RC混凝土梁疲勞的基本試驗(yàn)要點(diǎn)分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧穎（天津城投集團(tuán)天津300381）

RC混凝土梁疲勞的基本試驗(yàn)要點(diǎn)分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧穎（天津城投集團(tuán)天津300381）

對碳纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn)的全過程進(jìn)行了分析討論，并論證了疲勞試驗(yàn)在工程應(yīng)用中的必要性。針對試驗(yàn)的基本要點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖芰η闆r，提出了相關(guān)建議。系統(tǒng)研究了試驗(yàn)在材料組成、構(gòu)件制作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面的注意事項(xiàng)。結(jié)合相關(guān)資料制定了操作流程。

鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn)操作流程要點(diǎn)分析

0 引言

疲勞力學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門科學(xué)。目前對疲勞損傷機(jī)理、疲勞強(qiáng)度理論的研究雖然已經(jīng)取得了許多成果，計(jì)算機(jī)模擬和其他計(jì)算手段也有了革命性的進(jìn)步，但是試驗(yàn)仍然是材料和結(jié)構(gòu)疲勞性能研究的基礎(chǔ)和檢驗(yàn)分析結(jié)果的唯一手段。只有模擬真實(shí)的荷載及使用環(huán)境，對所研究的對象進(jìn)行實(shí)際使用環(huán)境下的疲勞性能試驗(yàn)，才能正確地評價(jià)它們的真實(shí)疲勞特性，驗(yàn)證疲勞設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

對于碳纖維（CFS）增強(qiáng)鋼筋混凝土（RC）構(gòu)件的研究來說，科學(xué)、系統(tǒng)的疲勞性能試驗(yàn)更為重要。目前國內(nèi)外已經(jīng)在逐步開始大規(guī)模的運(yùn)用CFS粘貼加固RC構(gòu)件的技術(shù)，但同時(shí)對這種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究可以說還是剛剛起步，研究成果還相當(dāng)缺乏。所以進(jìn)行CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件的疲勞性能試驗(yàn)對于這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步的理論研究以及更有效、安全地在實(shí)際工程中運(yùn)用具有至關(guān)重要的意義。[1]

1 CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件疲勞試驗(yàn)工作安排

疲勞性能試驗(yàn)主要就是研究材料或結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的響應(yīng)和性能，以及兩者的變化規(guī)律；確定研究對象承受疲勞荷載的能力（這主要包括了疲勞極限和疲勞壽命兩個(gè)方面）。通常要進(jìn)行的檢測項(xiàng)目有：設(shè)定分級的疲勞荷載水平，檢測試件在不同疲勞荷載水平作用下的疲勞裂縫萌生和發(fā)展?fàn)顩r；設(shè)定編制的疲勞荷載譜，檢測在這種疲勞荷載譜作用下試件各部分的疲勞響應(yīng)（包括應(yīng)力、應(yīng)變、撓度等）；記錄在不同的荷載水平下各試件在達(dá)到某些指定的損傷狀態(tài)時(shí)所經(jīng)歷的疲勞荷載循環(huán)次數(shù)等。[2]

該類型疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康闹饕茄芯吭诔７诤奢d作用下CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件的疲勞性能，應(yīng)進(jìn)行以下的試驗(yàn)工作：

①進(jìn)行材料性能試驗(yàn)。測定制作試件用的鋼筋、混凝土和碳纖維薄板（CFS）的材料參數(shù)。

②設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)，并根據(jù)此次疲勞試驗(yàn)研究的要求設(shè)計(jì)制作CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件，調(diào)試準(zhǔn)備電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)變信號動(dòng)態(tài)采集與分析系統(tǒng)。

③分別對無增強(qiáng)的RC構(gòu)件和粘貼CFS薄板增強(qiáng)的RC構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，得出兩者的靜載結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)。

④進(jìn)行常幅疲勞荷載作用下的CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件的疲勞性能試驗(yàn)。測定各種有用和有效的數(shù)據(jù)。

⑤疲勞數(shù)據(jù)初步整理。為構(gòu)件疲勞性能分析做準(zhǔn)備。由于在試驗(yàn)中是不間斷地對荷載、撓度、多個(gè)部位的應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻率采集記錄，故得到的原始數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，但顯然其中有很大一部分的細(xì)節(jié)是可以忽略掉的，所以應(yīng)對原始記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理。

2 疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件組成材料：CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件包括混凝土、鋼筋、碳纖維薄板（CFS）和粘結(jié)劑4個(gè)組成部分。每個(gè)部分的力學(xué)性能都直接影響到增強(qiáng)構(gòu)件整體的疲勞性能，因此，有必要對它們進(jìn)行材料性能試驗(yàn)以測定其材料力學(xué)參數(shù)。

2.1 試件設(shè)計(jì)與制備

設(shè)計(jì)三點(diǎn)彎曲試件尺寸時(shí)，一方面要考慮到試驗(yàn)條件，特別是疲勞試驗(yàn)儀器的限制；另一方面參考了其他相關(guān)試驗(yàn)中的試件尺寸。梁的配筋設(shè)計(jì)主要是考慮加載設(shè)備的量程范圍，并要求設(shè)計(jì)的配筋是適筋情況。

2.2 試件養(yǎng)護(hù)

由于受試件尺寸和重量的限制，養(yǎng)護(hù)采用的是自然養(yǎng)護(hù)，即在養(yǎng)護(hù)室自然穩(wěn)定的條件下，用麻袋將混凝土試件覆蓋，并澆水保持試件濕潤。養(yǎng)護(hù)28 d后移出養(yǎng)護(hù)室晾干。

2.3 CFS粘貼增強(qiáng)

試驗(yàn)在試驗(yàn)梁的底部受彎拉區(qū)域粘貼CFS，碳纖維方向?yàn)檠卦囼?yàn)梁的縱向。加固粘貼方法為：①對RC試驗(yàn)梁的粘貼表面進(jìn)行處理，使之平整、潔凈；②將粘結(jié)劑均勻地涂抹在粘貼表面，厚度為0.5mm左右；③將CFS薄板貼于粘貼表面上，壓實(shí)，檢驗(yàn)確保粘貼界面無空洞、氣泡后，用加壓工具固定、加壓。常溫下固化，48～72 h即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.4 加載方式

最常見的兩種加載方式為三點(diǎn)彎曲加載和四點(diǎn)彎曲加載。三點(diǎn)彎曲的疲勞狀態(tài)與實(shí)橋構(gòu)件的疲勞狀態(tài)更為接近。若采用三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法，按照《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 012-1994）規(guī)定，重車軸載與標(biāo)準(zhǔn)軸載對剛性路面（混凝土路面）作用產(chǎn)生的疲勞損傷程度換算為16次方的關(guān)系，即等效換算系數(shù)為F=（P重/P標(biāo)）16。相對而言，后軸荷載對橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前軸荷載引起的疲勞損傷。[3]

3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測

對于疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測、記錄，主要分為兩種形式：一種是疲勞試驗(yàn)進(jìn)行過程中的實(shí)時(shí)檢測和記錄，這些數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)記錄的，主要包括荷載、跨中撓度數(shù)據(jù)以及各點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)；另一種是在疲勞試驗(yàn)短停和完全結(jié)束（包括試件破壞和加載次數(shù)達(dá)到200萬次而試件沒有破壞的兩種情況）時(shí)進(jìn)行的檢測和記錄，這些數(shù)據(jù)是靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)測量和記錄的，主要是裂縫的發(fā)展情況。

在三點(diǎn)彎曲作用下，試件梁的跨中截面是結(jié)構(gòu)的控制截面。因此應(yīng)主要檢測試件跨中的各點(diǎn)應(yīng)變。同時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土、鋼筋、碳纖維的特性，選用不同的應(yīng)變片。裂縫寬度測量主要使用裂縫讀數(shù)、顯微鏡人工讀數(shù)，試驗(yàn)過程中還需測量每根試件的裂縫間距。

4 試驗(yàn)操作流程

在所有試件的制備和儀器的準(zhǔn)備、調(diào)試工作做好之后，即可以進(jìn)入正式的疲勞試驗(yàn)了。在疲勞試驗(yàn)過程中，為了規(guī)范化試驗(yàn)操作，有利于試驗(yàn)的科學(xué)、安全、穩(wěn)定進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)操作流程如圖1所示：[4]

圖1 疲勞試驗(yàn)流程圖

5 小結(jié)

本文深入介紹了CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件的疲勞性能試驗(yàn)，包括了試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備工作以及初步的試驗(yàn)結(jié)果整理和分析。選擇和設(shè)計(jì)了疲勞試驗(yàn)的加載方式、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及疲勞試驗(yàn)的操作流程；對試件試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)檢測進(jìn)行了初步研究分析，提出了對疲勞試驗(yàn)過程中構(gòu)件的跨中撓度變化進(jìn)行主要跟蹤的試驗(yàn)思路，并且應(yīng)密切關(guān)注裂縫間距，以及在試驗(yàn)過程中裂縫的擴(kuò)展情況。本文的研究成果可以為CFS增強(qiáng)RC構(gòu)件的疲勞損傷試驗(yàn)提供相關(guān)的理論借鑒?！?/p>

[1]吳春秋，侯建國，戴曉艷.碳纖維片材加固混凝土梁中粘結(jié)界面應(yīng)力的有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2004（1）：41-43.

[2]王文煒，趙國藩.玻璃纖維布加固的鋼筋混凝土梁撓度計(jì)算[J].四川建筑科學(xué)研究，2004（3）：33-36.

[3]孫建敏，趙曉華.考慮二次加載時(shí)碳纖維布加固混凝土梁撓度的簡化計(jì)算方法[J].四川建筑科學(xué)研究，2004（3）：50-52.

[4]曾祥蓉，江世永，陳進(jìn)，等.不卸載時(shí)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2005（3）：60-62.

2011-03-09