加載頻率對(duì)高強(qiáng)鋼筋疲勞試驗(yàn)的影響研究

林 輝,徐升橋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

我國土木工程建設(shè)領(lǐng)域以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，熱軋帶肋鋼筋為主要原材料。2013年全國各大區(qū)域熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)量分布如圖1所示。由于鐵路工程結(jié)構(gòu)剛度較大，荷載作用較大，高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用有助于改善結(jié)構(gòu)受力。鐵路工程結(jié)構(gòu)由于受重復(fù)-交變荷載的作用，往往在低于材料允許應(yīng)力的服役條件下產(chǎn)生疲勞破壞。雖然建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了高強(qiáng)鋼筋的疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)，但其試驗(yàn)樣本少，且主要采用大型鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，代表性差。重要的是建筑結(jié)構(gòu)疲勞受力特性不顯著，鐵路工程不能直接參考使用。目前，鐵路標(biāo)準(zhǔn)中缺少HRB400及以上高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能設(shè)計(jì)參數(shù)。為充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，有效降低鋼筋用量，中國鐵路總公司組織開展了鐵路工程應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋的相關(guān)試驗(yàn)研究，第一階段進(jìn)行了高、低頻試驗(yàn)對(duì)高強(qiáng)鋼筋疲勞性能影響的研究。

圖1 2013年全國各大區(qū)域熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)量分布

1 疲勞試驗(yàn)加載頻率

從19世紀(jì)中葉開展系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)以來，疲勞試驗(yàn)設(shè)備有了較大的發(fā)展。從最初的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)發(fā)展到電液伺服試驗(yàn)機(jī)，再到超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，正是疲勞試驗(yàn)加載速度的穩(wěn)步提高，才使構(gòu)件的長壽命、甚至超長壽命的疲勞性能研究成為可能。

例如，若采用10 Hz的常規(guī)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行超長壽命的疲勞性能試驗(yàn)研究(一般要求大于109次)，則一個(gè)試件就需要加載3年，這實(shí)際成了一種無法完成的試驗(yàn)計(jì)劃。此時(shí)，若采用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，則可以將一個(gè)試件的時(shí)間控制在14 h以內(nèi)。由于鐵路工程應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋相關(guān)試驗(yàn)，樣本量大、加載次數(shù)高，若采用常規(guī)疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)周期將變得無法承受。因此，本次試驗(yàn)研究先探索加載頻率更高的電磁共振式高頻試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用到試驗(yàn)中。

2 高強(qiáng)鋼筋疲勞試驗(yàn)取樣

課題采用的熱軋帶肋鋼筋(HRB400和HRB500級(jí)別)進(jìn)行統(tǒng)一取樣，總體上涵蓋不同區(qū)域的大、中、小型鋼筋生產(chǎn)廠家，每件樣品從不同根鋼筋選取[1-3]。依據(jù)《鋼筋混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》(GB/T28900—2012)和《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB1499.2—2007)的要求檢驗(yàn)鋼筋母材的力學(xué)和化學(xué)性能，其中部分HRB400鋼筋化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表1；部分HRB400鋼筋力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表2；部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 部分HRB400鋼筋化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

表2 部分HRB400鋼筋力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

表3 部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果

3 加載頻率對(duì)高強(qiáng)鋼筋母材疲勞性能影響

為驗(yàn)證高強(qiáng)鋼筋母材在高、低頻動(dòng)態(tài)加載下性能的穩(wěn)定性，試驗(yàn)選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋進(jìn)行高、低頻比對(duì)試驗(yàn)。試驗(yàn)選取8支試樣，設(shè)定應(yīng)力范圍分別為240、256、288 MPa和320 MPa四檔。每檔試驗(yàn)兩支試樣，將試件隨機(jī)分為兩組，保證每組試樣覆蓋4種不同應(yīng)力范圍。一組在INSTRON 8801疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，頻率設(shè)定為10 Hz；一組在SINCOTEC高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，頻率設(shè)定為60～70 Hz。通過相同應(yīng)力范圍不同頻率進(jìn)行比對(duì)，得到高強(qiáng)鋼筋母材高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 高強(qiáng)鋼筋母材高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖2可知，同批同規(guī)格高強(qiáng)鋼筋母材的疲勞性能在不同頻率下基本相同，即頻率效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼筋母材的疲勞性能沒有太大影響。無論中國標(biāo)準(zhǔn)還是國外標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，對(duì)高強(qiáng)鋼筋疲勞試驗(yàn)的頻率規(guī)定均為0～120 Hz，并未根據(jù)使用工況的不同而對(duì)頻率的高、低做出具體要求。高強(qiáng)鋼筋母材疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致，即頻率效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼筋母材的疲勞性能基本沒有影響，可以根據(jù)實(shí)際情況選用頻率進(jìn)行高強(qiáng)鋼筋母材疲勞試驗(yàn)。

4 加載頻率對(duì)高強(qiáng)鋼筋連接接頭疲勞性能影響

4.1 電弧焊連接接頭

為驗(yàn)證高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭在高、低頻動(dòng)態(tài)加載下性能的穩(wěn)定性，試驗(yàn)選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋，采用同一工藝、同一工人和同一設(shè)備，制作出一批試件。電弧焊連接接頭嚴(yán)格按照《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ 18—2012)制作并驗(yàn)收。試件隨機(jī)分為2組，一組在MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為15 Hz；一組在GPS350高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為約100 Hz。試驗(yàn)得到高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，不同疲勞試驗(yàn)頻率得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本分布在同一條直線附近，用高頻和低頻數(shù)據(jù)回歸得到的曲線非常接近。從兩中值S-N曲線上得到的低頻疲勞試驗(yàn)200萬次疲勞強(qiáng)度為83.8 MPa，高頻疲勞試驗(yàn)200萬次疲勞強(qiáng)度為83.2 MPa，相差很小。結(jié)果說明在0到120赫茲范圍，加載頻率對(duì)高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭疲勞性能的影響很小[6-9]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果的一致性，將進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。S-N曲線的斜線段是對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)內(nèi)的線性回歸，判斷2種加載頻率對(duì)同一批試件的試驗(yàn)結(jié)果是否具有顯著影響的實(shí)質(zhì)，是判斷2條回歸曲線的參數(shù)是否有顯著性差異，此時(shí)可采用Chow檢驗(yàn)進(jìn)行判斷[10-13]。Chow檢驗(yàn)的基本思路是：如果2個(gè)回歸的參數(shù)確有不同，則2組數(shù)據(jù)混合后進(jìn)行回歸的殘差平方和將顯著大于2組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸的殘差平方和。

高頻試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為第1組，共有17個(gè)有效試樣；低頻試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為第2組，共有7個(gè)有效試樣。高頻試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)得到的S-N曲線為：LogN=α1+α2LogS；低頻試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)得到的S-N曲線為：LogN=β1+β2LogS。根據(jù)高、低頻疲勞試驗(yàn)差異性Chow檢驗(yàn)的原理和程序，提出原假設(shè)和備擇假設(shè)為

H0:αi=βi(i=1，2)；

H1:存在i，αi≠βi(i=1，2)

(1)

根據(jù)Chow檢驗(yàn)原理，可構(gòu)造出統(tǒng)計(jì)量

(2)

此時(shí)：F～F(k+1，n1+n2-2k-2)中k為回歸曲線中的系數(shù)個(gè)數(shù)，此處k=2。代入式(2)，可得F=0.26，取顯著性水平α=0.1，置信度水平為90%，查表可得F0.1(3.17=2.42)>F=0.26。因此，不能拒絕原假設(shè)，即高強(qiáng)鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果相同。

4.2 閃光對(duì)焊連接接頭

為驗(yàn)證高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭在高、低頻動(dòng)態(tài)加載下性能的穩(wěn)定性，試驗(yàn)選取同一批HRB400和HRB500直徑16 mm的鋼筋進(jìn)行高、低頻比對(duì)試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)閃光對(duì)焊焊接質(zhì)量進(jìn)行外觀檢查和力學(xué)性能檢測。外觀檢查主要內(nèi)容為：(1)對(duì)焊接頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋；(2)與電級(jí)接觸處的鋼筋表面，不得有明顯燒傷；(3)接頭處的彎折角不得大于2°；(4)接頭處的軸線偏移不得大于鋼筋直徑的0.1倍，且不得大于1 mm。力學(xué)性能檢測包括拉伸和冷彎等目前國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容。試件隨機(jī)分為2組，一組在MTS Landmark低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為15 Hz。一組在GPS350高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為約80 Hz。

圖4 高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB400應(yīng)力比0.2)

試驗(yàn)得到高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB400應(yīng)力比0.2)，如圖4所示；高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB400應(yīng)力比0.4)，如圖5所示；高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB500應(yīng)力比0.2)，如圖6所示。

圖5 高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB400應(yīng)力比0.4)

圖6 高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果(HRB500應(yīng)力比0.2)

由圖3～圖6可知，無論HRB400級(jí)高強(qiáng)鋼筋還是HRB500級(jí)高強(qiáng)鋼筋，同批同規(guī)格高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭的疲勞性能基本相同。同時(shí)，無論試驗(yàn)應(yīng)力比0.2還是應(yīng)力比0.4，同批同規(guī)格高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭的疲勞性能也基本相同，即頻率效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭的疲勞性能沒有太大影響，可以根據(jù)實(shí)際情況選用頻率進(jìn)行高強(qiáng)鋼筋閃光對(duì)焊連接接頭的疲勞試驗(yàn)。

4.3 機(jī)械連接接頭

根據(jù)鐵科院等開展的鐵路用滾軋直螺紋、鐓粗直螺紋和擠壓型3種機(jī)械連接接頭的疲勞性能試驗(yàn)研究，滾軋直螺紋連接組件的疲勞性能最好[14-15]。因此本課題機(jī)械連接接頭采用剝肋滾壓直螺紋連接接頭的連接方式。

為驗(yàn)證高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭在高、低頻動(dòng)態(tài)加載下性能的穩(wěn)定性，試驗(yàn)選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋，采用同一工藝、同一工人和同一設(shè)備，制作出一批試件。對(duì)鋼筋剝肋滾壓直螺紋連接接頭按照《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ107—2010)、《鋼筋機(jī)械連接用套筒》(JGT163—2013)和《鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2010]41號(hào))要求進(jìn)行加工和檢測。試件隨機(jī)分為2組，一組在MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為18 Hz。一組在PLG-200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率設(shè)定為約130 Hz。試驗(yàn)得到高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭高、低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知：(1)在疲勞壽命小于100萬次時(shí)，低頻測試結(jié)果普遍高于高頻測試結(jié)果；(2)應(yīng)力范圍較高時(shí)，高低頻結(jié)果差異越大，應(yīng)力范圍較低時(shí)，高低頻結(jié)果差異較小；(3)由S-N曲線的趨勢可判斷，在疲勞壽命高于100萬次時(shí)，低頻測試結(jié)果將會(huì)低于高頻測試結(jié)果。經(jīng)查找原因，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在動(dòng)態(tài)標(biāo)定過程中數(shù)值標(biāo)定不準(zhǔn)造成低頻與高頻的比值約為1.1。經(jīng)反算，如果高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)標(biāo)定準(zhǔn)確，頻率效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭的疲勞性能沒有太大影響，可以根據(jù)實(shí)際情況選用頻率進(jìn)行高強(qiáng)鋼筋機(jī)械連接接頭的疲勞試驗(yàn)。

5 結(jié)論

(1)采用高、低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的高強(qiáng)鋼筋母材對(duì)比疲勞試驗(yàn)結(jié)果無明顯差異，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可用于母材的疲勞試驗(yàn)。

(2)采用高、低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的電弧焊連接接頭對(duì)比疲勞試驗(yàn)結(jié)果無明顯差異，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可用于電弧焊連接接頭的疲勞試驗(yàn)。

(3)采用高、低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的閃光對(duì)焊連接接頭對(duì)比疲勞試驗(yàn)結(jié)果無明顯差異，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可用于閃光對(duì)焊連接接頭的疲勞試驗(yàn)。

(4)采用高、低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械連接接頭對(duì)比疲勞試驗(yàn)結(jié)果無明顯差異，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可用于機(jī)械連接接頭的疲勞試驗(yàn)。

綜上所述，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)可用于高強(qiáng)鋼筋母材及其連接接頭的疲勞試驗(yàn)，大幅提高了疲勞試驗(yàn)效率。

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