自然銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)

李士彬，湯紅衛(wèi)，張 鑫，孫 偉

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；3.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；4.東南大學(xué) 江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；5.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

橋梁是國(guó)家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，是公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)的咽喉，是關(guān)系社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線.在中國(guó)，混凝土橋梁約占橋梁總數(shù)的90%，截止到2011年底，僅公路橋梁就建造了68.9萬(wàn)座，累計(jì)總長(zhǎng)3 350萬(wàn)米.

碳化或氯鹽引起的鋼筋銹蝕已被世界公認(rèn)為混凝土橋梁的一大災(zāi)害.目前，中國(guó)許多既有銹損混凝土橋梁急需進(jìn)行耐久性評(píng)估與剩余疲勞壽命預(yù)測(cè).在車輛、風(fēng)載等交變疲勞載荷作用下，銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞往往是由銹蝕鋼筋的疲勞斷裂所致［1－3］，因此，正確認(rèn)識(shí)鋼筋銹蝕后其疲勞性能的退化規(guī)律，建立銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程是科學(xué)預(yù)測(cè)并適當(dāng)延長(zhǎng)既有銹損混凝土橋梁使用壽命的前提.

曹建安等［4］研究發(fā)現(xiàn)，由于銹坑引起的應(yīng)力集中及載荷歷史的影響，使既有鐵路橋梁構(gòu)件中銹蝕鋼筋的疲勞壽命大大降低，疲勞極限應(yīng)力現(xiàn)象趨于消失.張偉平、李士彬等［5－7］通過(guò)軸向拉伸疲勞試驗(yàn)，建立了考慮銹蝕率影響的混凝土中自然銹蝕鋼筋及加速銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程.筆者探討了自然裸露銹蝕變形鋼筋的疲勞性能，并從微觀上解釋了自然裸露銹蝕鋼筋疲勞壽命退化的機(jī)理.

本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗(yàn)，進(jìn)一步探討了自然銹蝕鋼筋疲勞壽命的退化規(guī)律，建立了考慮銹蝕率影響的輕度、中度和重度自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，并給出了50%保證率及不同預(yù)期疲勞壽命下自然銹蝕鋼筋容許應(yīng)力幅值的建議值，為合理預(yù)測(cè)并適當(dāng)延長(zhǎng)既有銹損混凝土橋梁的使用壽命提供了理論依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

鋼筋自然銹蝕分大氣環(huán)境中裸露銹蝕和混凝土構(gòu)件中自然銹蝕2種.針對(duì)既有混凝土橋梁工程，在濟(jì)南某高校服役40余年的鋼筋混凝土電線桿中截取自然銹蝕鋼筋試件.經(jīng)檢測(cè)，該電線桿中鋼筋發(fā)生銹蝕的原因是混凝土碳化，銹前光圓鋼筋的工程直徑為10，12mm.清除銹蝕鋼筋上的混凝土后，用切割機(jī)截成長(zhǎng)約400mm 的試件，共36根.經(jīng)對(duì)其中6根基本未銹蝕鋼筋試件進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，得到其銹前的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量分別為389，460MPa和202GPa.隨后，在大氣環(huán)境下，對(duì)25根銹蝕鋼筋試件進(jìn)行了軸向拉伸疲勞試驗(yàn).

1.2 鋼筋銹蝕評(píng)定

自然銹蝕鋼筋試件表面存在大量銹坑，且在靠近混凝土保護(hù)層的一側(cè)銹蝕較嚴(yán)重.依據(jù)GB／T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，參照文獻(xiàn)［5］測(cè)定了銹蝕鋼筋試件的銹蝕率（ηs，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）.

本文依據(jù)銹蝕率、銹坑大小及其分布初步將銹蝕鋼筋試件分為輕度（ηs≤5.00%）、中度（5.00＜ηs≤10.00%）和重度（ηs＞10.00%）銹蝕3種.

1.3 軸向拉伸疲勞試驗(yàn)

銹蝕鋼筋試件的軸向拉伸疲勞試驗(yàn)在山東大學(xué)力學(xué)工程測(cè)試中心的INSTRON 8502型疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖1所示.

圖1 銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)Fig.1 Setup for fatigue test of corroded reinforcement

依據(jù)GB／T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，試驗(yàn)采用載荷控制，按正弦波施加等幅交變荷載，加載頻率為10Hz.考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)的既有橋梁在服役過(guò)程中主要存在銹蝕損傷和超載損傷，應(yīng)力水平（最大應(yīng)力與銹前鋼筋屈服強(qiáng)度之比）取0.50～0.85，應(yīng)力比（最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值）取0.1.

銹蝕鋼筋試件的疲勞試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果見表1（5根試件斷裂在夾持部位，數(shù)據(jù)無(wú)效，未列出），其中：Fmax為疲勞荷載上限；Fmin為疲勞荷載下限；Smax為按銹后截面面積計(jì)算的最大應(yīng)力；f 為加載頻率.

由表1可見，試件的銹蝕率為1.99%～28.74%，輕度銹蝕5根，中度銹蝕9根，重度銹蝕6根.

表1 銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Table 1 Fatigue test parameters and results of corroded steel bars

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線

假定以疲勞壽命與應(yīng)力幅值（最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值）表示的自然銹蝕鋼筋的等幅疲勞曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下仍滿足線性關(guān)系，即lg N＝AmlgS，其中：S 為應(yīng)力幅值（MPa）；N 為疲勞壽命（times）；A 和m 為與銹蝕程度有關(guān)的系數(shù).

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸，可分別獲得輕度、中度和重度自然銹蝕鋼筋疲勞曲線的A，m 及相關(guān)系數(shù)R，結(jié)果見表2.參照文獻(xiàn)［5］選定未銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數(shù).

表2 銹后鋼筋疲勞曲線的A，m 及相關(guān)系數(shù)RTable 2 Coefficients for fatigue curve of naturally corroded steel bars

由表2可見，R 均大于0.900 0，可以認(rèn)為自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命與應(yīng)力幅值滿足對(duì)數(shù)線性關(guān)系（見圖2）.

圖2 自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線Fig.2 Fatigue curves of naturally corroded steel bars

由圖2可見，隨銹蝕發(fā)生、發(fā)展，疲勞曲線的斜率越來(lái)越大.這表明，銹后鋼筋不但其截面面積減小，而且其疲勞強(qiáng)度也降低.

2.2 自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命

根據(jù)表2，給定應(yīng)力幅值就可預(yù)測(cè)50%保證率下自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命.GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：在疲勞荷載作用下，固定應(yīng)力比為0.1時(shí)，同等強(qiáng)度的未銹蝕HRB 335級(jí)鋼筋的容許應(yīng)力幅值為162 MPa.依據(jù)輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋和未銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，表3 按實(shí)際應(yīng)力幅值等于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力幅值（162MPa）、超載20%和超載50%分別列出了隨銹蝕發(fā)生、發(fā)展，鋼筋的應(yīng)力幅值和疲勞壽命.

表3 特定應(yīng)力幅值下銹蝕對(duì)鋼筋疲勞壽命的影響Table 3 Influence of corrosion on fatigue life of steel bars under different stress amplitudes

由表3可見，由于截面積減小、疲勞性能退化，銹后鋼筋的疲勞壽命顯著降低，且應(yīng)力幅值越大退化越明顯.當(dāng)初始應(yīng)力幅值為162，194，243 MPa時(shí)，輕度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了30%，55%，75%，中度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了74%，85%，92%，重度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了87%，93%，96%.

若僅考慮截面積減小，不計(jì)疲勞性能退化，當(dāng)初始應(yīng)力幅值為194MPa時(shí)，輕度、中度、重度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了14%，27%，48%，較55%，85%，93%低了許多.可見，銹后鋼筋的疲勞性能退化顯著.

2.3 自然銹蝕鋼筋的容許應(yīng)力幅值

根據(jù)表2，給定預(yù)期疲勞壽命就可確定50%保證率下自然銹蝕鋼筋的容許應(yīng)力幅值.表4列出了50%保證率的未銹蝕、輕度銹蝕、中度銹蝕鋼筋在不同疲勞壽命下的容許應(yīng)力幅值建議值（應(yīng)力比為0.1）.

由表4可見，銹后鋼筋的容許應(yīng)力幅值明顯降低.當(dāng)預(yù)期疲勞壽命為200萬(wàn)次時(shí)，輕度、中度銹蝕鋼筋的容許應(yīng)力幅值分別下降了23%，33%.研究［8］表明，當(dāng)預(yù)期疲勞壽命為50萬(wàn)次時(shí)，中度銹蝕（銹蝕率為9.70%）鋼筋混凝土梁的疲勞強(qiáng)度下降了27%.

表4 自然銹蝕鋼筋的容許應(yīng)力幅值建議值Table 4 Suggested values for allowable stress amplitude of naturally corroded steel bars

3 對(duì)比分析

參照文獻(xiàn)［6］，結(jié)合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，表5按預(yù)期疲勞壽命200萬(wàn)次分別列出了中度銹蝕（銹蝕率為10.00%）混凝土中自然銹蝕鋼筋、加速銹蝕鋼筋在50%保證率下的容許應(yīng)力幅值建議值（應(yīng)力比為0.1）.

表5 不同銹蝕工況下容許應(yīng)力幅值建議值Table 5 Suggested values of allowable stress amplitude under different corrosion conditions

由表5可見，未銹蝕光圓鋼筋與變形鋼筋的容許應(yīng)力幅值分別為280，245 MPa，這可能是由于自然銹蝕光圓鋼筋的對(duì)比試件被精加工過(guò)［5］.可見，自然銹蝕對(duì)鋼筋疲勞性能的影響較加速銹蝕顯著，這主要是由于自然銹蝕與加速銹蝕的機(jī)理不同，自然銹蝕鋼筋的表面存在大量銹坑，導(dǎo)致應(yīng)力集中，而加速銹蝕則比較均勻.

在考慮銹蝕和超載的情況下，本文將疲勞應(yīng)力水平取較高值.為驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，與文獻(xiàn)［5］進(jìn)行了對(duì)比.本文的中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）與 文 獻(xiàn)［5］中 的A15 系 列（銹 蝕 率15.00%）銹蝕情形相似.由于試件銹前工程直徑不同，使銹蝕率存在差異.當(dāng)應(yīng)力幅值為230.7，205.2，179.6，153.2MPa時(shí)，A15系列試件的疲勞壽命分別為652 047，1 082 585，2 637 046，4 234 567次，其疲勞曲線方程為：lg N ＝17.039－4.746lg S（相關(guān)系數(shù)為－0.988 4）.據(jù)此可推斷，當(dāng)預(yù)期疲勞壽命為200 萬(wàn)次時(shí)，其容許應(yīng)力幅值建議值為183MPa（本文的建議值為188 MPa），這說(shuō)明本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠.

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于“銹坑”引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，自然銹蝕鋼筋的疲勞性能顯著退化.輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命與應(yīng)力幅值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下均保持線性關(guān)系.

（2）經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸，分別建立了輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，給出了50%保證率的預(yù)期疲勞壽命為200萬(wàn)次輕度、中度自然銹蝕鋼筋容許應(yīng)力幅值的建議值.

（3）當(dāng)容許應(yīng)力幅值為162 MPa時(shí)，中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）的中值（保證率為50%）疲勞壽命較未銹蝕鋼筋下降了74%；當(dāng)預(yù)期疲勞壽命為200 萬(wàn)次時(shí)，中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）的容許應(yīng)力幅值下降了33%.

（4）直接由加速銹蝕鋼筋的疲勞性能預(yù)測(cè)既有服役老化混凝土橋梁的剩余疲勞壽命，往往偏于不安全.建議進(jìn)一步開展銹蝕與疲勞耦合作用下自然銹蝕鋼筋疲勞性能方面的研究.

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