鐵路橋梁高強(qiáng)鋼筋疲勞性能試驗(yàn)研究

趙泳茗

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038）

1 引言

近年來，隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路橋梁的建造速度越來越快，同時(shí)使用的高強(qiáng)鋼筋亦逐漸增加[1～5]。然而，相關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能認(rèn)識(shí)仍非常有限，因此，開展高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能研究顯得十分必要和迫切。為此，本文將以HRB400鋼筋為案例，對(duì)其常幅疲勞SN曲線進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 加載設(shè)備

本文試驗(yàn)在牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展，主要應(yīng)用高頻試驗(yàn)機(jī)和電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)。其中，高頻疲勞機(jī)的頻率范圍為80～100 Hz，可滿足不同直徑高強(qiáng)鋼筋的疲勞試驗(yàn)。

2.2 加載方案

在本次疲勞試驗(yàn)中，HRB400高強(qiáng)鋼筋試件的制作長(zhǎng)度取值為350 mm，加載方法采用改進(jìn)的升降法，該方法在當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差已知的情況下只需要較少試樣。在試驗(yàn)過程中，加載最大應(yīng)力為300 MPa，最小為120 MPa，應(yīng)力比為0.4。

3 夾持段處理方法

3.1 套薄鋁管

本方法夾持段處理過程中夾持段長(zhǎng)度控制在5 cm，嵌套鋁管與高強(qiáng)鋼筋外徑保持一致，同時(shí)要確保薄鋁管與試件有輕微擠壓，進(jìn)而防止因加載時(shí)二者之間的相對(duì)移動(dòng)而影響試驗(yàn)結(jié)果。采用套薄鋁管方式處理夾持段試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 套薄鋁管處理夾持段試驗(yàn)

如圖1b所示，在夾持段套薄鋁管時(shí)，高強(qiáng)鋼筋的疲勞斷裂位置出現(xiàn)在夾持段內(nèi)部。這是由于HRB400鋼筋的夾持處受到擠壓后更容易引發(fā)疲勞破壞。

3.2 去肋

試驗(yàn)過程中，在夾持段進(jìn)行去肋處理時(shí)，分別采取3種方案：（1）去肋光滑處理夾持段鋼筋；（2）將夾持段處理為螺紋形式；（3）將夾持段進(jìn)行銑扁處理。以上3種去肋處理方法如圖2所示。

圖2 夾持段去肋方法

基于試驗(yàn)結(jié)果，銑扁處理是相對(duì)比較有效的去肋方法。原因?yàn)槿ダ吖饣幚砗吐菁y處理的方法會(huì)對(duì)夾持段產(chǎn)生嚴(yán)重的削弱作用，而銑扁處理能夠確保夾持一側(cè)以外的鋼筋面積不變，此時(shí)夾持面積將大大增大，使得應(yīng)力集中減弱，成功率較高。

綜上，套薄鋁管屬于硬處理的方式，此方式會(huì)對(duì)鋼筋肋表面及根部產(chǎn)生損傷，容易誘使鋼筋肋表面和根部位置首先出現(xiàn)損傷而產(chǎn)生疲勞破壞。因此，本文在開展鐵路橋梁高強(qiáng)鋼筋疲勞性能試驗(yàn)時(shí)采用去肋的銑扁處理方法。

4 高強(qiáng)鋼筋疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

S-N曲線一般用于表征材料或構(gòu)件的疲勞性能，故統(tǒng)稱“疲勞性能曲線”。本文在分析高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能時(shí)均采用雙對(duì)數(shù)雙折線模型，即logS-logN模型，系指坐標(biāo)系中橫、豎坐標(biāo)均采用的對(duì)數(shù)。

HRB400，DN16 mm高強(qiáng)度鋼筋的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中斜線段數(shù)據(jù)有8個(gè)點(diǎn)，1 000萬次數(shù)據(jù)點(diǎn)有5個(gè)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下分別進(jìn)行雙斜線段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的S-N曲線如圖3所示。

圖3 HRB400,DN16 mm鋼筋高頻疲勞試驗(yàn)中值S-N曲線（應(yīng)力比0.4）

表1 HRB400,DN16 mm鋼筋疲勞試驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)結(jié)果，本文中采用雙對(duì)數(shù)雙斜線模型對(duì)HRB400，DN16 mm高強(qiáng)鋼筋的中值S-N曲線模型進(jìn)行擬合，方程具體如下：

根據(jù)圖3可知，HRB400，DN16 mm高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)力有效取值范圍為120～180 MPa，疲勞極限應(yīng)力為120 MPa。此外，由疲勞試驗(yàn)得出的擬合方程所獲得的200萬次疲勞強(qiáng)度與現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較相近，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

5 結(jié)論

本文對(duì)直徑為16 mm的HRB400高強(qiáng)鋼筋開展疲勞性能試驗(yàn)，研究了高強(qiáng)鋼筋的常幅疲勞S-N曲線?；谘芯拷Y(jié)果，得到如下結(jié)論：

1）銑扁處理方法夾持段時(shí)成功率相對(duì)于套薄鋁管方法更高，原因?yàn)楹笳邔?duì)鋼筋肋產(chǎn)生的損傷會(huì)加劇疲勞破壞。

2）雙對(duì)數(shù)雙折線模型能夠有效地刻畫HRB400高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能，與疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好。