配筋率和氯腐蝕環(huán)境對鋼筋混凝土梁疲勞損傷累積的影響

許見超 吳潔瓊 刁波 石龍 王帥

（1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191；3.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）橋梁結(jié)構(gòu)受到的車輛疲勞荷載水平一般較低，疲勞荷載水平約為0.4 時［1］會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生低載疲勞脆性破壞。沿海地區(qū)RC 梁結(jié)構(gòu)還受氯環(huán)境的腐蝕作用，外部環(huán)境中的氯離子通過疲勞裂縫進入混凝土內(nèi)部到達鋼筋表面，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，大大降低了結(jié)構(gòu)壽命。

近年來，國內(nèi)外學者對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞問題進行了大量研究。首先，已有研究證實配筋率是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學性能的重要因素之一［2-3］。Tong 等［2］研究了低載疲勞作用下梁試件的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)提高H 型鋼配筋率會提高梁的疲勞強度。陳浩軍等［3］研究證明在疲勞荷載作用下，不同配筋率（0～1.946%）的混凝土梁會出現(xiàn)折斷破壞、彎拉破壞和剪壓破壞3 種破壞形式。其次，在疲勞加載過程中，裂縫開展、殘余變形以及結(jié)構(gòu)耗散能量的情況都表征了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積情況［4-6］。Toumi等［4］研究了疲勞加載作用下混凝土的裂縫開展情況，發(fā)現(xiàn)裂縫比靜力加載時更復(fù)雜，且試件內(nèi)部裂縫主路徑前端沒有不連續(xù)的微裂縫。Liu等［5］研究發(fā)現(xiàn)在疲勞加載過程中，疲勞荷載水平分別為0.6，0.7 和0.8 時，試件的殘余撓度累積現(xiàn)象明顯。Paskova 等［6］研究了素混凝土和纖維混凝土的疲勞性能（應(yīng)力水平為0.80～0.95），并根據(jù)荷載-撓度曲線計算了試件的耗散能量，發(fā)現(xiàn)耗散能量隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增多而增加，試件的耗能能力與疲勞壽命具有一致的變化規(guī)律。最后，在氯腐蝕環(huán)境下的疲勞加載方面，劉子鍵等［7］對鋼筋混凝土梁施加疲勞荷載20 萬次后再進行100 d 的氯腐蝕，通過靜力加載得到鋼筋混凝土梁的受彎承載力。研究發(fā)現(xiàn)其與未經(jīng)歷疲勞加載和氯腐蝕的梁試件相比，初始剛度、屈服荷載和極限荷載分別降低了51.8%，21.8%和15.1%。王海超等［8］對RC 梁在空氣環(huán)境、淡水環(huán)境和鹽水環(huán)境中進行疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)在鹽水和疲勞荷載作用下RC 梁損傷加速，且鹽水中梁的疲勞壽命最短。RC 梁的損傷受配筋率的影響［9］，進而會影響氯腐蝕作用下的鋼筋銹蝕。Wu 等［10］從RC 梁疲勞加載過程中宏觀變形量（應(yīng)變、剛度、振幅等）角度出發(fā)，分析了配筋率和氯腐蝕環(huán)境對RC 梁疲勞性能的影響，然而RC梁殘余變形和能量耗散情況尚不知曉。

為模擬沿海地區(qū)RC 梁的實際工作狀態(tài)，本文對不同配筋率的RC 梁試件先進行疲勞加載，再進行海水干濕循環(huán)，最后通過疲勞壽命試驗測試其剩余疲勞壽命。從損傷累積的角度研究裂縫發(fā)展情況、殘余變形和耗散能量的變化，分析配筋率和疲勞-氯腐蝕綜合作用對RC梁疲勞性能的影響。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

混凝土按C35 設(shè)計，縱筋選用φ14 的HRB400 鋼筋，箍筋選用φ10 的HPB300 鋼筋。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，本文梁試件的適筋-超筋界限配筋率為3.76%，分別在受拉區(qū)對稱布置2根、3根和5根縱筋，得到配筋率r分別為1.06%，1.59%和2.91%的RC梁試件，均為適筋梁，且基本涵蓋了常用配筋率［11］。每種配筋率澆筑3 根試件（圖1），共9根。試件分為A，B，C 組，每組均包含3 種配筋率的梁試件各1根?；炷僚浜媳纫姳?。

圖1 梁試件幾何尺寸及配筋情況（單位：mm）

表1 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗過程

疲勞-氯腐蝕綜合作用試驗在北京航空航天大學結(jié)構(gòu)實驗室進行，試驗開始時混凝土齡期約為360 d，實測混凝土立方體抗壓強度平均值為43 MPa，縱筋屈服強度為450 MPa。試驗加載布置見圖2，試驗參數(shù)見表2。

試驗步驟如下：

圖2 試驗加載布置

表2 試驗參數(shù)

1）對A組梁試件進行靜載試驗，配筋率為1.06%，1.59% 和2.91% 梁試件的靜力極限荷載分別為Fu1=120.0 kN，F(xiàn)u2=172.0 kN和Fu3=253.0 kN。

2）在大氣環(huán)境中直接對B 組梁試件進行疲勞加載，測試其疲勞性能及壽命。Laman 等［12］發(fā)現(xiàn)當疲勞荷載水平為0.2和0.3時，梁試件加載500萬次時未發(fā)生疲勞破壞，故疲勞荷載上限取0.4 倍的靜力極限荷載。疲勞荷載下限取6.0 kN。橋梁交通荷載頻率約為5～10 Hz［13］，本文疲勞加載頻率取5.1 Hz。當RC梁試件發(fā)生疲勞破壞或加載次數(shù)達到600 萬次時，疲勞加載試驗結(jié)束。

3）對C 組梁試件進行疲勞-氯腐蝕綜合作用試驗。①制造初始疲勞損傷，對梁試件進行疲勞加載40 萬次；②氯腐蝕，對梁試件進行6 個月的NaCl 溶液干濕循環(huán)作用，每個干濕循環(huán)首先在NaCl 溶液（質(zhì)量分數(shù)3.5%，模擬海水）浸泡6 h 后在大氣環(huán)境中干燥42 h。③開展剩余疲勞性能試驗，對試件進行疲勞加載直至破壞。

1.3 數(shù)據(jù)記錄

1）疲勞荷載。通過與疲勞試驗機相連的荷載傳感器采集疲勞荷載，采集頻率20 Hz。

2）裂縫長度。為準確監(jiān)測裂縫發(fā)展情況，加載前在梁試件側(cè)面每隔30 mm 高度畫水平參考線。疲勞加載過程中前10 萬次每隔1 萬次以及后續(xù)每隔10 萬次卸載1次，并用卷尺測量記錄裂縫的長度。

3）撓度。將3個位移傳感器分別布置在梁試件底部跨中以及2 個加載點對應(yīng)位置采集撓度數(shù)據(jù)，采集頻率20 Hz。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 疲勞壽命

B 組和C 組梁試件的疲勞破壞均由鋼筋疲勞拉斷導(dǎo)致，疲勞壽命見表3。可見，B2，C2 梁試件的疲勞壽命均分別優(yōu)于B1，B3 及C1，C3 梁試件，即1.59%配筋率梁試件的疲勞壽命優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。此外，C組梁試件在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，其總計疲勞次數(shù)比B組對應(yīng)配筋率梁試件分別降低了78%，75%和66%，表明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞性能。

表3 疲勞壽命試驗結(jié)果萬

2.2 裂縫發(fā)展

梁試件疲勞加載過程中裂縫發(fā)展情況見圖3。可見，對于B1，B3和C組發(fā)生疲勞破壞的梁試件，裂縫發(fā)展可分為3 個階段：快速發(fā)展階段（疲勞壽命的0～10%），穩(wěn)定發(fā)展階段（疲勞壽命的10%～80%）以及疲勞破壞階段。在穩(wěn)定發(fā)展階段，主裂縫的數(shù)量基本維持不變；進入破壞階段，撓度突然加大，裂縫長度陡增并迅速蔓延至梁頂部。

圖3 裂縫發(fā)展情況

2.3 損傷累積

2.3.1 荷載-撓度曲線

圖4 荷載-撓度曲線

每隔1 萬次取1 個加卸載循環(huán)繪制梁試件的荷載-撓度曲線，見圖4?？梢?，梁試件的撓度隨疲勞加載不斷增長，即試件塑性變形不斷累積。此外，B3，C2和C3 梁試件在加載過程中出現(xiàn)0.4～0.6 mm 的撓度突增，原因是鋼筋的上下排布置及氯腐蝕鋼筋銹蝕的不均勻性導(dǎo)致受拉鋼筋疲勞損傷不同步，鋼筋之間的應(yīng)力重分布，則撓度突增。

2.3.2 殘余撓度

RC 梁試件在疲勞加載過程中的損傷累積表現(xiàn)為殘余撓度。根據(jù)每一個卸載曲線的卸載斜率可推算出荷載為0 時的撓度，即殘余撓度，見圖5?？梢姡孩匐S著疲勞加載次數(shù)的增加，B 組和C 組梁試件的殘余撓度呈3個階段變化，即快速發(fā)展、穩(wěn)定發(fā)展和疲勞破壞；②配筋率相同時，與B 組相比，C 組梁試件殘余撓度至少增加0.5 mm，說明疲勞損傷和氯腐蝕綜合作用顯著加劇了RC 梁的疲勞損傷累積；③B3，C2 和C3梁試件的殘余撓度曲線存在突增，與其荷載-撓度曲線對應(yīng)。

圖5 殘余撓度曲線

2.3.3 耗散能量

加載曲線與卸載曲線包圍的面積為結(jié)構(gòu)耗散的能量，通過對每一次荷載循環(huán)的耗散能量求和可得到試件的總耗散能量。B1—B3，C1—C3 試件的耗散能量分別為52，110，80，20，28，24 kN·mm。對疲勞次數(shù)進行歸一化處理，將N/Nf作為橫坐標，其中，Nf為疲勞壽命，N為疲勞加載次數(shù)。梁試件耗散能量見圖6。

圖6 梁試件耗散能量

由圖6可知：①隨著疲勞加載次數(shù)的增多，耗散能量呈線性增長。②B2，C2梁試件的耗能能力均分別優(yōu)于B1，B3 及C1，C3 梁試件，即1.59%配筋率梁試件的耗能能力優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。這與2.1 節(jié)配筋率對疲勞壽命的影響規(guī)律一致，說明可能存在最優(yōu)配筋率使得梁試件疲勞性能及耗能能力最優(yōu)。③C 組梁試件在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，其耗散能量比B 組相應(yīng)配筋率的梁試件分別降低了62%，75%和70%，說明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞耗能能力。

3 結(jié)論

1）疲勞加載過程中，梁試件彎曲裂縫和跨中殘余撓度的發(fā)展可分為快速發(fā)展、穩(wěn)定發(fā)展和疲勞破壞3個階段。

2）1.59%配筋率梁試件的疲勞壽命和耗能能力優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。

3）與疲勞單獨作用相比，在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，梁試件的疲勞壽命和耗能能力大幅下降（降幅大于60%），說明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞性能及耗能能力。