新型纖維復(fù)合筋增強(qiáng)無(wú)砟軌道板變幅疲勞性能試驗(yàn)研究

楊 洋，張志勤，吳 剛，曹大富，陸偉剛

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇揚(yáng)建集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；4.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

無(wú)砟軌道系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，更好的耐久性和更低的維護(hù)成本，是高速鐵路最常用的結(jié)構(gòu)之一，典型的是CRTSⅡ(China Railway Track System，CRTS)型無(wú)砟軌道系統(tǒng)[1-3]。但是，無(wú)砟軌道系統(tǒng)中，諧振式軌道電路信號(hào)電流與軌道板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)片產(chǎn)生電磁感應(yīng)，導(dǎo)致軌道電路的傳輸長(zhǎng)度明顯縮短[4-7]，從而降低了列車(chē)運(yùn)行的安全性，見(jiàn)圖1。不少學(xué)者提出提高無(wú)砟軌道板的絕緣性能來(lái)改善電磁感應(yīng)問(wèn)題，通常采用絕緣涂層，熱縮套管和絕緣卡子等措施[8-9]。但在澆筑軌道板時(shí)，絕緣涂層易產(chǎn)破裂。而熱縮套管或絕緣卡子不僅降低了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能，也增加了施工成本[5-7]。此外，文獻(xiàn)[10-11]根據(jù)無(wú)砟軌道板絕緣性能，對(duì)軌道電路傳輸長(zhǎng)度提出了相應(yīng)的建議。

圖1 無(wú)砟軌道板間產(chǎn)生的互感與信號(hào)電流

纖維增強(qiáng)復(fù)合筋(FRP)作為非金屬材料(CFRP除外)，由于具有抗拉強(qiáng)度高，絕緣性好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為可以替代傳統(tǒng)的鋼筋[12-13]。因此，F(xiàn)RP筋適合增強(qiáng)無(wú)砟軌道板用來(lái)解決絕緣問(wèn)題。但是，由于FRP筋彈性模量低于傳統(tǒng)的鋼筋，因此，其增強(qiáng)的混凝土構(gòu)件(FRP-RC)抗彎剛度更小，此外，F(xiàn)RP-RC構(gòu)件往往發(fā)生脆性破壞[14-15]。為提高FRP-RC結(jié)構(gòu)的剛度和延性，文獻(xiàn)[16-17]提出了由鋼筋和FRP復(fù)合而成的鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋(SFCB)，該復(fù)合筋采用復(fù)雜的拉擠成型工藝生產(chǎn)。文獻(xiàn)[16-18]研究結(jié)果表明，SFCB增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更高的彈性模量，理想的延展性和良好的黏結(jié)性能。Yang等[5]、Sun等[19]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)包裹的SFCB還提供了良好的絕緣特性和高性?xún)r(jià)比。可以看出，SFCB的綜合性能更優(yōu)，因此，也適用于增強(qiáng)無(wú)砟軌道板。

無(wú)軌道板在其使用壽命期間直接承受反復(fù)移動(dòng)的火車(chē)車(chē)輪荷載，因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮無(wú)砟軌道板的疲勞性能。相關(guān)的研究報(bào)道主要關(guān)注傳統(tǒng)無(wú)砟軌道板的疲勞損傷規(guī)律和壽命預(yù)測(cè)的研究。如劉學(xué)毅等[20]考慮了溫度變化，分析無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的疲勞受力特性。王青等[21]基于損傷力學(xué)理論，分析了無(wú)砟軌道板剛度退化過(guò)程。徐慶元等[22]結(jié)合材料的應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線(xiàn)，采用Miner線(xiàn)性疲勞累積損傷準(zhǔn)則，來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。然而，關(guān)于BFRP筋和SFCB增強(qiáng)的CRTSⅡ型無(wú)砟軌道板的變幅疲勞性能的影響鮮有研究。

但相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)疲勞方面的研究表明，疲勞過(guò)程中混凝土彈性模量下降主要是由于混凝土結(jié)構(gòu)中微觀裂紋的形成[23]。Wang等[24]的試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP筋的損傷機(jī)制是基體裂紋擴(kuò)展、纖維基體界面剝離，以及纖維在循環(huán)荷載作用下的斷裂。Yun等[25]得出的結(jié)論是，結(jié)構(gòu)組成材料之間的黏結(jié)可能是結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵因素。作者前期研究[5-7]得出，BFRP筋和SFCB增強(qiáng)的無(wú)砟軌道板提高了軌道板的絕緣性能，并能滿(mǎn)足承載力的要求。此外，與傳統(tǒng)軌道板相比，SFCB增強(qiáng)無(wú)砟軌道板具有更好的疲勞性能和更低的應(yīng)力幅值?；诖耍槍?duì)BFRP筋和SFCB增強(qiáng)的CRTSⅡ型無(wú)砟軌道板的變幅疲勞性能，本文考慮了不同荷載水平和荷載順序，以評(píng)估其變幅疲勞性能，重點(diǎn)關(guān)注軌道板在疲勞過(guò)程撓度、剛度、裂縫和應(yīng)變的發(fā)展，為此類(lèi)新型無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 無(wú)砟軌道板制作

圖2(a)為一塊CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板，其長(zhǎng)、寬、高分別為6 450、2 550、200 mm。整塊板由10塊小軌道板組成，并設(shè)有三個(gè)灌漿孔，用于灌注水泥瀝青砂漿。而本文研究對(duì)象，為切割之后小軌道板，其長(zhǎng)、寬、高分別為1 275、650、200 mm，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 疲勞試驗(yàn)構(gòu)件

1.2 材料

軌道板所使用的混凝土，成分為水泥、細(xì)骨料、粗骨料和水，配合比為413∶668∶1075∶150，其中，粗骨料尺寸為10～20 mm。此外，還包括137 kg/m3礦物粉和煤灰的混合物以及15.95 kg/m3減水劑。根據(jù)文獻(xiàn)[26]，所測(cè)試的混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度均值為87 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.69 MPa。

本文使用BFRP筋、S6B27(SFCB)和帶熱縮套管的鋼筋(直徑為8 mm)三種類(lèi)型的筋材。BFRP筋采用62束4.8 g/m玄武巖纖維，S6B27由內(nèi)芯6 mm鋼筋與27束4.8 g/m玄武巖纖維復(fù)合而成。BFRP筋和S6B27由連續(xù)玄武巖纖維和乙烯基酯樹(shù)脂(纖維含量為70%)采用拉擠成形工藝制成。BFRP筋的公稱(chēng)直徑、肋間距、肋高度分別為16、11、0.08 mm。S6B27的公稱(chēng)直徑，肋間距和肋高度分別為11、8、0.08 mm，見(jiàn)圖3。此外，S6B27和BFRP筋的拉伸剛度與8 mm鋼筋相同，即EsAs=EsfAsf，其中，Es、As分別為8 mm鋼筋的彈性模量、橫截面面積，Esf、Asf分別為BFRP筋和S6B27的彈性模量、橫截面面積。

圖3 本文中BFRP筋與SFCB筋

表1給出了試驗(yàn)中筋材的力學(xué)性能參數(shù)，該材性依據(jù)文獻(xiàn)[27]測(cè)試得到，其中，d為筋材的實(shí)測(cè)直徑；EⅠ、EⅡ分別為筋材屈服前、屈服后的彈性模量；fy、fu分別為筋材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

表1 筋材的力學(xué)性能

1.3 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共測(cè)試了7塊無(wú)砟軌道板，其尺寸均相同，長(zhǎng)、寬、高分別為1 275、650、200 mm，見(jiàn)圖4。兩塊傳統(tǒng)軌道板(RC板)的橫截面用8φ8的鋼筋，兩塊SFCB增強(qiáng)的軌道板橫截面采用8φ11的SFCB，三塊BFRP筋增強(qiáng)的軌道板橫截面采用8φ16的BFRP筋，此外，橫截面使用了6根預(yù)應(yīng)力鋼筋，直徑為10 mm，屈服強(qiáng)度為1 449 MPa，極限強(qiáng)度為1 725 MPa，總預(yù)應(yīng)力為409 kN，橫截面見(jiàn)圖4(b)。軌道板的縱截面采用了2φ16、2φ20、11φ8的鋼筋，見(jiàn)圖4(c)。值得注意的是，7塊軌道板設(shè)計(jì)為具有相同的橫截面剛度，即EsAs=EsfAsf。

圖4 試樣設(shè)計(jì)(單位:mm)

1.4 加載過(guò)程及測(cè)試內(nèi)容

7塊軌道板均采用三點(diǎn)加載的方式，通過(guò)電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)(可承載1 000 kN)控制整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試程序，荷載值大小采用力傳感器測(cè)得。試驗(yàn)構(gòu)件布置了三個(gè)百分表(±0.01 mm)，分別位于兩加載點(diǎn)處以及跨中位置，構(gòu)件撓度通過(guò)跨中和加載點(diǎn)處的豎向位移差得到。試驗(yàn)開(kāi)始前，在構(gòu)件側(cè)面畫(huà)上間距40 mm的縱橫網(wǎng)格線(xiàn)以觀察裂縫發(fā)展。采用裂縫觀測(cè)儀(±0.01 mm)測(cè)量裂縫寬度(跨中出現(xiàn)的第一條裂縫)。此外，各軌道板的跨中，混凝土上表面以及受力筋的表面黏貼100、5 mm的應(yīng)變片，以便測(cè)試混凝土的受壓應(yīng)變和受力筋受拉應(yīng)變。

試驗(yàn)開(kāi)始前，在每塊軌道板上施加一定荷載(約為最終載荷的10%)，然后卸載，以排除試驗(yàn)中的不穩(wěn)定因素。在疲勞試驗(yàn)開(kāi)始前，以20 kN/min加載速率加載至開(kāi)裂荷載(每塊板開(kāi)裂荷載Pcr約為 125 kN)，然后以10 kN/min的加載速率加載到疲勞上限值Pmax，再以8 kN/min的速率卸載為0，來(lái)緩慢釋放應(yīng)力。另外兩個(gè)周期以相同的速率8 kN/min來(lái)加載，見(jiàn)圖5。

圖5 疲勞試驗(yàn)加載歷程

在靜力加載后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以5 Hz的頻率在疲勞下限Pmin和疲勞上限Pmax之間以正弦波形式施加循環(huán)荷載。選擇一定的循環(huán)次數(shù)，在0和Pmax之間進(jìn)行靜力測(cè)試，同時(shí)記錄每塊板的撓度和裂縫寬度。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，除板S-BFRP3、S-SFCB3外，其他軌道板疲勞下限Pmin均為20 kN。荷載水平對(duì)應(yīng)的是疲勞荷載Pmax上限值除以靜態(tài)極限承載力Pu，疲勞上限Pmax是通過(guò)靜態(tài)極限承載力Pu乘以相應(yīng)的荷載水平來(lái)確定的，其中一些應(yīng)力水平參考文獻(xiàn)[28-30]的試驗(yàn)結(jié)果。因此，疲勞上限Pmax可取為1.76Pj、2.00Pj、2.12Pj、2.29Pj、2.38Pj、2.53Pj、2.65Pj(Pj= 85 kN為高速鐵路列車(chē)最重的列車(chē)軸重)，對(duì)應(yīng)的疲勞上限為150、170、180、195、202.5、215、225 kN，見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試過(guò)程和破壞形態(tài)

對(duì)于軌道板S-RC1、S-SFCB1，疲勞上限Pmax分別為2.12Pj、2.38Pj，兩者均相當(dāng)于極限荷載值Pu的60%(參考文獻(xiàn)[6]對(duì)Pu進(jìn)行了測(cè)試)。如果軌道板在200萬(wàn)次疲勞荷載循環(huán)后仍未發(fā)生破壞，則提高一級(jí)疲勞上限循環(huán)30萬(wàn)次，直至構(gòu)件破壞。如，如果板S-RC1在Pmax= 2Pj下完成了200萬(wàn)次循環(huán)沒(méi)有破壞，則將Pmax提高至下一級(jí)荷疲勞上限2.29Pj，繼續(xù)疲勞循環(huán)30萬(wàn)次，如果仍然沒(méi)有失效，則在更高的疲勞上限下繼續(xù)疲勞循環(huán)，直到構(gòu)件破壞為止。

對(duì)于軌道板S-RC2、S-BFRP1、S-BFRP2，疲勞上限Pmax分別為2.38Pj、2.38Pj、2.53Pj，分別對(duì)應(yīng)于67.5%Pu、52%Pu和55%Pu。如果在300萬(wàn)次疲勞荷載循環(huán)后仍未出現(xiàn)破壞，則通過(guò)靜力加載至構(gòu)件破壞。

對(duì)于軌道板S-SFCB2和S-BFRP3，其荷載的加載順序分別為由高到低和由低到高。板S-SFCB2，前40萬(wàn)次疲勞上限較大(Pmin= 40 kN，Pmax= 2.12Pj)，隨后70萬(wàn)次循環(huán)周期中，疲勞上限降低為Pmax= 2Pj，變化疲勞下限Pmin(分別為10、20、30 kN，記為a)，最后90萬(wàn)次循環(huán)周期中，疲勞上限Pmax降低到1.76Pj，改變疲勞下限Pmin(分別為30、20、10 kN，記為b)。而板S-BFRP3與板S-SFCB2加載順序相反。

2 試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了約1 a時(shí)間，無(wú)砟軌道板加載方式均為三點(diǎn)加載。各軌道板疲勞極限根據(jù)文獻(xiàn)[7]測(cè)試數(shù)據(jù)確定。本文著重探討變幅疲勞中荷載水平和加載順序?qū)壍腊宓挠绊?，其中所施加荷載水平依據(jù)疲勞極限進(jìn)行調(diào)整。本文重點(diǎn)關(guān)注軌道板的疲勞壽命、撓度、剛度、裂縫和應(yīng)變變化。

2.1 破壞形態(tài)

在疲勞加載過(guò)程中，觀察到軌道板出現(xiàn)以下三類(lèi)破壞模式：①疲勞荷載后靜力加載出現(xiàn)的彎曲剪切破壞；②疲勞引起的預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的斷裂；③疲勞導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力筋斷裂。

各板的疲勞壽命見(jiàn)表2。Yang等[7]結(jié)果表明，RC系列板的疲勞極限(疲勞極限對(duì)應(yīng)的是完成200萬(wàn)次疲勞循環(huán)所施加的疲勞荷載水平的最大值。)不超過(guò)2.12Pj(板S-RC1在荷載水平為0.6Pu時(shí)疲勞循環(huán)200萬(wàn)次而未破壞)，對(duì)于SFCB系列板的疲勞極限不小于2.38Pj(板S-SFCB1也在荷載水平為0.6Pu時(shí)疲勞循環(huán)200萬(wàn)次而未破壞。板SFCB-1疲勞循環(huán)結(jié)束后并沒(méi)有出現(xiàn)疲勞破壞，因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)器在試驗(yàn)過(guò)程中損壞，而維修后繼續(xù)加載會(huì)導(dǎo)致荷載數(shù)據(jù)的誤差，故采用靜力加載方式至構(gòu)件破壞)。對(duì)于BFRP系列板，疲勞極限應(yīng)小于2.38Pj，板S-BFRP1在荷載水平為0.52Pu時(shí)疲勞循環(huán)160萬(wàn)次而破壞，未完成200萬(wàn)次疲勞循環(huán)荷載。

在獲得疲勞極限的基礎(chǔ)上，一方面，對(duì)板S-SFCB2和S-BFRP2進(jìn)行加載順序相反的變幅疲勞試驗(yàn)，所施加的荷載水平都小于各系列板的疲勞極限，試驗(yàn)表明這兩塊板疲勞循環(huán)200萬(wàn)次而未破壞，隨后進(jìn)行靜態(tài)單調(diào)加載直至構(gòu)件破壞；另一方面，對(duì)板S-RC2和S-BFRP2進(jìn)行荷載從高到低的變幅疲勞試驗(yàn)，所施加的最大荷載水平都大于各系列板的疲勞極限(2.12Pj和2.38Pj)，僅在43萬(wàn)次和27萬(wàn)次，構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞。構(gòu)件疲勞破壞形態(tài)見(jiàn)圖6。圖6(a)表明，板S-RC2出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力鋼的疲勞斷裂破壞形態(tài)；圖6(b)表明，板S-BFRP2只觀察到了預(yù)應(yīng)力筋斷裂。基于Palmgren-Miner[31]疲勞累積損傷理論可以推斷，在變幅載荷作用下，RC系列板和BFRP系列板荷載水平一旦超過(guò)疲勞極限，疲勞壽命會(huì)大幅度下降低。盡管板S-RC1在疲勞上限為2.12Pj和2.29Pj時(shí)疲勞循環(huán)200萬(wàn)次和30萬(wàn)次，而當(dāng)疲勞上限增加到2.38Pj時(shí)，僅8萬(wàn)次循環(huán)就發(fā)生了疲勞破壞，但利用板S-RC2的試驗(yàn)結(jié)果，可驗(yàn)證該推斷的正確性。

圖6 構(gòu)件疲勞破壞形態(tài)

2.2 荷載-撓度曲線(xiàn)

變幅疲勞下構(gòu)件的荷載-撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。由圖7(a)、圖7(b)可知，雖然板S-SFCB2和S-BFRP3的加載順序相反，但200萬(wàn)次疲勞循環(huán)后的撓度較接近(約0.9 mm)。在不同荷載水平下，雖然撓度有一定變化，但變化幅度仍可控制，因?yàn)樗┘拥暮奢d水平并沒(méi)有超過(guò)疲勞極限。但此時(shí)，撓度的增加主要是由最大疲勞載荷水平所控制(特別是在50萬(wàn)次循環(huán)之前)，而較小的疲勞荷載水平似乎對(duì)結(jié)構(gòu)損傷影響不大。

圖7 變幅疲勞下構(gòu)件的荷載-撓度曲線(xiàn)

由圖7(c)可知，板S-RC2的荷載-撓度曲線(xiàn)相對(duì)分散，當(dāng)應(yīng)力幅增加時(shí)(超過(guò)了疲勞極限所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力)，疲勞累積損傷就進(jìn)一步增大，因此，應(yīng)力幅是控制疲勞壽命的主要因素(鋼筋應(yīng)力接近550 MPa，接近屈服強(qiáng)度)。由圖7(d)可知，板S-BFRP2位移曲線(xiàn)也相對(duì)較分散，需要注意的是，在疲勞荷載作用下，雖然此時(shí)BFRP筋的應(yīng)力較小，但BFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的降低可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，不同于應(yīng)力幅值的影響，筋材與混凝土的黏結(jié)性能也是影響疲勞壽命的另一個(gè)重要因素[25]。

圖8為疲勞試驗(yàn)后通過(guò)靜力測(cè)試得到荷載-撓度曲線(xiàn)。構(gòu)件S-SFCB2和S-BFRP3疲勞后的承載力和撓度與對(duì)比構(gòu)件(文獻(xiàn)[7]中靜力測(cè)試的構(gòu)件)差異較小，表明荷載水平小于疲勞極限時(shí)對(duì)構(gòu)件的損傷程度有限。而板S-SFCB1，由于承受了較高的荷載水平(超過(guò)了疲勞極限)，疲勞后的承載力和撓度僅僅為對(duì)比構(gòu)件的85%和73%。

圖8 疲勞試驗(yàn)后靜力加載的荷載-撓度曲線(xiàn)

2.3 荷載-裂縫曲線(xiàn)

試驗(yàn)中觀察到板S-RC2和S-RC3在跨中出現(xiàn)了兩條裂縫，而其他軌道板均在跨中僅出現(xiàn)一條裂縫。對(duì)于RC系列軌道板，當(dāng)荷載水平超過(guò)0.6Pu時(shí)，可觀察到兩條裂縫，并且裂縫高度取決于荷載水平的大小。對(duì)于SFCB系列軌道板，在不同荷載水平下，裂縫高度較為穩(wěn)定，基本保持在160 mm左右，距離混凝土頂部接近40 mm。相比而言，對(duì)于BFRP系列軌道板，當(dāng)荷載水平超過(guò)疲勞極限時(shí)，觀察到的裂縫高度迅速發(fā)展至混凝土頂部。

板S-SFCB2、S-BFRP3荷載-裂縫寬度曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。由于荷載水平在疲勞極限內(nèi)，裂縫寬度和殘余裂縫寬度隨著疲勞次數(shù)的增加并不顯著，200萬(wàn)次疲勞循環(huán)后，最大的裂縫寬度僅僅達(dá)到0.19、0.23 mm，此外，觀察到較小的疲勞荷載水平(0.44Pu)對(duì)裂縫寬度的影響有限。相比而言，由于板S-RC2和S-BFRP2的荷載水平超出了疲勞極限，裂縫寬度曲線(xiàn)增加則較為顯著，見(jiàn)圖9(c)、圖9(d)，這一點(diǎn)與荷載-撓度曲線(xiàn)保持一致。

圖9 荷載-裂縫寬度曲線(xiàn)

由圖9(e)可知，在相同疲勞上限(2.38Pj)下，板S-SFCB1經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞循環(huán)裂縫寬度為0.308 mm，約為板S-RC2經(jīng)過(guò)20萬(wàn)次疲勞循環(huán)裂縫寬度的80%。當(dāng)疲勞上限增加至2.53Pj時(shí)，板S-BFRP2僅經(jīng)過(guò)5萬(wàn)次疲勞循環(huán)，其裂縫寬度便增加到0.64 mm，大約為板S-SFCB1(經(jīng)過(guò)230萬(wàn)次疲勞循環(huán))裂縫寬度的2.9倍。以上分析表明，即使荷載水平超過(guò)疲勞極限值，SFCB系列板也能較穩(wěn)定控制裂縫寬度發(fā)展。

由圖9(f)可知，板S-SFCB2和S-BFRP3在疲勞循環(huán)200萬(wàn)次后產(chǎn)生裂縫寬度幾乎相同。顯然，在疲勞極限荷載內(nèi)，加載順序?qū)FCB和BFRP系列板的裂縫發(fā)展幾乎沒(méi)有影響。需要注意的是，板S-SFCB2在Pmax= 2.12Pj僅經(jīng)過(guò)40萬(wàn)次疲勞循環(huán)后的殘余裂縫寬度、裂縫寬度分別為0.046、0.199 mm，而板S-BFRP3，經(jīng)過(guò)90萬(wàn)次疲勞循環(huán)的殘余裂縫寬度、裂縫寬度分別為0.029、0.12 mm。這進(jìn)一步說(shuō)明，變幅疲勞中最大荷載水平往往能控制結(jié)構(gòu)裂縫增加，而當(dāng)荷載水平小于疲勞極限時(shí)，不同的加載次數(shù)對(duì)裂縫寬度影響不大。

2.4 筋材和混凝土的應(yīng)變

圖10 試件200萬(wàn)次疲勞循環(huán)下荷載-應(yīng)變對(duì)比曲線(xiàn)

圖10為測(cè)試構(gòu)件荷載-應(yīng)變(筋材和混凝土)曲線(xiàn)。由圖10(a)可見(jiàn)，盡管疲勞循環(huán)次數(shù)較少，但板S-BFRP2和S-RC2混凝土應(yīng)變比板S-SFCB1數(shù)值略大，但不超過(guò)12%。由圖10(b)可見(jiàn)，在200萬(wàn)次疲勞循環(huán)中，在板S-BFRP3和S-SFCB2中觀察到了相似的混凝土應(yīng)變，這主要取決于荷載水平的大小。由圖10(c)可見(jiàn)，在板S-BFRP2、S-RC2中測(cè)得的筋材最大應(yīng)變分別是板S-SFCB1中筋材的2.6倍、1.4倍。可以清楚地觀察到，鋼筋和BFRP筋的應(yīng)變急劇增加，造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：①疲勞循環(huán)期間高應(yīng)力水平導(dǎo)致鋼筋過(guò)早屈服；②可以推論得到循環(huán)加載導(dǎo)致BFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)性能下降，這主要取決于BFRP筋的直徑和間距[25]。由圖10(d)可見(jiàn)，加載順序?qū)Π錝-BFRP3和S-SFCB2中筋材的應(yīng)變幾乎沒(méi)有影響，并且與圖10(d)中混凝土應(yīng)變趨勢(shì)一致。

2.5 剛度衰減

軌道板的損傷(在破壞之前)可以通過(guò)構(gòu)件剛度的衰減來(lái)表明。構(gòu)件剛度變化與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)圖11，縱坐標(biāo)為構(gòu)件的割線(xiàn)剛度和初始割線(xiàn)剛度比值，即E(n)/E(0)。其中，E(0)為初始割線(xiàn)剛度，E(n)為該循環(huán)次數(shù)下割線(xiàn)剛度，n為循環(huán)次數(shù)。割線(xiàn)剛度E(n)定義為

E(n)=Pmax/(Δmax-Δr)

( 1 )

式中:Pmax為疲勞荷載上限值；Δmax為疲勞荷載上限值對(duì)應(yīng)的撓度；Δr為卸載后對(duì)應(yīng)的殘余撓度。

圖11 各板剛度衰減-循環(huán)次數(shù)曲線(xiàn)

由圖11可見(jiàn)，每塊板的剛度隨疲勞循環(huán)次數(shù)增加而降低。當(dāng)荷載水平超過(guò)疲勞極限，RC系列軌道板，剛度的幾乎是線(xiàn)性降低，接近破壞。而對(duì)于BFRP系列軌道板，由于黏結(jié)性能不足，構(gòu)件的剛度降低也較顯著。相比而言，SFCB系列板能夠更好控制剛度變化，因?yàn)镾FCB的FRP層在內(nèi)部鋼筋屈服后仍可提供二次剛度，繼續(xù)承受疲勞荷載。荷載水平在疲勞極限以?xún)?nèi)，構(gòu)件剛度衰減比較平緩，但需要注意，剛度的降低主要取決于板S-BFRP3和S-SFCB2變幅疲勞中最大的荷載水平。此外，即使疲勞荷載水平降低，構(gòu)件剛度仍然不可恢復(fù)。

3 結(jié)論

為了評(píng)估變幅疲勞對(duì)無(wú)砟軌道板疲勞性能的影響，對(duì)7塊無(wú)砟軌道板進(jìn)行了三點(diǎn)加載試驗(yàn)，所采用的筋材包括SFCB，BFRP筋和傳統(tǒng)鋼筋。研究了構(gòu)件的破壞形態(tài)，跨中撓度，裂縫發(fā)展，混凝土和筋材的應(yīng)變以及剛度變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)SFCB系列軌道板具有更好的疲勞極限，與BFRP系列軌道板(小于2.38Pj，完成160萬(wàn)次循環(huán)后疲勞破壞)和RC系列軌道板(僅2.12Pj，完成238萬(wàn)次循環(huán)后疲勞破壞)相比，SFCB系列軌道板可以達(dá)到2.38Pj，完成265萬(wàn)次循環(huán)后未破壞。

(2)當(dāng)疲勞荷載水平在疲勞極限內(nèi)，加載順序?qū)FCB和BFRP系列軌道板撓度、剛度和裂縫寬度影響較小。在疲勞過(guò)程中，剛度的降低主要取決于變幅疲勞中最大的荷載水平。

(3)當(dāng)疲勞荷載水平超過(guò)疲勞極限時(shí)，RC系列軌道板疲勞后的破壞形態(tài)為預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋斷裂，BFRP系列軌道板則為預(yù)應(yīng)力筋斷裂。此外，RC和BFRP系列軌道板疲勞剛度迅速降低，相比而言，SFCB系列軌道板則能較好控制結(jié)構(gòu)剛度的衰減。

(4)在變幅疲勞荷載作用下，疲勞荷載水平對(duì)混凝土應(yīng)變的影響并不顯著，而應(yīng)力幅值和黏結(jié)性能，分別影響鋼筋和BFRP筋應(yīng)變的發(fā)展。