疲勞加載下銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎剛度的試驗研究*

孫俊祖 黃僑 任遠

(東南大學交通學院，江蘇南京210096)

鋼筋銹蝕在鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的服役過程中普遍發(fā)生，是引致橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況下降及耐久性劣化的重要因素之一．正常運營中的公路與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)除受靜力恒載的作用外，最主要的是承受車輛活載的反復(fù)作用，反復(fù)荷載的作用損傷累積到一定程度將引發(fā)無預(yù)兆的脆性疲勞破壞．沿海地區(qū)高氯離子含量的環(huán)境以及冬季除冰氯鹽的大量使用加劇了橋梁結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕，日益增長的交通量及貨運超載使得車輛荷載的反復(fù)作用越來越顯著．毋庸置疑，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)處于腐蝕環(huán)境與車輛荷載反復(fù)作用的雙重不利影響下，其正常使用性能將加速劣化，尤其是抗彎剛度將發(fā)生顯著變化．鋼筋混凝土梁的剛度是評價混凝土橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的重要指標之一．由此可見，科學可靠地定量描述銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞反復(fù)荷載作用下的剛度具有重要的理論價值與工程意義．

目前，對于承載能力極限狀態(tài)靜力荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能的研究，在理論、試驗方面積累了豐富的成果［1-6］．孫彬［7］通過分析影響銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎剛度的關(guān)鍵因素，提出了靜載下考慮粘結(jié)力退化的抗彎剛度計算模型．張建仁等［8］通過37根銹蝕鋼筋混凝土矩形梁的靜載試驗，給出了光圓與螺紋主筋隨銹層厚度變化的剛度退化系數(shù)計算公式．然而，對于正常使用極限狀態(tài)疲勞荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的研究，國內(nèi)外的研究進展主要圍繞定性的變化規(guī)律［9-14］，在定量計算公式方面，目前開展的研究較少，尚無統(tǒng)一的認識．王海超等［15］進行了疲勞荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁的試驗研究，引入剛度降低系數(shù)對疲勞后的銹蝕鋼筋混凝土梁的截面抗彎剛度計算公式進行修正．吳瑾等［16］根據(jù)銹蝕鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞試驗結(jié)果，引入變形增大系數(shù)，基于建筑規(guī)范及歐洲規(guī)范擬合出了銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞荷載下的跨中撓度計算公式．

文中在已有研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合既有鋼筋混凝土梁橋的實際受力情況，進一步通過銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞加載試驗，分析了銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞荷載作用下剛度的變化規(guī)律，定量化地提出了疲勞加載下銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的計算公式，為既有混凝土橋梁結(jié)構(gòu)銹蝕疲勞性能的研究提供可靠的理論支撐和可行的技術(shù)方法．

1 試驗

1．1 試驗梁設(shè)計與制作

本次試驗共設(shè)計、制作了13根鋼筋混凝土梁，其截面尺寸及配筋如圖1所示．其中，1根試驗梁進行靜力加載，1根試驗梁進行疲勞加載，11根試驗梁加速銹蝕后進行疲勞加載．疲勞加載產(chǎn)生的鋼筋疲勞應(yīng)力下限值及應(yīng)力幅值參考鋼筋混凝土簡支梁橋的自重恒載與汽車活載組合值確定．主筋采用直徑為16mm的HRB335，實測屈服強度為478MPa、抗拉強度為608MPa．混凝土設(shè)計強度等級為C25，實測抗壓強度為31．3MPa．主筋伸出梁端15cm，用于接線．綁扎鋼筋前，逐根稱量主筋的初始質(zhì)量．

圖1 試驗梁截面尺寸及配筋圖(單位:mm)Fig．1 Global and cross section dimension and reinforcing bar arrangement(Unit:mm)

1．2 電化學加速銹蝕試驗

圖2 主筋通直流電加速銹蝕試驗照片F(xiàn)ig．2 Accelerated galvanic corrosion test of main reinforcing bars

試驗梁成型并養(yǎng)護28d后，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(以下簡稱標準)的試驗方法，對主筋通直流電進行電化學加速銹蝕，如圖2所示．根據(jù)法拉第定律，通過施加大小不等的電流以及控制通電時間，從而使試驗梁主筋達到不同的銹蝕率．電化學銹蝕達到預(yù)期的銹蝕率之后即進行疲勞加載試驗．

1．3 疲勞試驗加載與量測

試驗梁采取3分點彎曲疲勞加載，撓度測點布置如圖3所示．疲勞加載在雙通道微機控制電液伺服動靜態(tài)加載試驗系統(tǒng)(型號:JAW-500 K/4)上進行(如圖4所示)，采用力控制模式，正弦波形，加載頻率為4Hz．經(jīng)分析計算，疲勞荷載下限值取30kN，以模擬橋梁的恒載作用效應(yīng)，上限值取70 kN，為試驗梁靜力破壞荷載的47．3%．主筋疲勞應(yīng)力下限值為95．1MPa，上限值為 221．9MPa，應(yīng)力幅為 126．8MPa．上述的試驗荷載及其產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)相當于橋梁荷載在正常使用狀態(tài)短期效應(yīng)組合下的作用效應(yīng)．當疲勞循環(huán)次數(shù)到達0次、1次、1萬次、2萬次、5萬次、10萬次、20萬次、50萬次、100萬次、150萬次、200萬次后試驗中止，對試驗梁分級加靜載至疲勞荷載上限值，每級10kN，采集撓度數(shù)據(jù)．當試驗梁內(nèi)任意1根主筋發(fā)生疲勞斷裂，即試驗力的變化超限，作動器自動卸載保護，防止破壞后的試驗梁繼續(xù)受力，試驗終止．之后，鑿碎混凝土取出銹蝕疲勞后的主筋，截取主筋疲勞斷裂處兩側(cè)各5cm長區(qū)段，按照“標準”中的銹蝕率測定方法，除銹、打磨后稱重，以質(zhì)量損失作為實測的主筋銹蝕率．如循環(huán)200萬次后仍未發(fā)生疲勞破壞則繼續(xù)加靜載至靜力破壞．

圖3 試驗梁疲勞加載及撓度測點布置圖Fig．3 Fatigue loading and deflection measurement layout of the specimens

圖4 試驗梁疲勞加載試驗系統(tǒng)Fig．4 Fatigue loading test system for the specimens

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 銹脹裂縫

主筋銹蝕到一定程度后，在主筋附近的梁側(cè)面或梁底面可以觀察到順筋銹脹裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展(圖5)，但同一主筋位置處的銹脹裂縫不會在梁側(cè)面和底面同時出現(xiàn)．銹脹裂縫的出現(xiàn)，迅速削弱了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)作用，粘結(jié)損傷隨著裂縫的發(fā)展逐漸積累．

圖5 J2、J3試驗梁局部銹脹裂縫照片F(xiàn)ig．5 Local corrosion-induced cracks of J2and J3specimens

2．2 破壞形態(tài)

所有銹蝕后的試驗梁在疲勞加載到一定次數(shù)后，均發(fā)生脆性疲勞破壞(圖6)，其標志為梁內(nèi)某一根主筋突然發(fā)生疲勞斷裂，表現(xiàn)為疲勞荷載上限值突然下降，撓度突然增大，在鋼筋斷裂處形成較寬的主裂縫．試驗梁在疲勞破壞時可清晰聽到鋼筋斷裂的聲音，無任何預(yù)兆，具有突然性、危險性．

圖6 J1、J6試驗梁疲勞破壞照片F(xiàn)ig．6 Fatigue failure of J1and J6specimens

未銹蝕的試驗梁在循環(huán)200萬次后不發(fā)生疲勞破壞，并在隨后的靜力破壞試驗中表現(xiàn)出較好的延性破壞特征，實際破壞荷載為148kN，與未疲勞加載的未銹蝕梁的靜力破壞荷載基本一致，表明疲勞作用對未銹蝕的鋼筋混凝土梁的靜力性能沒有實質(zhì)影響．

2．3 撓度變形

試驗梁在不同疲勞循環(huán)次數(shù)后測得的分級靜載下的跨中撓度如表1所示，從表1中可以發(fā)現(xiàn):

(1)從初始的未循環(huán)加載未出現(xiàn)裂縫至循環(huán)1次后出現(xiàn)裂縫，試驗梁的跨中撓度急劇增大，梁截面剛度大幅削弱(疲勞循環(huán)次數(shù)N=0，1次)．首次加載后剛度顯著降低，是因為受拉區(qū)混凝土開裂并退出工作，中性軸上移，全截面抗彎慣矩轉(zhuǎn)變?yōu)殚_裂截面抗彎慣矩．

(2)混凝土開裂后，在疲勞荷載的反復(fù)作用下，試驗梁的跨中撓度逐漸增大，梁截面剛度進一步緩慢下降(N≤5萬次)．這是由于主筋銹蝕后表面的銹層破壞并降低了主筋與混凝土之間的化學膠合力與靜摩擦力，橫肋的銹蝕進一步削減了主筋與混凝土之間的機械嚙合作用，這將導致主筋與混凝土變形上的不一致，鋼筋與混凝土之間的應(yīng)變不均勻且有增大的趨勢．在疲勞荷載的作用下，既有裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展、緩慢增寬以及逐漸新產(chǎn)生的豎向裂縫釋放了這種變形的不協(xié)調(diào)，從而使得裂縫間主筋與混凝土的應(yīng)變趨于一致．

(3)隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增多，試驗梁的跨中撓度基本保持不變，剛度維持穩(wěn)定(N＞5萬次)．這是由于疲勞裂縫的產(chǎn)生已基本完成，由銹蝕引起的主筋與混凝土之間的粘結(jié)退化及應(yīng)變不協(xié)調(diào)的損傷再積累過程十分緩慢．

以上表明，在疲勞反復(fù)荷載作用下，試驗梁開裂后隨循環(huán)次數(shù)的增加跨中撓度的變化具有明顯的兩階段特征，即緩慢增大并趨于穩(wěn)定;與之相應(yīng)，也間接反映出試驗梁的剛度變化同樣具有兩階段的變化特征，即緩慢減小并趨于穩(wěn)定．

表1 分級靜載下給定循環(huán)次數(shù)時跨中撓度實測值Table 1 Measured values of mid-span deflection under static step loading at prescribed number of fatigue cycles

續(xù)表1

3 疲勞加載下銹蝕鋼筋混凝土梁剛度修正計算公式

通常，鋼筋混凝土梁不能被視作各向同性的彈性材料，由于帶裂縫工作，其截面抗彎剛度隨荷載作用時間、作用大小的變化而變化．考慮到試驗梁加載時間較短，僅對短期剛度展開研究，從而適用材料力學中均質(zhì)彈性梁的跨中撓度計算公式:

式中:λ為與支承條件、荷載形式相關(guān)的系數(shù)，對于本試驗，由結(jié)構(gòu)力學易得λ=0．1065;l為計算跨徑，本試驗l=1．5m;f、M、B為跨中截面的撓度、彎矩及抗彎剛度．

JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)第6．5．2條給出了鋼筋混凝土受彎構(gòu)件短期剛度(Bs)的計算公式:

式中各符號的定義及取值詳見規(guī)范規(guī)定．

規(guī)范給出的短期剛度計算公式未考慮鋼筋銹蝕與疲勞作用的影響．為了定量反映銹蝕與疲勞雙重作用影響下梁截面抗彎剛度的變化，引入銹蝕作用剛度修正系數(shù)g(η)及疲勞作用剛度修正系數(shù)g(N)對規(guī)范中鋼筋混凝土梁的短期剛度進行修正:

式中，η 為銹蝕率，c1、c2、d1、d2為待定系數(shù)．

結(jié)合式(1)-(5)，并根據(jù)本試驗12片不同銹蝕率的試驗梁在循環(huán)1次、1萬次、2萬次、5萬次、10萬次、20萬次、50萬次、100萬次、…，荷載10、20、30、40、50、60、70 kN 情況下的 616 個撓度實測值，非線性擬合出 c1=0．091 2、c2=0．081 3、d1=4．2828、d2=2．1425，從而得到銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞反復(fù)荷載作用下剛度的修正計算公式為

對于本次試驗的試驗梁，根據(jù)式(1)、(2)、(6)計算的撓度值與實測值的偏差分析的統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示．從圖中可以看出，公式計算值與試驗實測值的偏差絕大多數(shù)在0～15%，且其中大部分偏差在10%之內(nèi)，檢驗了所擬合出的計算公式的可靠性．這樣的誤差對于工程應(yīng)用而言是令人滿意的，證明了文中提出的剛度修正計算公式具有一定的適用性，可為銹蝕鋼筋混凝土梁橋長期活載作用下?lián)隙茸冃蔚挠嬎闩c評估提供參考．

圖7 試驗梁剛度修正計算公式偏差分布圖Fig．7 Deviation distribution of modified calculation formula for flexural stiffness

4 結(jié)論

(1)所有銹蝕后的試驗梁在循環(huán)加載到一定次數(shù)后，均發(fā)生脆性疲勞破壞，標志為試驗梁內(nèi)的某一根主筋疲勞斷裂，無任何預(yù)兆，具有突然性、危險性．未銹蝕的試驗梁在循環(huán)200萬次后不發(fā)生疲勞破壞，并在靜載破壞試驗中表現(xiàn)出較好的延性破壞特征，表明疲勞作用對未銹蝕梁的靜力性能沒有實質(zhì)影響．

(2)在疲勞反復(fù)荷載作用下，試驗梁截面抗彎剛度隨循環(huán)次數(shù)的變化具有明顯的兩階段特征，即緩慢減小并趨于穩(wěn)定．

(3)在試驗梁截面抗彎剛度變化規(guī)律定性分析的基礎(chǔ)上，引入分別考慮鋼筋銹蝕與疲勞作用的剛度修正系數(shù)，定量化地提出了銹蝕鋼筋混凝土梁在疲勞反復(fù)荷載作用下剛度的修正計算公式，并對公式的計算值與試驗實測值進行了對比驗證，可用于長期車輛活載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁橋撓度變形的計算與評估．

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