公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究

1、公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究 ? 公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究 公路鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)及耐久性研究 樊素 (四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 結(jié)構(gòu)技術(shù)中心， 四川 德陽618000) 摘要 隨著公路服役年限的增加，公路鋼筋混凝土梁疲勞破壞已在工程領(lǐng)域引起重視。首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，然后以中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)槔?，結(jié)合ANSYS 9.0軟件驗(yàn)算了算例橋梁的疲勞應(yīng)力，最后結(jié)合超載問題以及實(shí)際運(yùn)營荷載已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求現(xiàn)狀，對(duì)公路橋梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)得出結(jié)論：各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬次，說明我國中小跨徑公路橋梁耐久性大大降低，存

2、在潛在的平安事故問題。 關(guān)鍵詞 車輛荷載模型； 疲勞應(yīng)力； 等幅疲勞試驗(yàn) 0引言 我國對(duì)跨河、跨海橋梁進(jìn)行了大量的研究，然而僅有少量試驗(yàn)對(duì)公路橋梁的應(yīng)力水平、疲勞水平進(jìn)行研究，公路橋梁作為公路交通的瓶頸，在運(yùn)營平安方面具有十分重大的意義。自上世紀(jì)以來，鋼筋混凝土橋梁因其造價(jià)經(jīng)濟(jì)，制造簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在中小跨徑公路橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。在我國公路通車?yán)锍讨?，鋼筋混凝土公路橋梁約占領(lǐng)總橋梁數(shù)的80%，因此鋼筋混凝土公路橋梁在公路工程中占據(jù)著非常重要的地位，其設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等流程都十分重要。 鋼筋混凝土公路橋梁地位如此之重，卻也存在著兩個(gè)非常突出的平安問題： 車輛對(duì)橋梁的承載能力要求越來越高

3、； 隨著服役時(shí)間的增長，其承載能力逐漸減小且發(fā)生疲勞破壞的可能性日益增大。如果這兩個(gè)問題不能得到有效的解決，必然會(huì)導(dǎo)致交通事故發(fā)生。引起公路橋梁承載力下降的因素有許多，主要包括材料自身特性、不良環(huán)境侵蝕以及長期汽車荷載作用。在長期的汽車荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部易引起損傷積累，使得橋梁發(fā)生疲勞破壞。 因此本文有針對(duì)性的選取了常見的典型中小跨度公路橋梁，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)營荷載下的耐久性研究，已期提高公路橋梁的耐久性，進(jìn)而提高公路的使用壽命。本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)樗憷?，結(jié)合ANSYS9.0軟件驗(yàn)算了三路居橋梁的疲勞應(yīng)力，通過模型與計(jì)算可知在小跨徑公路橋梁荷載問

4、題中，活荷載所占比重較高，存在較大的疲勞破壞潛在風(fēng)險(xiǎn)；并且由于我國超載問題較為嚴(yán)重，雖然算例橋梁的設(shè)計(jì)荷載滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在實(shí)際運(yùn)營荷載狀況下已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并不能將200萬次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此對(duì)公路橋梁進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)可知各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，說明我國中小跨徑公路橋梁存在很大的平安事故風(fēng)險(xiǎn)。 1公路車輛疲勞荷載模型的建立 在實(shí)際工程中，公路橋梁的應(yīng)力水平往往決定了公路的使用耐久性，我國對(duì)跨河、跨海橋梁進(jìn)行了大量的研究，然而僅有少量試驗(yàn)對(duì)公路橋梁的應(yīng)力水平、超載水平進(jìn)行研究，因此本文有針對(duì)性地選取了常見的典型中小跨度公路橋梁，進(jìn)行實(shí)際

5、運(yùn)營荷載下的耐久性研究，以期提高公路橋梁的耐久性，進(jìn)而提高公路的使用壽命。本文選取正在服役的三路居橋作為中小跨徑橋梁的代表，該橋?yàn)槿绾喼т摻罨炷翗蛄?，全長37.9 m，寬度4.8 m，橋跨組合10 m+14.96 m+10 m，始建于1982年，并于2021年進(jìn)行維修，維修后上部結(jié)構(gòu)采取裝配式鋼筋混凝土T梁，中心間距1.6 m，其根本概況見表1，圖1。 1.1荷載模型及參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)我國現(xiàn)行?公路橋涵通道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(JTG D60 2004)，一般采取車道荷載與車輛荷載兩種形式，車道荷載由均布荷載與集中荷載組成，按照公路1級(jí)水平，結(jié)合影響線最不利荷載方式來計(jì)算結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。車輛荷載用于橋

6、梁局部加載效應(yīng)計(jì)算，車道荷載與車輛荷載用于橋梁的靜力計(jì)算，針對(duì)車輛動(dòng)力效應(yīng)，需要引入沖擊數(shù)來對(duì)靜力效應(yīng)調(diào)整(見圖2)。 表1 三路居橋鋼筋混凝土根本概況Table1 Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete橋梁名稱跨徑/m截面形式荷載等級(jí)車道數(shù)橋梁寬度/m梁高/m主梁片數(shù)混凝土等級(jí)縱筋數(shù)量及等級(jí)三路居橋14.96T梁公路1級(jí)14.80.753C30頂4?28底12?28 圖1三路居橋主梁跨中斷面及構(gòu)造配筋圖Figure 1Three road bridge girder section and span structure r

7、einforcement chart 圖2公路1級(jí)車道荷載模型Figure 2Load model of 1 grade highway 由于橋梁結(jié)構(gòu)與車輛荷載相互作用會(huì)產(chǎn)生荷載變幅，因此要考慮恒荷載與活荷載的組合效應(yīng)。在設(shè)計(jì)根本組合中，根據(jù)?公路橋涵通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(JTG D60 2004)，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合系數(shù)取1.2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合系數(shù)取1.4。針對(duì)疲勞荷載組合，查閱美國AASHTO標(biāo)準(zhǔn)可知，AASHTO標(biāo)準(zhǔn)將疲勞極限狀態(tài)并列于承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)提出，疲勞荷載組合中僅僅考慮了0.75的活荷載組合系數(shù)。根據(jù)我國?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB 50010 2021)指出，在

8、疲勞荷載驗(yàn)算中荷載應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，吊車荷載需乘以動(dòng)力系數(shù)，根據(jù)我國?鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB50017 2003)，針對(duì)直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值不乘以動(dòng)力系數(shù)。綜合上述標(biāo)準(zhǔn)可知，在各個(gè)荷載組合方法中，疲勞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)并未獨(dú)立出來，因此結(jié)合公路橋梁實(shí)際問題，考慮到汽車荷載沖擊效應(yīng)明顯，本文采取?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB 50010 2021)中的組合方法，對(duì)汽車荷載考慮沖擊系數(shù)，具體組合方法如表2所示。 表2 荷載組合方式及參數(shù)Table2 Loadcombinationmodeandparameters荷載組合組合名稱組合系數(shù)恒荷載活荷載組合1設(shè)計(jì)根本組合1.21.4組合2疲勞組合11+

9、沖擊系數(shù)根據(jù)?公路橋涵通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(JTGD60 2004)，按照公式(1)、式(2)計(jì)算： 橋梁基頻： (1) 沖擊系數(shù)： =0.176 7lnf-0.015 7 (2) 因此，得到三路居橋梁的沖擊系數(shù)如表3所示。 表3 三路居橋梁基頻與沖擊系數(shù)Table3 bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序號(hào)l/mE/(Nmm-2)Ic/m4A/m2mc/(kgm-1)f/Hz11531030.02450.48312565.340.28 1.2ANSYS軟件實(shí)體建模 在ANSYS軟件中，梁一般采取桿單元模型，結(jié)合三路居橋梁的簡支梁形式，只需在梁一端節(jié)點(diǎn)處

10、約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及一個(gè)沿軸線方向的線自由度，另一端制作節(jié)點(diǎn)約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，梁體與制作節(jié)點(diǎn)剛性連接并保持位移與協(xié)調(diào)變形條件。所建好的實(shí)體模型如圖3所示。 圖3三路居橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Figure 3Three road bridge superstructure model 1.3公路鋼筋混凝土橋梁疲勞應(yīng)力計(jì)算 結(jié)合上述荷載模型以及參數(shù)設(shè)計(jì)，采用ANSYS 9.0軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)算，其中疲勞驗(yàn)算根據(jù)?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB 50010 2021)，主要計(jì)算方法如公式(3)式(6)所示： 等效截面參數(shù)： (3) (4) 鋼筋應(yīng)力幅： (5) 混凝土最大壓應(yīng)力： (6) 在上述公式中

11、: b表示等效截面腹板寬度，表示受壓翼緣有效寬度，mm ；fE表示鋼筋彈性模量與混凝土疲勞彈性模量比值；x0表示等效截面受壓區(qū)高度，mm；If0表示等效截面慣性矩，mm4；表示受拉區(qū)、受壓區(qū)鋼筋面積，mm2； Mfmax、Mfmin表示疲勞荷載產(chǎn)生最大、最小彎矩,N*mm；表示鋼筋疲勞應(yīng)力幅值與混凝土最大壓應(yīng)力限值。 結(jié)合上述車道好荷載模型與疲勞驗(yàn)算公式，采取ANSYS 9.0軟件進(jìn)行計(jì)算，最終得到算例橋梁的疲勞應(yīng)力值如表4所示。 表4 算例橋梁疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)限值Table4 Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit計(jì)算荷載跨

12、徑/mMfmaxMfminfs,maxfs,minfsfsfc,maxfc設(shè)計(jì)荷載15.00950.10460.29206.7299.80105.91120.169.1613.24標(biāo)準(zhǔn)荷載15.00806.52460.29175.1599.8074.34103.877.1314.26調(diào)查荷載15.001028.51460.29224.0399.80123.22125.2510.1813.24 結(jié)合表4可知: 標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載下橋梁的縱向鋼筋應(yīng)力幅較小，距離?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(GB50010 2021)鋼筋疲勞應(yīng)力幅值尚有一定平安儲(chǔ)藏，在表4中，設(shè)計(jì)荷載與實(shí)際調(diào)查下的縱向鋼筋應(yīng)力幅值分別接近11

13、8、123 MPa，根據(jù)朱紅兵試驗(yàn)得出的普通鋼筋疲勞壽命S N曲線可知，設(shè)計(jì)荷載水平下的極限循環(huán)次數(shù)分別為268萬次與243萬次，調(diào)查荷載應(yīng)力下的極限循環(huán)次數(shù)為157萬次與124萬次。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選定200萬次作為疲勞破壞界限，可知算例橋梁滿足疲勞驗(yàn)算試驗(yàn)。通過上述疲勞應(yīng)力的驗(yàn)算可知算例橋梁滿足設(shè)計(jì)荷載應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求，然而在實(shí)際運(yùn)營荷載下已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此并不能完全確定是否橋梁在200萬次循環(huán)界限時(shí)發(fā)生疲勞破壞，為此需進(jìn)一步進(jìn)行鋼筋混凝土疲勞試驗(yàn)，獲取相應(yīng)應(yīng)力水平下的極限循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行更準(zhǔn)確的疲勞壽命評(píng)估。 2鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn) 2.1試驗(yàn)梁原材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采取C40混凝土

14、，普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級(jí)配官平卵石，最大粒徑31.5 mm，細(xì)骨料為渭河細(xì)沙，細(xì)度模數(shù)為2.0，砂率為38%。鋼筋采取HRB400熱軋帶肋鋼筋，實(shí)測屈服強(qiáng)度為440 MPa，極限抗拉強(qiáng)度610 MPa；混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa。試驗(yàn)梁長2.7 m，計(jì)算跨度2.4 m，梁寬150 mm、高300 mm，其配筋構(gòu)造如圖4所示。 圖4試驗(yàn)梁配筋構(gòu)造Figure 4Structure of test beam reinforcement 2.2銹蝕方案 本文采取快速通電銹蝕方案，將實(shí)驗(yàn)梁放置在濕鹽砂中，以濕鹽砂為導(dǎo)電介質(zhì)，形成電解回路如圖5所示。 圖5濕鹽砂銹蝕方案Figure 5

15、Corrosion of wet salt sand 在通電銹蝕期間，定時(shí)向濕鹽砂澆入飽和鹽水并覆蓋棕墊減緩濕鹽砂水分蒸發(fā)，銹蝕采取梁體沿縱向鋼筋鋼筋裂縫控制，以0.1、0.3、0.6、1.0 mm為裂縫寬度等級(jí)，當(dāng)裂縫寬度到達(dá)0.6 mm后再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測試。 2.3疲勞試驗(yàn)加載與測試方案 采用西安建筑科技大學(xué)YAW 5000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，整個(gè)加載系統(tǒng)如圖6所示。 圖6疲勞試驗(yàn)加載系統(tǒng)Figure 6loading system of fatigue test 結(jié)合圖6可知： 采取三分點(diǎn)靜力加載方式以位移控制，加載速度總體設(shè)置為0.05 mm/min，不同階段加載速度如表5所

16、示。 接下來要明確測試內(nèi)容并進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測點(diǎn)布置，主要測試混凝土應(yīng)變、純彎鋼筋應(yīng)變以及跨中撓度，在兩根主筋跨中位置分別粘貼應(yīng)變片，梁跨中頂面以及地面各粘貼一個(gè)混凝土應(yīng)變片，梁跨中位置兩側(cè)面間隔50 mm粘貼混凝土應(yīng)變片，應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)如表6所示。 表5 靜力試驗(yàn)各階段加載速率Table5 Loadingrateateachstageofstatictest加載階段預(yù)加載預(yù)加載McrMcrMconMu荷載區(qū)間05Mcr50.8Mcr0.81.2Mcr0.81.2Mcon0.8Mu加載速率/(mmmin-1)0.50.50.20.20.2 表6 鋼筋、混凝土應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)Table6 Techni

17、calparametersofsteelbarandconcretestraingauge型號(hào)電阻值/靈敏系數(shù)柵長柵寬BX120-5AA 1200.1%2.121.3% 53BX120-80AA1200.1%2.121.3%803 2.4測試結(jié)果分析 通過上述實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，獲得梁的荷載位移曲線如以下圖7所示，獲得控制荷載實(shí)測值與第一節(jié)理論計(jì)算值比照關(guān)系如表7所示。 表7 靜力試驗(yàn)控制荷載計(jì)算值與實(shí)測值Table7 Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷載下限荷載上限S1S2極限承載力水平應(yīng)力0.250.50.55鋼筋

18、應(yīng)力/MPa100200220鋼筋應(yīng)變/50010001100控制荷載設(shè)計(jì)值/kN4275.882.8144 控制荷載實(shí)測值/kN43.972.579.6177.6 實(shí)測值與計(jì)算值誤差/%4.54.351.16 23.3 跨中位移實(shí)測值/mm6.799.4510.06 32.28 從圖7中可以看出: 試驗(yàn)梁先后經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段以及局部緊縮階段，為典型的適筋梁破壞。結(jié)合表7可知：各控制荷載實(shí)測值與計(jì)算值根本吻合，除梁的極限承載力差異較大，實(shí)測值教計(jì)算值超出23.3%。 圖7靜載試驗(yàn)荷載-位移曲線Figure 7Load displacement curve of static

19、load test 接下來對(duì)試驗(yàn)鋼筋混凝土梁采取等幅疲勞試驗(yàn)，記錄疲勞循環(huán)過程中縱向鋼筋應(yīng)力變化情況，通過應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，采集到的試驗(yàn)梁疲勞循環(huán)過程中縱向鋼筋應(yīng)力變化情況如圖8、表8所示。 圖8試驗(yàn)梁縱向鋼筋應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Figure 8The variation of stress with cycle times of test beam 結(jié)合圖8與表8可知： 在疲勞試驗(yàn)加載初期，縱筋應(yīng)力幅值保持平穩(wěn)，與設(shè)計(jì)階段幅值根本接近，說明試驗(yàn)控制到達(dá)了預(yù)期目的，在RCBPLL 1梁中，隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，縱筋應(yīng)力上峰值與下峰值保持穩(wěn)定，直到破壞邊緣上峰值與下峰值增大了2.5%1

20、6.1%，說明梁體內(nèi)部發(fā)生了明顯的疲勞損傷，而在梁RCBPLL 2中，縱筋上峰值與下峰值出現(xiàn)了下降趨勢，這可能是由于應(yīng)變片粘貼位置發(fā)生偏移，使得測試應(yīng)力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。 表8 縱向鋼筋動(dòng)態(tài)應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化情況Table8 Thedynamicstressoflongitudinalreinforce-mentwiththechangeofcycletimes梁循環(huán)次數(shù)/萬次最大值/MPa最小值/MPa幅值/MPa11187.685.4102.22190.083.0107.05192.481.4111.010200.489.4111.050195.6103.092.6RCBPLL1100198.

21、894.2104.6150196.492.6103.8200190.091.099.0250189.286.2103.0280197.285.4111.81227.9113.4114.62238.3130.9107.45222.498.2124.210244.7126.1118.6RCBPLL250291.8141.3150.5100270.3123.0147.3179185.683.8101.8182174.539.1135.3 3結(jié)論 本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋?yàn)樗憷Y(jié)合ANSYS9.0軟件驗(yàn)算了三路居橋梁的疲勞應(yīng)力，通過模型與計(jì)算可知在小跨徑公路

22、橋梁荷載問題中，活荷載所占比重較高，為50%60%，因此存在較大的疲勞問題；并且由于我國超載問題較為嚴(yán)重，雖然算例橋梁的設(shè)計(jì)荷載滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在實(shí)際運(yùn)營荷載狀況下已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并不能將200萬次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此需對(duì)公路橋梁進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取相應(yīng)應(yīng)力水平下的極限循環(huán)次數(shù)。 通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗(yàn)可知各個(gè)試驗(yàn)梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬次，說明我國中小跨徑公路橋梁存在潛在的平安事故問題，需受到廣泛的重視以免發(fā)生交通事故。 參考文獻(xiàn) 1晏富洋.公路橋梁疲勞試驗(yàn)二維荷載譜研究D.重慶:重慶交通大學(xué),2021. 2任偉平. 鋼橋整體節(jié)點(diǎn)疲勞性能試驗(yàn)

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