万次、50万次、100万次、150万次和200万次疲劳循环荷载后，全梁出现了一批疲劳裂缝，且裂缝的产生和发展集中在50万次疲劳荷载循环前，而主要裂缝的发展集中在10万次疲劳荷载循环前，各梁的裂缝开展情况见图3.

  

图3 试验梁裂缝图Fig.3 Test beam crack

在疲劳试验中，新旧混凝土交界面、跨中和植筋端头是植筋梁3个薄弱截面即主要裂缝产生处.经过对5根试验梁3个位置的主要裂缝宽度归纳整合，得试验梁在不同次数疲劳循环荷载后卸载至0 kN时主要裂缝宽度的变化曲线，如图4.在10万次疲劳循环荷载前，新旧混凝土交界面和植筋端头处裂缝宽度随着疲劳循环次数的增加而快速增加，当疲劳循环次数大于10万次时，只有新旧混凝土交界面处裂缝宽度在缓慢增加.因此，植筋梁在承受动荷载作用下，疲劳荷载造成的损伤集中在10万次疲劳荷载循环前，且容易出现在应力集中处，所以在对承受疲劳荷载的植筋构件进行植筋加固时，要对新旧混凝土交界面采取加固措施来降低植筋梁的损伤.

可能还是从猪牯那里得到的启发吧，李打油既要关心承包砖厂的烧窑师傅，又要关心那座窑。因为平时师傅住工棚，他便在村委会腾出一间房专门用以接待探亲，而且一旦有家属来探亲，每次村里赠送正宗土鸡一只聊表慰问之情；对那座趴在山坡上的龙式砖窑呢，安全防范最要紧，李打油叫人把窑两侧十米内的大树都砍了，电杆也移开，防止大雨大风对窑的意外伤害。可谓心思缜密呀，跟我父亲有得一比。的确，砖窑是村小的命，也是他的命。

2.2 试验梁的破坏现象

施加不同次数疲劳循环荷载后卸载为0 kN时，混凝土不可恢复的变形称为混凝土残余变形，如图7所示.在10万次疲劳循环荷载前随着疲劳荷载循环次数的增加呈线性增长并达到最大值，在10万次疲劳循环荷载后趋于稳定且基本不变，整体上是分为直线段和水平段.对比5根试验梁的曲线图可知，在相同的疲劳荷载循环次数下，混凝土残余变形随着植筋深度的增加而减小，PB1梁跨中混凝土残余变形明显高于其他试验梁，而当植筋深度达到25 d及以上时，混凝土的残余变形小且趋于稳定.

  

图4 主要裂缝宽度随疲劳荷载循环次数的变化曲线Fig.4 Variation curve of the main crack width with the number of fatigue load cycles

 

表2 试验梁各阶段裂缝Tab.2 Stage-crack of test beam

  

注：1、已知正常使用状态下最大裂缝宽度限值0.3 mm；2、1—新旧混凝土交界面，2—跨中，3—植筋端头.

 

梁编号 植筋深度/mm 正常使用阶段荷载/kN 0.3 mm裂缝位置 极限荷载/kN 最大裂缝及宽度 次之 最小PB1 20d=500 180 1 297 3-（1.0 mm） 1-（0.56 mm） 2-（0.12 mm）PB2 25d=625 250 1 333 3-（2.0 mm） 1-（1.40 mm） 2-（0.33 mm）PB3 25d=625 270 1 317 3-（2.2 mm） 1-（1.00 mm） 2-（0.23 mm）PB4 25d=625 210 1 363 1-（5.0 mm） 3-（1.7 mm） 2-（0.50 mm）PB5 30d=750 220 1 365 3-（3.1 mm） 1-（1.00 mm） 2-（0.20 mm）

3 植筋试验梁力学性能分析

3.1 试验梁承载能力

图11为试验梁残余挠度随疲劳荷载循环次数曲线图，通过分析5根试验梁的数据得出，PB2梁的残余挠度小于PB3梁，表明加载频率越大试验梁损伤越严重；而PB4和PB5梁图形重合表明植筋端头加以防护与增加植筋深度可以起到相同的效果，即减少试验梁的疲劳损伤.

  

图5 试验梁最终破坏图Fig.5 The final damage of the test beam

3.2 混凝土应力应变关系

图6为跨中受压区混凝土应力应变关系图.在经历了200万次疲劳循环荷载后静载至极限荷载阶段，5根试验梁的跨中混凝土压应变整体上和应力呈线性关系，在同级荷载作用下，PB1梁跨中混凝土压应变最大，PB3梁次之，PB5梁最小，说明跨中混凝土的压应变受植筋深度的影响较大，增大植筋深度，钢筋滑移量小，梁挠度较小，因而受压区混凝土受压程度较低.对比PB2和PB3可知，相同荷载作用下PB2梁的跨中混凝土压应变小于PB3梁，说明高频疲劳荷载比低频疲劳荷载对混凝土的损伤更严重；对比PB3和PB4可知，在相同植筋深度下，植筋端头处有箍筋不但避免端头混凝土保护层受剪破坏，而且还可以提高植筋梁在疲劳荷载下的承载能力.

试验梁经过200万次疲劳循环荷载后开始静载至最终破坏，试验梁除了在跨中有几条竖向裂缝外基本上都是受弯剪作用的下宽上细的弯剪斜裂缝，其破坏位置为植筋端头至跨中区域.由此可知，尽管疲劳荷载加剧了新旧混凝土交界面处的裂缝，但植筋端头处混凝土在随后的静载试验中受弯剪作用而破坏，导致整梁的破坏.值得注意的是在极限荷载时，PB4梁最大裂缝依然在新旧混凝土交界面处，其破坏也发生在此位置（见表2）.植筋端头处的箍筋有效约束了植筋端头对混凝土的弯剪作用，阻止了由于应力集中造成的混凝土保护层的破坏.各试验梁最终破坏形态如图5所示.

  

图6 混凝土应力应变曲线图Fig.6 Stress and strain curves of concrete

  

图7 疲劳荷载下混凝土残余变形曲线图Fig.7 Residual deformation curve of concrete under fatigue load

3.3 植筋应力应变关系

植筋应变经过不同次数疲劳循环荷载后卸载至0 kN时不可恢复的部分叫做残余变形，由图9可知，在1万次疲劳循环荷载之后，植筋的残余变形最大并且基本不变趋于稳定.通过图形还可以看出PB4和PB5植筋梁的植筋残余变形最小，说明在25 d的植筋深度上植筋端头有箍筋或者增加植筋深度都可以减少植筋疲劳损伤并且改善植筋的疲劳性能.

在疲劳荷载作用下，试验梁的损伤是导致其在正常使用阶段出现大量裂缝的主要原因，混凝土、钢筋以及植筋胶等基材经过不同疲劳循环荷载作用后都会出现不可恢复的残余变形，宏观上表现为试验梁出现残余挠度，这些残余变形加重了裂缝的发展，严重降低了试验梁使用的安全性.通过5根试验梁的对比试验得出，增加植筋深度、降低加载频率或者植筋端头有箍筋，都可以减低试验梁的疲劳损伤.

图8为试验梁经过200万次疲劳循环荷载后静载至极限荷载阶段植筋的应力应变图.同级荷载下，植筋深度大、加载频率高或者植筋端头处有箍筋的试验梁，植筋应变明显小于其他试验梁.

3.4 荷载-挠度曲线

由可溶性蛋白的数据可以发现(图3)，极品红油麦、香港速生大叶菠菜和日本全能大叶菠菜、东方2号和东方18青梗菜在各品系的高温高湿处理下，可溶性蛋白含量显著高于其他品种。

  

图8 植筋应力应变曲线图Fig.8 Stress and strain curves of plant

  

图9 疲劳荷载下植筋残余变形柱形图Fig.9 Residual deformation curve of plant under fatigue load

在疲劳循环荷载后，由于新旧混凝土交界面处为结构薄弱部位，5根植筋梁的开裂荷载基本没有变化，植筋深度和加载频率不影响植筋梁开裂荷载的大小.表2中，对比PB1、PB3和PB5梁可知，增加植筋深度可以提高植筋梁的极限承载力，但一味增加植筋深度造成了植筋施工的难度，所以对比PB4和PB5梁得出，植筋端头处的箍筋可以起到同增加植筋深度相同的效果.对比PB2、PB3梁，PB3试验梁的极限承载力有所下降，下降幅度为4.8%.所以高频动载比低频动载对试验梁的损伤大.

值集法在大电网鲁棒稳定分析中的实现及与μ方法比较//周靖皓,石鹏,甘德强,高洵,贾琳,徐英//(1):98

图10为试验梁荷载-跨中挠度曲线图，即把每次疲劳试验中静载试验加卸载的挠度图合成到同一个坐标系中，荷载为0 kN时试验梁的挠度称为残余挠度，前一次的残余挠度是下一次的初始挠度.从图中可以看出，0万次动载加载前期曲线斜率较大，说明试验梁在开裂前刚度大，开裂后刚度则有所下降.在疲劳试验前静载阶段，卸载至0 kN时挠度不为零，说明残余挠度在此阶段已经出现.在10万次疲劳循环荷载前，残余挠度一直在增加，但增加的速度越来越缓慢，并在10万次达到最大，以后的疲劳加载过程中残余变形趋于稳定.10万次到200万次荷载—跨中挠度曲线基本重合，说明此阶段疲劳加载对植筋梁抗弯刚度影响很小.

  

图10 试验梁荷载-挠度曲线图Fig.10 Load-deflection curve of test beam

  

图11 疲劳荷载下试验梁残余挠度曲线图Fig.11 Residual deflection curve of test beam under fatigue load

3.5 试验梁疲劳损伤

威尼托毗邻奥地利那绵延峻峭的山脉，水城威尼斯的潮湿运河流通其中，土地辽阔、丰富多变的地理面貌赋予了威尼托葡萄酒变化多端的风格。受到北部山脉与东部海洋的调节，所以气候温和、稳定，具备种植优质葡萄的条件。另一方面这里有着种植优质葡萄必备的土壤，威尼托有一半的面积是平原，土壤表层遍布泥沙，含有黏土和钙质石灰岩屑。

2018年9月26日晚，“绝色敦煌之夜”在敦煌大剧院惊艳亮相，楚艳用自己的手艺，将敦煌壁画中所展现的服饰，原原本本复原出来，让无数人重新领略到了五千年的华服之美。

4 结论

1）受弯植筋梁的疲劳损伤形成于疲劳加载10万次左右，后续疲劳荷载对结构损伤的形成不构成主要因素.

2）植筋深度影响植筋梁的力学性能.植筋深度越大，植筋梁的力学指标越好.考虑到施工因素，植筋深度为25 d时最优.

3）高频疲劳荷载对植筋梁造成的损伤比低频疲劳荷载大.

4）受弯植筋梁植筋端头能够破坏混凝土保护层，加强此处的防护有利于植筋梁的力学性能.

参考文献：

[1] 宋丽娟，梁玉国.植筋连接形成结构构件的力学性能对比研究[J].国防交通工程与技术，2012（增刊2）：11-13.

[2] 文国想，程才渊.植筋及植筋混凝土梁力学性能的试验研究[J].佳木斯大学学报，2011，29（5）：667-672.

[3] 阎西康，丛林，张玉淙，等.不同植筋深度混凝土梁的静力试验研究[J].建筑科学，2016，32（11）：106-109.

[4] 张宇，楼国标，李国强，等.高温后植筋胶黏结力学性能试验研究[J].同济大学学报，2016，44（11）：1723-1728.

[5] 郑晓芬，张建荣，艾永江，等.植筋胶与混凝土界面结合性能的试验研究[J].结构工程师，2016，32（5）：139-145.

[6] Ronald A C.Behavior of chemically bonded anchors[J].Journal of Structural Engineering，1993，119（9）：2744-2762.

[7] COOK Ronald A，KONZ Robert C.Factors influencing bond strength of adhesive anchors[J].ACI Structural Journal，2001，98（1）：76-86.

[8] 张建荣，吴进，杨建华，等.植筋搭接混凝土梁静力及疲劳受弯试验研究[J].建筑结构学报，2005，26（5）：96-103.

[9] 孔德霞.植筋混凝土梁疲劳性能的试验研究与分析[D].天津：河北工业大学，2014.

[10]阎西康，魏兴磊，陶建伟，等.不同植筋深度下的植筋梁疲劳试验研究[J].建筑科学，2017，32（3）：82-87.

[11]程文瀼，颜德姮.混凝土结构设计原理[M].北京：中国建筑出版社，2008.

[12]王天稳.土木工程结构试验[M].武汉：武汉理工大学出版社，2006.