公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究

樊　素

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 結(jié)構(gòu)技術(shù)中心， 四川 德陽(yáng)　618000)

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公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究

樊素

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 結(jié)構(gòu)技術(shù)中心， 四川 德陽(yáng)618000)

隨著公路服役年限的增加，公路鋼筋混凝土梁疲勞破壞已在工程領(lǐng)域引起重視。首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，然后以中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)槔?，結(jié)合ANSYS 9.0軟件驗(yàn)算了算例橋梁的疲勞應(yīng)力，最后結(jié)合超載問(wèn)題以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載已不滿足規(guī)范要求現(xiàn)狀，對(duì)公路橋梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)得出結(jié)論：各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬(wàn)次，表明我國(guó)中小跨徑公路橋梁耐久性大大降低，存在潛在的安全事故問(wèn)題。

車輛荷載模型； 疲勞應(yīng)力； 等幅疲勞試驗(yàn)

0　引言

我國(guó)對(duì)跨河、跨海橋梁進(jìn)行了大量的研究，然而僅有少量試驗(yàn)對(duì)公路橋梁的應(yīng)力水平、疲勞水平進(jìn)行研究，公路橋梁作為公路交通的瓶頸，在運(yùn)營(yíng)安全方面具有十分重大的意義。自上世紀(jì)以來(lái)，鋼筋混凝土橋梁因其造價(jià)經(jīng)濟(jì)，制造簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)公路通車?yán)锍讨校摻罨炷凉窐蛄杭s占領(lǐng)總橋梁數(shù)的80%，因此鋼筋混凝土公路橋梁在公路工程中占據(jù)著非常重要的地位，其設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等流程都十分重要。

鋼筋混凝土公路橋梁地位如此之重，卻也存在著兩個(gè)非常突出的安全問(wèn)題： ①車輛對(duì)橋梁的承載能力要求越來(lái)越高； ②隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，其承載能力逐漸減小且發(fā)生疲勞破壞的可能性日益增大。如果這兩個(gè)問(wèn)題不能得到有效的解決，必然會(huì)導(dǎo)致交通事故發(fā)生。引起公路橋梁承載力下降的因素有許多，主要包括材料自身特性、不良環(huán)境侵蝕以及長(zhǎng)期汽車荷載作用。在長(zhǎng)期的汽車荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部易引起損傷積累，使得橋梁發(fā)生疲勞破壞。

因此本文有針對(duì)性的選取了常見(jiàn)的典型中小跨度公路橋梁，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載下的耐久性研究，已期提高公路橋梁的耐久性，進(jìn)而提高公路的使用壽命。本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)樗憷?，結(jié)合ANSYS9.0軟件驗(yàn)算了三路居橋梁的疲勞應(yīng)力，通過(guò)模型與計(jì)算可知在小跨徑公路橋梁荷載問(wèn)題中，活荷載所占比重較高，存在較大的疲勞破壞潛在風(fēng)險(xiǎn)；并且由于我國(guó)超載問(wèn)題較為嚴(yán)重，雖然算例橋梁的設(shè)計(jì)荷載滿足規(guī)范要求，但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載狀況下已不滿足規(guī)范要求，并不能將200萬(wàn)次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此對(duì)公路橋梁進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)可知各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，表明我國(guó)中小跨徑公路橋梁存在很大的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

1　公路車輛疲勞荷載模型的建立

在實(shí)際工程中，公路橋梁的應(yīng)力水平往往決定了公路的使用耐久性，我國(guó)對(duì)跨河、跨海橋梁進(jìn)行了大量的研究，然而僅有少量試驗(yàn)對(duì)公路橋梁的應(yīng)力水平、超載水平進(jìn)行研究，因此本文有針對(duì)性地選取了常見(jiàn)的典型中小跨度公路橋梁，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載下的耐久性研究，以期提高公路橋梁的耐久性，進(jìn)而提高公路的使用壽命。本文選取正在服役的三路居橋作為中小跨徑橋梁的代表，該橋?yàn)槿绾?jiǎn)支鋼筋混凝土橋梁，全長(zhǎng)37.9 m，寬度4.8 m，橋跨組合10 m+14.96 m+10 m，始建于1982年，并于2008年進(jìn)行維修，維修后上部結(jié)構(gòu)采取裝配式鋼筋混凝土T梁，中心間距1.6 m，其基本概況見(jiàn)表1，圖1。

1.1荷載模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《公路橋涵通道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60 — 2004)，一般采取車道荷載與車輛荷載兩種形式，車道荷載由均布荷載與集中荷載組成，按照公路1級(jí)水平，結(jié)合影響線最不利荷載方式來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。車輛荷載用于橋梁局部加載效應(yīng)計(jì)算，車道荷載與車輛荷載用于橋梁的靜力計(jì)算，針對(duì)車輛動(dòng)力效應(yīng)，需要引入沖擊數(shù)來(lái)對(duì)靜力效應(yīng)調(diào)整(見(jiàn)圖2)。

表1 三路居橋鋼筋混凝土基本概況Table1 Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete橋梁名稱跨徑/m截面形式荷載等級(jí)車道數(shù)橋梁寬度/m梁高/m主梁片數(shù)混凝土等級(jí)縱筋數(shù)量及等級(jí)三路居橋14.96T梁公路1級(jí)14.80.753C30頂4?28底12?28

圖1　三路居橋主梁跨中斷面及構(gòu)造配筋圖Figure 1　　　　Three road bridge girder section and span structure reinforcement chart

圖2　公路1級(jí)車道荷載模型Figure 2　Load model of 1 grade highway

由于橋梁結(jié)構(gòu)與車輛荷載相互作用會(huì)產(chǎn)生荷載變幅，因此要考慮恒荷載與活荷載的組合效應(yīng)。在設(shè)計(jì)基本組合中，根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60 — 2004)，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合系數(shù)取1.2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合系數(shù)取1.4。針對(duì)疲勞荷載組合，查閱美國(guó)AASHTO規(guī)范可知，AASHTO規(guī)范將疲勞極限狀態(tài)并列于承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)提出，疲勞荷載組合中僅僅考慮了0.75的活荷載組合系數(shù)。根據(jù)我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010 — 2010)指出，在疲勞荷載驗(yàn)算中荷載應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，吊車荷載需乘以動(dòng)力系數(shù)，根據(jù)我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017 — 2003)，針對(duì)直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值不乘以動(dòng)力系數(shù)。綜合上述規(guī)范可知，在各個(gè)荷載組合方法中，疲勞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)并未獨(dú)立出來(lái)，因此結(jié)合公路橋梁實(shí)際問(wèn)題，考慮到汽車荷載沖擊效應(yīng)明顯，本文采取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010 — 2010)中的組合方法，對(duì)汽車荷載考慮沖擊系數(shù)μ，具體組合方法如表2所示。

表2 荷載組合方式及參數(shù)Table2 Loadcombinationmodeandparameters荷載組合組合名稱組合系數(shù)恒荷載活荷載組合1設(shè)計(jì)基本組合1.21.4組合2疲勞組合11+μ

沖擊系數(shù)μ根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD60 — 2004)，按照公式(1)、式(2)計(jì)算：

橋梁基頻：

(1)

沖擊系數(shù)：

μ=0.176 7lnf-0.015 7

(2)

因此，得到三路居橋梁的沖擊系數(shù)如表3所示。

表3 三路居橋梁基頻與沖擊系數(shù)Table3 bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序號(hào)l/mE/(N·mm-2)Ic/m4A/m2mc/(kg·m-1)f/Hzμ1153×1030.02450.48312565.340.28

1.2ANSYS軟件實(shí)體建模

在ANSYS軟件中，梁一般采取桿單元模型，結(jié)合三路居橋梁的簡(jiǎn)支梁形式，只需在梁一端節(jié)點(diǎn)處約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及一個(gè)沿軸線方向的線自由度，另一端制作節(jié)點(diǎn)約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，梁體與制作節(jié)點(diǎn)剛性連接并保持位移與協(xié)調(diào)變形條件。所建好的實(shí)體模型如圖3所示。

圖3　三路居橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Figure 3　Three road bridge superstructure model

1.3公路鋼筋混凝土橋梁疲勞應(yīng)力計(jì)算

結(jié)合上述荷載模型以及參數(shù)設(shè)計(jì)，采用ANSYS 9.0軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)算，其中疲勞驗(yàn)算根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010 — 2010)，主要計(jì)算方法如公式(3)～式(6)所示：

等效截面參數(shù)：

(3)

(4)

鋼筋應(yīng)力幅：

(5)

混凝土最大壓應(yīng)力：

(6)

結(jié)合上述車道好荷載模型與疲勞驗(yàn)算公式，采取ANSYS 9.0軟件進(jìn)行計(jì)算，最終得到算例橋梁的疲勞應(yīng)力值如表4所示。

表4 算例橋梁疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以及規(guī)范限值Table4 Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit計(jì)算荷載跨徑/mMfmaxMfminσfs,maxσfs,minΔσfs[Δσfs]σfc,max[σfc]設(shè)計(jì)荷載15.00950.10460.29206.7299.80105.91120.169.1613.24標(biāo)準(zhǔn)荷載15.00806.52460.29175.1599.8074.34103.877.1314.26調(diào)查荷載15.001028.51460.29224.0399.80123.22125.2510.1813.24

結(jié)合表4可知: 標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載下橋梁的縱向鋼筋應(yīng)力幅較小，距離《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 — 2010)鋼筋疲勞應(yīng)力幅值尚有一定安全儲(chǔ)備，在表4中，設(shè)計(jì)荷載與實(shí)際調(diào)查下的縱向鋼筋應(yīng)力幅值分別接近118、123 MPa，根據(jù)朱紅兵試驗(yàn)得出的普通鋼筋疲勞壽命S—N曲線可知，設(shè)計(jì)荷載水平下的極限循環(huán)次數(shù)分別為268萬(wàn)次與243萬(wàn)次，調(diào)查荷載應(yīng)力下的極限循環(huán)次數(shù)為157萬(wàn)次與124萬(wàn)次。根據(jù)規(guī)范選定200萬(wàn)次作為疲勞破壞界限，可知算例橋梁滿足疲勞驗(yàn)算試驗(yàn)。通過(guò)上述疲勞應(yīng)力的驗(yàn)算可知算例橋梁滿足設(shè)計(jì)荷載應(yīng)力規(guī)范要求，然而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載下已不滿足規(guī)范要求，因此并不能完全確定是否橋梁在200萬(wàn)次循環(huán)界限時(shí)發(fā)生疲勞破壞，為此需進(jìn)一步進(jìn)行鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)，獲取相應(yīng)應(yīng)力水平下的極限循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行更準(zhǔn)確的疲勞壽命評(píng)估。

2　鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)梁原材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采取C40混凝土，普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級(jí)配官平卵石，最大粒徑31.5 mm，細(xì)骨料為渭河細(xì)沙，細(xì)度模數(shù)為2.0，砂率為38%。鋼筋采取HRB400熱軋帶肋鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為440 MPa，極限抗拉強(qiáng)度610 MPa；混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa。試驗(yàn)梁長(zhǎng)2.7 m，計(jì)算跨度2.4 m，梁寬150 mm、高300 mm，其配筋構(gòu)造如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)梁配筋構(gòu)造Figure 4　Structure of test beam reinforcement

2.2銹蝕方案

本文采取快速通電銹蝕方案，將實(shí)驗(yàn)梁放置在濕鹽砂中，以濕鹽砂為導(dǎo)電介質(zhì)，形成電解回路如圖5所示。

圖5　濕鹽砂銹蝕方案Figure 5　Corrosion of wet salt sand

在通電銹蝕期間，定時(shí)向濕鹽砂澆入飽和鹽水并覆蓋棕墊減緩濕鹽砂水分蒸發(fā)，銹蝕采取梁體沿縱向鋼筋鋼筋裂縫控制，以0.1、0.3、0.6、1.0 mm為裂縫寬度等級(jí)，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.6 mm后再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測(cè)試。

2.3疲勞試驗(yàn)加載與測(cè)試方案

采用西安建筑科技大學(xué)YAW — 5000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，整個(gè)加載系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　疲勞試驗(yàn)加載系統(tǒng)Figure 6　loading system of fatigue test

結(jié)合圖6可知： 采取三分點(diǎn)靜力加載方式以位移控制，加載速度總體設(shè)置為0.05 mm/min，不同階段加載速度如表5所示。

接下來(lái)要明確測(cè)試內(nèi)容并進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置，主要測(cè)試混凝土應(yīng)變、純彎鋼筋應(yīng)變以及跨中撓度，在兩根主筋跨中位置分別粘貼應(yīng)變片，梁跨中頂面以及地面各粘貼一個(gè)混凝土應(yīng)變片，梁跨中位置兩側(cè)面間隔50 mm粘貼混凝土應(yīng)變片，應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表5 靜力試驗(yàn)各階段加載速率Table5 Loadingrateateachstageofstatictest加載階段預(yù)加載預(yù)加載～McrMcrMconMu荷載區(qū)間0～5Mcr5～0.8Mcr0.8～1.2Mcr0.8～1.2Mcon0.8～Mu加載速率/(mm·min-1)0.50.50.20.20.2

表6 鋼筋、混凝土應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)Table6 Technicalparametersofsteelbarandconcretestraingauge型號(hào)電阻值/Ω靈敏系數(shù)柵長(zhǎng)×柵寬BX120-5AA 120±0.1%2.12±1.3% 5×3BX120-80AA120±0.1%2.12±1.3%80×3

2.4測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，獲得梁的荷載—位移曲線如下圖7所示，獲得控制荷載實(shí)測(cè)值與第一節(jié)理論計(jì)算值對(duì)比關(guān)系如表7所示。

表7 靜力試驗(yàn)控制荷載計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Table7 Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷載下限荷載上限S1S2極限承載力水平應(yīng)力0.250.50.55鋼筋應(yīng)力/MPa100200220鋼筋應(yīng)變/με50010001100控制荷載設(shè)計(jì)值/kN4275.882.8144 控制荷載實(shí)測(cè)值/kN43.972.579.6177.6 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差/%4.54.351.16 23.3 跨中位移實(shí)測(cè)值/mm6.799.4510.06 32.28

從圖7中可以看出: 試驗(yàn)梁先后經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段以及局部緊縮階段，為典型的適筋梁破壞。結(jié)合表7可知：各控制荷載實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，除梁的極限承載力差別較大，實(shí)測(cè)值教計(jì)算值超出23.3%。

圖7　靜載試驗(yàn)荷載-位移曲線Figure 7　Load displacement curve of static load test

接下來(lái)對(duì)試驗(yàn)鋼筋混凝土梁采取等幅疲勞試驗(yàn)，記錄疲勞循環(huán)過(guò)程中縱向鋼筋應(yīng)力變化情況，通過(guò)應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，采集到的試驗(yàn)梁疲勞循環(huán)過(guò)程中縱向鋼筋應(yīng)力變化情況如圖8、表8所示。

圖8　試驗(yàn)梁縱向鋼筋應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Figure 8　The variation of stress with cycle times of test beam

結(jié)合圖8與表8可知： 在疲勞試驗(yàn)加載初期，縱筋應(yīng)力幅值保持平穩(wěn)，與設(shè)計(jì)階段幅值基本接近，表明試驗(yàn)控制達(dá)到了預(yù)期目的，在RCBPLL — 1梁中，隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，縱筋應(yīng)力上峰值與下峰值保持穩(wěn)定，直到破壞邊緣上峰值與下峰值增大了2.5%～16.1%，表明梁體內(nèi)部發(fā)生了明顯的疲勞損傷，而在梁RCBPLL — 2中，縱筋上峰值與下峰值出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這可能是由于應(yīng)變片粘貼位置發(fā)生偏移，使得測(cè)試應(yīng)力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

表8 縱向鋼筋動(dòng)態(tài)應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化情況Table8 Thedynamicstressoflongitudinalreinforce-mentwiththechangeofcycletimes梁循環(huán)次數(shù)/萬(wàn)次最大值/MPa最小值/MPa幅值/MPa11187.685.4102.22190.083.0107.05192.481.4111.010200.489.4111.050195.6103.092.6RCBPLL—1100198.894.2104.6150196.492.6103.8200190.091.099.0250189.286.2103.0280197.285.4111.81227.9113.4114.62238.3130.9107.45222.498.2124.210244.7126.1118.6RCBPLL—250291.8141.3150.5100270.3123.0147.3179185.683.8101.8182174.539.1135.3

3　結(jié)論

本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)樗憷Y(jié)合ANSYS9.0軟件驗(yàn)算了三路居橋梁的疲勞應(yīng)力，通過(guò)模型與計(jì)算可知在小跨徑公路橋梁荷載問(wèn)題中，活荷載所占比重較高，為50%～60%，因此存在較大的疲勞問(wèn)題；并且由于我國(guó)超載問(wèn)題較為嚴(yán)重，雖然算例橋梁的設(shè)計(jì)荷載滿足規(guī)范要求，但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載狀況下已不滿足規(guī)范要求，并不能將200萬(wàn)次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此需對(duì)公路橋梁進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取相應(yīng)應(yīng)力水平下的極限循環(huán)次數(shù)。

通過(guò)縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)可知各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬(wàn)次，表明我國(guó)中小跨徑公路橋梁存在潛在的安全事故問(wèn)題，需受到廣泛的重視以免發(fā)生交通事故。

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The Research on Durability and Fatigue Test of Highway Reinforced Concrete

FAN Su

(Sichuan College of Architecture Technology Structure Technology Center, Deyang,Sichuan 618000, China)

With the increase of the service life of the road, the fatigue damage of the reinforced concrete beam has been paid attention to in the engineering field. We set up the highway bridge vehicle load model, Then with small and medium span highway bridge road bridge for example, combined with calculation of ANSYS 9.0 software the numerical bridge as example the fatigue stress, finally overload problem and the actual operating load has not meet the specification requirements of the situation, and the experimental study is carried out on the highway bridge, through the corrosion of longitudinal reinforcement beam fatigue test, a conclusion is drawn: for each test beam limit cycles is greatly reduced, is close to or even less than 200 million times, indicating that China's small and medium span highway bridge durability greatly reduced, there are potential safety problems.

vehicle load model； fatigue stress； constant amplitude fatigue test

2016 — 04 — 18

樊素(1983 — )，女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)04 — 0274 — 05