鋼筋混凝土空心板梁的疲勞損傷發(fā)展規(guī)律

鋼筋混凝土空心板梁的疲勞損傷發(fā)展規(guī)律

1橋梁疲勞研究鋼筋混凝土（rc）的空心板梁具有廣闊的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于道路橋梁的應(yīng)用。對于公路橋梁而言,反復(fù)移動的車輛荷載會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成疲勞損傷累積,對于長期經(jīng)受超載車輛作用的橋梁,其損傷累積更加迅速,當損傷累積到一定程度時,橋梁即會疲勞破壞。我國對鋼橋疲勞開展了研究,但對RC橋則關(guān)注較少,且我國的公路橋梁設(shè)計規(guī)范里至今還沒有關(guān)于疲勞驗算的條文。橋梁運營中嚴重的超載現(xiàn)象使公路RC橋梁的疲勞問題更加突出,因此開展RC橋梁的疲勞研究非常必要。本文針對RC空心板梁的疲勞問題,在實驗室對5根空心板梁開展了等幅疲勞試驗,研究空心板梁的疲勞損傷發(fā)展規(guī)律。2試驗計劃2.1試件結(jié)構(gòu)及鋼筋性能參照貴新公路某空心板梁橋的設(shè)計參數(shù)擬定試驗用空心板梁的配筋和截面尺寸,制作試件時在靠支座的剪彎段區(qū)域、支座部位將斜筋及箍筋間距加密,確保試件受彎破壞出現(xiàn)在跨中純彎段,預(yù)防支座區(qū)域出現(xiàn)局部受壓破壞或彎剪段受剪破壞。試件采用矩形空心截面梁,截面長600mm、寬500mm,試驗梁總長4m(支座中心距離為3.8m)。采用C25混凝土澆筑試驗梁,混凝土立方體抗壓強度28d實測平均值為14.08MPa。受拉主筋、斜筋均采用HRB335螺紋筋,直徑20mm,實測屈服強度為429MPa、極限抗拉強度為598MPa;架立筋與箍筋采用R235級光圓筋,直徑8mm,實測屈服強度為364MPa、極限抗拉強度為499MPa;保護層凈厚度為25mm。除箍筋采用綁扎連接外,其余鋼筋接頭處均采用雙面焊接。在支座附近布置鋼筋網(wǎng)加強。試驗用空心板梁構(gòu)造見圖1。2.2疲勞力學試驗試驗通過1根分配鋼梁實現(xiàn)4分點加載。KL-1梁靜載破壞試驗時采用1000kN的油壓千斤頂加載,KL-2～KL-6梁等幅加載疲勞試驗時采用MTS疲勞試驗機加載。圖2為試驗梁加載示意。試驗工況、加載方式及各梁破壞特征見表1。疲勞試驗機加載頻率為2～4Hz,根據(jù)各試驗梁加載情況適當調(diào)整。在疲勞試驗過程中,當循環(huán)加載達到預(yù)定次數(shù)時,中止疲勞試驗并通過靜力加載至對應(yīng)的疲勞荷載上限(Pmax),觀測并記錄試件各特征部位的撓度、裂縫形態(tài)及裂縫寬度、鋼筋及混凝土的應(yīng)變。2.3測試內(nèi)容(1)試驗結(jié)果的觀測與分析因試驗梁截面較寬,在試件的加載點、支座以及跨中等斷面的左、右側(cè)各對稱安裝1個百分表,對試驗過程中試件不同截面處的撓度值進行觀測與分析。(2)鋼筋斷裂澆筑試驗梁前,在每根受拉主筋上各布置3片應(yīng)變片(粘貼在純彎段內(nèi)分配梁支座對應(yīng)處及跨中斷面),測量試驗過程中鋼筋的應(yīng)變。(3)混凝土殘余應(yīng)變在試驗梁跨中橫截面沿側(cè)面高度方向兩側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片,每側(cè)各5片,沿梁高方向間距為10cm,主要測量在試驗過程中各階段的跨中混凝土總應(yīng)變和殘余應(yīng)變。3試驗現(xiàn)象描述3.1靜態(tài)加載測試通過靜載試驗,測得試驗梁的開裂荷載約為170kN,試驗梁破壞時的極限承載力為520kN,以520kN作為疲勞試驗加載幅值取值依據(jù)。3.2受拉主筋的疲勞幅值加載疲勞試驗梁較典型的破壞情況見圖3(圖中所標注數(shù)字為裂縫發(fā)展至此高度處所經(jīng)歷的疲勞荷截循環(huán)次數(shù),單位為萬次,O代表第一次靜力加載時裂縫發(fā)展位置)。5根試驗梁在80%～95%疲勞壽命時有1、2條主裂縫(均位于梁純彎段內(nèi))持續(xù)發(fā)展,梁底主裂縫處有混凝土粉末飄落,除主裂縫外的彎剪段裂縫、純彎段內(nèi)次裂縫此時不僅停止發(fā)展反而開始逐漸閉合。梁體撓度發(fā)展較快且變化明顯。在此階段主裂縫寬度、高度變化均較快,最后梁疲勞斷裂即發(fā)生在主裂縫處(鋼筋在此處疲勞斷裂)。在1根受拉主筋斷裂后,主裂縫的寬度明顯增長,但梁仍然能承受一定的荷載(不小于疲勞加載上限),剛度明顯較以前小很多。在維持破壞前的疲勞幅值加載后,梁體內(nèi)主裂縫寬度和高度會繼續(xù)增大,且剛度繼續(xù)變小,直至梁頂部受壓區(qū)混凝土被壓碎且受壓區(qū)架立筋壓屈,試驗梁才完全失去承載能力而完全斷裂。試驗梁的破壞都是由于受拉主筋的疲勞斷裂造成的。對疲勞斷裂的鋼筋進行仔細觀察后發(fā)現(xiàn),鋼筋發(fā)生疲勞斷裂的部位均處于純彎段的主裂縫截面周邊,在鋼筋的斷口截面上可觀察到很明顯的粗粒區(qū)和光滑區(qū)。從裂口可以觀察到,斷裂口起始點均處于鋼筋銘牌處或鋼筋表面肋的根部這些部位,這些部位恰好是鋼筋受力集中處,符合斷裂力學的論斷(構(gòu)件疲勞斷裂發(fā)生在應(yīng)力集中處)。4疲勞上限pmisa對觀測現(xiàn)象的影響根據(jù)試驗現(xiàn)象總結(jié)了疲勞損傷過程中的裂縫、應(yīng)變和撓度發(fā)展規(guī)律。為了增強測試數(shù)據(jù)的可比性,試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象均在加載至疲勞上限Pmax時觀測記錄得到,即觀測現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù)時結(jié)構(gòu)都處于同一受力狀態(tài),裂縫、應(yīng)變、撓度增量可認為只受疲勞加載次數(shù)的影響。4.1裂縫位置分布等幅疲勞試驗時,梁內(nèi)裂縫由彎剪斜裂縫和正截面裂縫(位于純彎段內(nèi))組成。在初次加載時裂縫高度約為試驗梁高的一半,裂縫在沿跨長方向及橫截面兩側(cè)基本呈對稱分布。裂縫的寬度、高度及裂縫數(shù)目等參數(shù)在整個疲勞試驗過程中可大致劃分成3個階段,即快速發(fā)展階段、穩(wěn)定階段、破壞階段。(1)縫寬度不長彎剪段會出現(xiàn)向跨中傾斜的斜裂縫,裂縫寬度較小(通常在0.1mm以內(nèi)),有4條。純彎段內(nèi)的垂直裂縫(初始寬度為0.3mm)一般會出現(xiàn)2～3條。(2)穩(wěn)定上來階段在加載至約10%的疲勞壽命時,5片試驗梁中絕大部分裂縫的寬度和高度都穩(wěn)定下來,此后較長時間內(nèi)發(fā)展不明顯或很慢,逐漸趨于穩(wěn)定,直至該階段結(jié)束。少數(shù)幾條位于純彎段內(nèi)的裂縫繼續(xù)發(fā)展,但相對于另2個階段而言發(fā)展速度較慢。在對試驗梁卸載時所有裂縫都可以閉合。(3)試驗梁的疲勞性能在試驗梁接近破壞階段,跨中純彎段內(nèi)的1條主裂縫寬度持續(xù)增大,且增長速率有增大的趨勢。其余主裂縫則不發(fā)展且有逐漸縮小閉合的趨勢。最后最寬的主裂縫急劇發(fā)展,試驗梁疲勞斷裂。在所有裂縫(除主裂縫外)都開始出現(xiàn)閉合現(xiàn)象時,試驗梁所經(jīng)受的加載次數(shù)已經(jīng)與疲勞壽命非常接近。因此,可將大部分裂縫開始閉合作為梁進入疲勞破壞階段的標志,由此也可預(yù)計梁進入疲勞損傷第三階段的時間,對結(jié)構(gòu)疲勞破壞提供預(yù)警。4.2區(qū)邊緣應(yīng)變圖4為在不同疲勞荷載循環(huán)次數(shù)后測得的KL-2梁靜力加載時混凝土受壓區(qū)邊緣應(yīng)變,由圖4可以看出,在試驗過程中混凝土的應(yīng)變隨加載次數(shù)增加而不斷增長(荷載增量相同情況下),應(yīng)變在疲勞加載初期和接近疲勞破壞時發(fā)展尤其快,荷載～應(yīng)變關(guān)系基本呈線性狀態(tài)。其余試驗梁具有類似規(guī)律。4.3疲勞試驗階段在疲勞加載初期,鋼筋的應(yīng)變增長非常明顯;但增長速率隨疲勞加載次數(shù)的增加而逐漸趨緩,從而進入到一相對穩(wěn)定階段;鋼筋應(yīng)變在試驗梁接近破壞時會再次出現(xiàn)較大的增長幅度。在疲勞試驗過程中KL-2梁受拉鋼筋的應(yīng)變～荷載曲線見圖5,從圖5可以看出,在整個疲勞試驗過程中,鋼筋的應(yīng)變～荷載關(guān)系是線性的。應(yīng)變～荷載關(guān)系變化過程能在一定程度上反映出構(gòu)件在疲勞加載過程中剛度的退化規(guī)律。其余試驗梁的鋼筋應(yīng)變規(guī)律類似。4.4梁體跨中撓度增量變化KL-2梁跨中撓度～荷載曲線見圖6,從圖6可以看出,在加載初期及臨近疲勞破壞時,梁體的跨中撓度增量變化較大,尤其是在以下2個時段變化更大:①疲勞加載次數(shù)小于15%疲勞壽命時;②加載次數(shù)臨近疲勞壽命,梁馬上要破壞時。其余試驗梁撓度變化規(guī)律類似。5sn及應(yīng)力幅mpa根據(jù)試驗所加荷載計算出各試驗梁的鋼筋應(yīng)力幅,結(jié)合各試驗梁的疲勞壽命,用最小二乘法可擬合出空心板梁的S～N曲線方程為:lgN=12.7074?3.1475lgΔσlgΝ=12.7074-3.1475lgΔσ式中,N為疲勞壽命(次);Δσ為鋼筋應(yīng)力幅(MPa)。S～N曲線見圖7。從圖7可以看出,擬合出的S～N曲線與試驗數(shù)據(jù)點吻合程度較好,說明本次試驗較系統(tǒng)地揭示了RC梁在疲勞荷載作用下的損傷規(guī)律、鋼筋應(yīng)力幅與疲勞壽命之間的內(nèi)在聯(lián)系。6疲勞破壞階段(1)空心板梁疲勞損傷具有明顯的三階段損傷規(guī)律:疲勞試驗前期和后期(各約占疲勞壽命的10%～15%)損傷發(fā)展均較快,疲勞試驗中期(約占疲勞壽命的75%～80%)損傷發(fā)展相對穩(wěn)定。疲勞損傷破壞為鋼筋突然的脆性破壞。(2)疲勞裂縫在橫截面兩側(cè)及跨長方向基本對稱分布。裂縫數(shù)目、寬度及高度發(fā)展可劃分為快速發(fā)展、穩(wěn)定和破壞3個階段。(3)試驗梁的撓度發(fā)展、鋼筋與混凝土的應(yīng)變發(fā)展增量在疲勞循環(huán)初期時增長比較顯著;隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加,增長速率趨緩而進入相對穩(wěn)定的發(fā)展階段;臨近破壞時又發(fā)生了較大幅