鋼絞線局部銹斷混凝土梁疲勞性能試驗研究

于明浩，蘇小超，王磊

鋼絞線局部銹斷混凝土梁疲勞性能試驗研究

于明浩，蘇小超，王磊

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

針對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中鋼絞線局部銹蝕造成疲勞性能退化問題，制作了6根預(yù)應(yīng)力混凝土梁，對其中4根不同鋼絞線銹斷位置的試驗梁進行電化學(xué)加速銹蝕試驗、靜力加載和疲勞加載試驗，研究了鋼絞線斷裂后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能退化機理和力學(xué)性能退化規(guī)律，分析了混凝土表面裂縫擴展、荷載?撓度關(guān)系及疲勞壽命。研究結(jié)果表明：/4銹斷位置處的試驗梁剛度退化和裂縫擴展規(guī)律，與未銹蝕梁和端部銹蝕梁的差異明顯；不同銹斷位置的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的靜載和疲勞性能均有不同程度降低；當(dāng)銹斷位置處于梁端時，鋼絞線與混凝土形成二次錨固效應(yīng)，對梁的剛度保證具有積極作用。

橋梁工程；預(yù)應(yīng)力混凝土；銹蝕；疲勞；剛度

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁構(gòu)件具有截面小、自重輕、跨越能力強[1]等優(yōu)勢，在中國現(xiàn)有公路橋梁中占很大比重。近年來，由于該類橋梁長期暴露在除冰鹽和沿海環(huán)境，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼絞線銹蝕、截面積減小和有效預(yù)應(yīng)力水平降低[2?4]等問題。當(dāng)荷載大于消壓彎矩后，混凝土梁進入受拉狀態(tài)，甚至出現(xiàn)裂縫。當(dāng)鋼絞線局部銹斷后，結(jié)構(gòu)抗彎承載力明顯下降[5?6]，并在車輛荷載反復(fù)作用下銹蝕會進一步加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積[7?9]，橋梁的安全性難以保障。

已有學(xué)者開展了鋼絞線銹蝕后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能研究。余芳[7]研究了不同銹蝕程度鋼絞線PC梁的疲勞性能，指出梁的疲勞破壞是由腐蝕鋼絞線的疲勞斷裂引起，試驗梁的疲勞壽命隨銹蝕率的增加顯著降低。Adasooriya[10]等人指出了銹蝕不僅降低鋼絞線強度，同時也會降低鋼絞線的疲勞極限。Tran[11]等人研究發(fā)現(xiàn)鋼絞線銹蝕會加速結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積。馮秀峰[12]總結(jié)了隨機變幅疲勞荷載對鋼絞線銹蝕PC梁的作用機理，提出了一種基于等損傷度的相對Miner準(zhǔn)則模型，預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命。現(xiàn)有研究主要集中在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中鋼絞線均勻腐蝕后，結(jié)構(gòu)的靜載和疲勞性能對鋼絞線局部銹蝕，尤其是局部銹斷后結(jié)構(gòu)的耐久性退化研究少見。因此，作者制作6根PC梁，對其中4根不同腐蝕位置的PC梁進行電化學(xué)加速銹蝕試驗，并進行靜載和疲勞性能試驗，研究銹斷發(fā)生后PC梁的裂縫發(fā)展趨勢，分析鋼絞線局部銹斷梁的疲勞壽命退化規(guī)律，可為PC梁的疲勞壽命評估提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗共有6根PC梁，編號為0～2、0～2。其中，0～2為靜載試驗梁，0～2為疲勞試驗梁，0和0均未發(fā)生銹蝕。設(shè)計了2種鋼絞線銹斷位置，其中，1、1銹斷位置在梁的端部，2、2銹斷位置在各梁的/4處。6根PC梁截面尺寸為寬×高＝200 mm×350 mm，梁長=4.0 m，計算跨徑3.6 m?？v向受拉筋采用3根直徑為16 mm的HRB400鋼筋，屈服強度和極限強度分別為452 MPa和610 MPa。架立鋼筋為3根直徑10 mm的HRB400鋼筋，箍筋為直徑8 mm的HPB300鋼筋，箍筋間距在純彎段為100 mm，在彎剪段為80 mm。鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為 1 860 MPa，鋼絞線張拉應(yīng)力為1 395 MPa，混凝土實測抗壓強度為45.3 MPa。試驗梁的尺寸和截面配筋如圖1所示。

1.2 鋼絞線局部銹蝕

采用電化學(xué)加速銹蝕試驗，獲得試驗梁的不同銹蝕程度和銹斷位置。在擬定銹斷位置處安裝長度為20 cm的銹蝕槽。采用免釘膠保證銹蝕槽與試驗梁的固定和防水。銹蝕槽內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液。直流電源正極連接鋼絞線，負極連接溶液中的不銹鋼板，形成閉合回路。為避免普通鋼筋銹蝕，制作試驗梁時，對普通鋼筋涂環(huán)氧進行防銹處理。鋼絞線的銹斷標(biāo)志為直流電源的電流讀數(shù)歸零。銹蝕裝置如圖2所示。

圖1 試驗梁尺寸和配筋(單位：mm)

1.3 加載過程

試驗梁采用四點彎曲加載，純彎段長度為1.0 m，采用百分表進行撓度測量，測點布置如圖1所示。加載裝置采用MTS PMCS2.0液壓伺服試驗機，先對試驗梁0～2進行靜載試驗，得到相應(yīng)的開裂荷載和極限荷載，分別取其極限荷載的0.4倍和0.08倍作為疲勞荷載上限值和下限值。靜載試驗結(jié)果和疲勞試驗梁的荷載參數(shù)見表1。靜載試驗后，對試驗梁0～2進行疲勞性能試驗，疲勞荷載采用頻率為2 Hz的正弦波，加載波形如圖3所示。疲勞循環(huán)次數(shù)分別達1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200萬次時，停機進行靜載試驗，記錄測點撓度和裂縫開展情況。若試驗梁經(jīng)受200萬次疲勞后，仍未破壞，對其進行逐級靜載試驗，直至破壞。

圖2 快速銹蝕裝置

表1 加載試驗設(shè)計

圖3 加載波形

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土裂縫發(fā)展

靜載試驗梁0～2和疲勞試驗梁0～2的裂縫擴展如圖4所示。圖4中，豎向裂縫旁數(shù)值表示疲勞次數(shù)(單位：萬次)。從圖4中可以看出，由于鋼絞線斷裂位置不同，試驗梁開裂位置存在差異。試驗梁1和1的開裂位置與未銹蝕梁0和0相似，均出現(xiàn)在跨中純彎段，主要原因是1和1的鋼絞線斷裂位置在梁端，鋼絞線斷裂后，應(yīng)力傳遞范圍有限，預(yù)加力可繼續(xù)生效，形成了二次錨固作用。

試驗梁2和2的裂縫與其他試驗梁存在較大差異，首條裂縫出現(xiàn)在鋼絞線銹蝕斷裂位置附近。這是由于2、2斷裂位置距跨中較近，靜載時梁體豎向截面受正彎矩的作用，在底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力沿著端部向跨中方向增大，因鋼絞線的斷裂，在斷裂區(qū)域附近的有效預(yù)應(yīng)力大幅度減小，從而導(dǎo)致混凝土在銹蝕斷裂區(qū)域中提前開裂。

疲勞試驗加載初期，疲勞試驗梁裂縫發(fā)展較快，與未銹蝕梁0相比，試驗梁1的裂縫數(shù)量減少，平均裂縫間距增大。疲勞循環(huán)10萬次至60萬次時，試驗梁1無新增裂縫，裂縫延伸高度持續(xù)增加，在接近極限承載力時，主裂縫高度約延伸至6/7的梁高處，主裂縫最大寬度達5 cm，與未銹蝕梁0相比，試驗梁2裂縫數(shù)量減少，裂縫集中分布在斷口兩側(cè)。疲勞過程中，斷裂位置兩側(cè)裂縫延伸高度在40萬次疲勞周期內(nèi)持續(xù)增加，其余裂縫延伸高度在20萬次疲勞周期后無明顯變化。

2.2 荷載?撓度關(guān)系

試驗梁0、1、2經(jīng)歷不同疲勞循環(huán)荷載后的跨中荷載?撓度曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，未銹蝕試驗梁撓度變化較為穩(wěn)定，試驗梁疲勞壽命可達200萬次。銹蝕梁的撓度增長呈三階段變化特征：前期快速增加，中期平穩(wěn)發(fā)展，后期快速增長。對比了試驗梁1、2和未銹蝕梁0可知，經(jīng)歷相同循環(huán)荷載后，銹斷PC梁的跨中撓度明顯大于未銹蝕梁的。以荷載70 kN為例，疲勞循環(huán)40萬次后，試驗梁1、2的跨中撓度平均值分別比0增大了19.05%、31.51%。表明：鋼絞線銹蝕斷裂降低了PC梁的抗變形能力，疲勞荷載進一步加速了結(jié)構(gòu)的損傷累積過程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度顯著 降低。

對比鋼絞線局部銹斷梁1和2可知，梁2的初始撓度較大，前期撓度增長速度較快。這是因為加載時梁的豎向截面產(chǎn)生正彎矩，梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力，越靠近跨中，拉應(yīng)力越大。試驗梁2銹斷位置靠近跨中，并產(chǎn)生了嚴(yán)重的裂縫破壞，其剛度退化更為明顯。試驗梁1為端部銹斷，距離跨中較遠，二次錨固效應(yīng)使得其受力本質(zhì)上更接近于先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁，其剛度仍能保證。

圖4 試驗梁裂縫

圖5 跨中撓度-荷載曲線

圖6 F0梁200萬次疲勞后荷載-撓度曲線

試驗梁0經(jīng)歷200萬次疲勞后的跨中撓度?荷載曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，未損傷試驗梁的靜力破壞形式仍為典型的適筋梁破壞，臨近破壞時，荷載值沒有增長，跨中撓度持續(xù)增加，最終主筋屈服，上緣混凝土壓碎，試驗梁完全破壞。

2.3 疲勞壽命

腐蝕加快了PC梁的疲勞損傷，導(dǎo)致其疲勞壽命下降。試驗梁0、1和2的疲勞壽命見表2。由表2可知，銹斷試驗梁1和2的疲勞壽命分別比試驗梁0下降了69%和74%。試驗梁1比2經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)更大，主要是由于梁1在銹斷位置遠離純彎段，二次錨固形成了其先張梁的特性，一定程度上保證了試驗梁1的整體剛度。試驗梁2的破壞形態(tài)如圖7所示，試驗梁的破壞始于銹斷處普通鋼筋疲勞斷裂，腐蝕區(qū)域附近受拉區(qū)的混凝土發(fā)生剝落，不可恢復(fù)的受力裂縫已延伸至梁頂，受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生壓碎現(xiàn)象。

表2 試驗梁破壞形式及疲勞壽命

圖7 試驗梁F2破壞形態(tài)

3 結(jié)論

通過鋼絞線銹斷后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的靜載和疲勞性能試驗，得到結(jié)論：

1) 未銹蝕PC梁具有較強的抵抗靜載和疲勞能力，鋼絞線銹斷后，PC梁的承載能力顯著降低，疲勞壽命急劇下降。銹斷PC梁在疲勞過程中產(chǎn)生裂縫，平均間距較未銹蝕梁的有增加趨勢。

2) 銹斷試驗梁的荷載?撓度發(fā)展具有3個階段的變化特征。荷載為70 kN時，經(jīng)歷40萬次荷載循環(huán)后，銹斷試驗梁的跨中撓度較未銹蝕梁的增幅達19.05%。

3) 當(dāng)銹斷位置處于梁端時，鋼絞線與混凝土形成二次錨固效應(yīng)，使其受力本質(zhì)上更接近于先張梁，這對試驗梁的剛度保證具有積極作用。試驗梁在/4處銹斷時，其破壞失效位置由跨中(靜載)向銹斷處(疲勞)轉(zhuǎn)移。

本研究通過電化學(xué)加速銹蝕試驗，得到了鋼絞線銹斷試驗梁與實際中鋼絞線自然腐蝕之間存在的差異。但鋼絞線發(fā)生多處銹斷時，其疲勞退化過程復(fù)雜，有待進一步研究。

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Fatigue behavior test of concrete beam with local corrosion-induced fracture of steel strand

YU Ming-hao, SU Xiao-chao, WANG Lei

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114,China)

In order to investigate the fatigue property degradation characteristic of prestressed concrete beam with local corrosion-induced fracture of steel strand, a total of 6 prestressed concrete beams were designed and fabricated. Electrochemical accelerated corrosion was applied to 4 of them at different locations of steel strand rust failure, and static and fatigue loading tests were carried out. The fatigue degradation mechanism and mechanical degradation characteristic of prestressed concrete beams destabilized by breaking steel strand were studied, and the crack propagation, load-deflection relationship and fatigue life of concrete were analyzed. The results show that, the stiffness degradation and crack propagation characteristic of beam with breaking steel strand at the position of/4 are obviously different from those of non-corroded beam and beam with breaking steel strand at the position of end. The static load and fatigue properties of prestressed concrete beams with breaking steel strand are reduced. When the corroded position is located at the end of beam, the secondary anchorage formed by steel strand and concrete can provide a positive effect on the stiffness of the beam.

bridge engineering; prestressed reinforced concrete; corrosion; fatigue; rigidity

U447

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0041 ? 06

2020?09?20

國家自然科學(xué)基金項目(51678069)；湖南省自然科學(xué)基金項目(2017JJ3325)；湖南省研究生科研創(chuàng)新重點項目(CX20190638)；湖南省教育廳科學(xué)研究項目(17B012)；湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專項經(jīng)費資助(2019SK2171)

于明浩(1994?)，男，長沙理工大學(xué)碩士研究生。