（道路与铁道工程专业论文）高强钢筋混凝土梁疲劳性能的试验研究及分析.pdf

摘要 摘要 本论文通过对高强钢筋混凝土梁讵截面抗弯疲劳性能的试验研究，分析了 受弯构件币截面疲劳破坏形态和抗弯性能，主要对高强钢筋混凝土梁在疲劳荷 载作用卜i 的疲劳强度、裂缝开展及疲劳刚度进行了探讨研究，并与普通钢筋混 凝土梁疲劳特性进行了对比。 首先，对高强钢筋混凝土梁的疲劳强度进行了分析。根据试验结果验证了 平截面假定在疲劳荷载作用下仍然成立，探讨了疲劳荷载作用下梁的破坏形态， 并且通过对混凝土的疲劳变形模量的分析，提出了高强混凝土在疲劳荷载作用 下的变形模量计算公式，由此得出了梁内混凝土及纵筋应力的计算公式。通过 对试验过程的观察和试验结果的分析，发现造成梁破坏的主要原因是钢筋的疲 劳断裂，所以根据影响钢筋疲劳断裂的主要因素是应力幅度，提出了以应力幅 度为参数的疲劳强度计算公式。 其次，对试验梁在疲劳荷载作用下的裂缝发展情况进行了研究。本文在试 验结果的基础上，结合国内外的其它研究成果，首先对静载作用下的裂缝宽度 进行了计算，修正了静载作用下裂缝宽度的计算公式，然后分析了疲劳荷载作 用f 裂缝宽度增大的原因，根据粘结滑移理论，探讨了以静载作用下的裂缝宽 度和疲劳荷载作用下的受压区混凝土应变为依据的疲劳裂缝计算方法，分析了 影响裂缝丌展的因素，并与由试验数据回归的公式计算结果进行了对比。 最后，对高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的刚度计算进行了分析。本 文分析了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用变形的一般规律，考虑用有效惯性 矩法和解析剐度法进行疲劳刚度的计算，探讨了高强钢筋混凝土粱在疲劳荷载 作用1 - i jj j 度的计算方法和公式，并同普通钢筋混凝土粱在疲劳荷载作用下的变 形进行了对比。 关键词：高强钢筋混凝土梁，疲劳强度，疲劳裂缝，疲劳刚度，疲劳荷载 a b s t r a c _ - _ _ _ _ - - _ _ - h _ _ _ _ n _ 一一 a b s t r a c t s e c t i o nf a t i g u ed e s t r o yf o r m so fb e n d i n gm e m b e rw a sa n a l y z e db ye x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho i lf a t i g u eb e h a v i o ro fh i g hs t r e n 瘿hr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s f a t i g u e s t r e n g t h 、c r a c kd e v e l o pa n df a t i g u er i g i d i t yw e r em a i n l yr e s e a r c h e da n dc o n t r a s t e dt o f a t i g u ec h a r a c t e r i s t i co f c o m m o nr e i n f o r c e dc o n c r e t e ， f i r s to fa l l ，f a t i g u es t r e n g t ho fh i g hs t r e n g t hr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mw a s a n a l y z e d 。t h ef l a ts e c t i o na s s u m e si sf e a s i b l ea c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s + d e f o r m a t i o nm o d u l u sc a l c u l a t i o nf o r m u l ai sp u tf o r w a r db yd e f o r m a t i o nm o d u l u s a n a l y s i so fh i 醇s t r e n g t hc o n c r e t eu n d e rf a t i g u el o a d s 。s oc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f c o n c r e t ea n ds t e e lb a ri nb e a m sw a sg a i n e d o nb a s i so fo b s e r v a t i o no fe x p e r i m e n t a l c o u r s ea n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ，s t e e lb a rr u p t u r ew a sm a i n l yc a u s eo f b e a md e s t r u c t i o n s ot h ef a t i g u es t r e n g t hc a l c u l a t i o nf o r m u l aw a ss e tu pa c c o r d i n gt o s t r e s sr a n g e s e c o n d l y , c r a c k sd e v e l o p m e n to fh i g hs t r e n g t hr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s u n d e rf a t i g u el o a d sw a sa n a l y z e d t h ec r a c kw i d t ho fb e a mu n d e rs t a t i cl o a d sw a s f i r s t l yd i s c u s s e d c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc r a c kw i d t hu n d e rs t a t i cl o a d sw a sp u t f o r w a r d t h e na u g m e n tc a u s eo fc r a c kw i d t hu n d e rf a t i g u el o a d sw a sr e s e a r c h e d ， t h t i g u ec r a c kc a l c u l a t i o nm e a n sb a s e dc r a c kw i d t hu n d e rs t a t i cl o a d sa n dc o n c r e t e s t r a i no fp r e s s e df i e l dw a sm a i n l yd i s c u s s e du n d e rf a t i g u el o a d so nb a s i so ft h i s e x p e r i m e n t a lr e s u l ta n do t h e rr e s e a r c ho u t c o m e s f u r t h e r m o r ei n f l u e n c i n gf a c t o ro n c r a c kd e v e l o p m e n tw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t hc a l c u l a t i o nr e s u l to fg a i n e d f o r m u l ab ye x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l y , r i g i d i t ya n a l y s i so fh i 盛s t r e n g t hr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m su n d e r f a t i g u el o a d sw a sr e s e a r c h e d a tt h es a m et i m et h ed e f o r m a t i o nr u l eu n d e rf a t i g u e l o a d sw a sa n a l y z e d 。e f f i c i e n ti n e r t i ar u l e sm e a n sa n dp a r s er i g i d i t ym e a n sw e r eu s e d t oc a l c u l a t ef a t i g u er i g i d i t ya n dd i s c u s s e dr i g i d i t yc a l c u l a t i o nm e a n so fh i g hs t r e n g t h r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mu n d e rf a t i g u el o a d s 。f i n a l l yt h er e s u l tw a sc o m p a r e dw i t h a b s t r a c i d e f o r m a t i o no fc o m m o nc o n c r e t eb e a mu n d e rf a t i g u el o a d s k e yw o r d s ：h i g h s t r e n g t hr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ，f a t i g u es t r e n g t h ，f a t i g u ec r a c k ， f a t i g u er i g i d i t y ，f a t i g u el o a d s 独创性声明 本人声明所呈交的论文怒我个人在导师指导下进行酶研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其健入已经发表或撰写过戆磅究残杀，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我霆_ i 佟鳇弱志对本磅究所徽的任何贡献均已在论文中彳譬了明 确的说明并表示了谢意。 签名：燃日期：哗u 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关绦滔、使崩学位论文的簸定， 即：学院有权保留送交沦文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布沧文静全部藏帮分内容，皤以采用彩印、编印或其毪复涮手 段保存论文。 ( 绦密麓论文在瑟密后瘟遵守噩笔援定) 签名：落导师签名：巡日期：五啦| 第一章引言 第一章 引 言 1 1 选题背景及研究意义 高强钢筋混凝土结构是当前国内外土木工程技术研究的一个重要课题。高强 钢筋混凝土用做受压为主的构件，可显著减少构件的截面尺寸，减轻结构自重， 减少钢筋用量，增加建筑空间，从而带来显著的经济效益，而且它还具有高强、 早强和耐久性好的特点，可以通过增加结构的刚度而减少结构的压缩量，例如钢 筋混凝土屋架由c 4 0 提高到c 6 0 ，体积缩小2 0 ，造价降低1 5 ，柱子由c 3 0 提高到c 5 0 ，用钢量减少4 0 ，造价降低1 7 ，所以高强钢筋混凝土构件可以应 用于高层、超高层建筑和特大跨度的桥梁，以及海洋采油平台等结构物。目前在 国际上，混凝土强度等级已经应用到c l o o 级，有的已经达到c 2 0 0 级。在我国， 中国土木工程学会高强混凝土委员会于1 9 9 4 年编制出版了高强混凝土结构设计 和施工指南，适应了当时我国高强混凝土应用的需要，对推动我国高强混凝土的 发展起到了重要的作用，1 9 9 8 年中国工程建设标准化协会在该指南的基础上，编 制了高强混凝土结构设计与施工规程c e c s l 0 4 ：9 9 ) ) ，与此同时，我国现有规范 混凝土结构设计规范g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) ) 也已经对混凝土疲劳强度的验算进行了完 善，也确定将混凝土强度等级提高到c 8 0 级，进一步推动了高强混凝土和高强钢 筋在铁路、桥梁和高层建筑等工程中推广使用，所以应当深入了解高强钢筋混凝 土梁在各种状态下的性质，为发展高强钢筋混凝土结构提出可靠的理论依据。 按照一定承载能力设计的结构，在多年的使用期间，发生荷载超过设计值的 场合一般不多，超载的幅度也不会太大工程中完全因为超载引起结构破坏的事 故很少。而在承受反复荷载下的结构中构件的疲劳损伤经常发生，常年累月，荷 载作用次数累加以万计，可能产生突然的脆性破坏，有时这种危险性非常大。2 0 世纪7 0 年代以前，混凝土结构的疲劳问题并没有像钢结构那样受到重视，混凝土 结构按允许应力法设计时，由于采用的允许应力较低，很少发现混凝土结构由于 疲劳而破坏的事件。但随着高强度钢筋和高强度混凝土的采用，许多构件处于高 应力状态，此外由于混凝土结构扩大应用到许多循环次数比较多而重复荷载较大 的场合，如桥梁、轨枕、海洋结构、压力机构、压力容器等，因此混凝土结构的 第一章引言 疲劳性能便成为一个不可忽视的问题。 吊车梁等承受重复荷载的构件，在数十万或数百万次的重复荷载作用下，尽 管构件中钢筋或混凝土中的最大应力比一次加载时各自的强度值低，但构件中的 钢筋或混凝土会发生脆性破坏，这种破坏现象称为疲劳破坏，在规定的重复次数 和作用变化幅度下，材料所能承受的最大动态应力，称为材料的疲劳强度，构件 所能承受的最大动态内力称为疲劳能力。常见的工程实例有：桥梁、吊车梁及其 支承结构承受车辆的垂直和水平荷载；厂房结构承受机械设备的周期性( 如偏- i i , 块 的转动、摇臂机构的往复运动) 或随机性振动；水工和海洋结构承受风浪和波涛的 拍打等，这类荷载对结构的重复作用次数在使用期限内累计可以达到数百万次。 由于疲劳现象主要取决于材料内部的微观构造，影响因素众多，除了组成材料的 特性、混凝土配合比、龄期及环境条件外，更重要的是应力状态( 最大应力、最小 应力和应力幅度1 、荷载循环特征、加载频率及试验条件，因此试验中测定的疲劳 强度的离散度比较大，理论分析还不够成熟，所以当前对高强钢筋混凝土的疲劳 强度的研究很少，尤其是对疲劳荷载作用下的高强混凝土构件疲劳裂缝扩展过程 和采用高强钢筋和高强混凝土这一方案能否同时满足建筑物承载能力极限状态和 正常使用极限状态知之更少，在高强混凝土结构设计与施工指南中还是个空 白。尽管从1 8 2 9 年德国的w a j a l b e r t 提出了第一个疲劳研究报告以来，各国学 者相继进行了许多试验研究，已经提出了各种经验公式和理论，但是需要进一步 完善和发展。 1 2 国内外应用及目前的研究状况 1 2 1 高强钢筋混凝土结构的发展和应用 从2 0 世纪3 0 、4 0 年代以来，随着水泥品种的改善以及化学j b j j n 齐t j ( 减水剂、 引气剂) 的使用，在工程中普遍使用的混凝土强度在国际范围内得到逐步地增大。 到了2 0 世纪6 0 年代，美国通过应用普通减水剂和外加粉煤灰等技术，制出工作 度较好的高强混凝土，已经有了强度相当于c 5 0 到c 6 0 的混凝土。但只有高效减 水剂的生产才使混凝土技术跨向了一个新的时代。1 9 6 4 年，日本首先应用高强减 水剂配置普通工艺的高强混凝土，获得了强度相当于c 8 0 到c 9 0 的高强混凝土， 随之高强钢筋混凝土结构广泛地应用于桥梁工程、高层建筑、混凝土制品、港口 2 第一章引言 和海洋工程以及其它高架结构、防护工程等领域。目前制备高强混凝土的途径一 般有三类： ( 1 ) 提高水泥的强度，加速其水化作用，增强混凝土的密实性。 如采用高标号水泥，将水泥磨细等是比较有效的措施；混凝土制作过程的振 动成型、高温蒸压养护等工艺也可提高混凝土的强度，但提高幅度有限。 ( 2 ) 减小水灰比。 经研究得知，水泥充分水化作用所需得水狄比约为o 2 足够，但为了使拌合 的湿混凝土满足施工的和易性要求，常采用更大的水灰比。多余的水分在混凝土 的凝固过程和以后逐渐蒸发散失，在混凝土内部留下缝隙，降低了强度，故在混 凝土原材料相同而减小水灰比后，其强度可获得显著的增长。 ( 3 ) 使用各种聚合物作为胶结材料代替水泥。 如塑料浸渍混凝土的抗压强度很容易超过1 5 0 n m m 2 ，但必须经过加热、抽真 空、浸入、聚合等复杂的工艺过程，不适合广泛使用，更难以在大型结构物的施 工现场应用，而且造价昂贵。 因此，制备高强混凝土的最现实、经济的途径是降低其水灰比。2 0 世纪7 0 年代，国内外研制成的多种高效减水剂实现了这一目标。高效减水剂是一种表面 活性剂，在搅拌混凝土时渗入，吸附在水泥颗粒的表面，使各种颗粒互相排斥， 保持分散状态，大大地提高了水泥砂浆的流动性，使得很低水灰比配置的混凝土 获得很好的和易性，它又能促进水泥的水化作用，提高早期强度。此外，还可在 搅拌混凝土掺加粉煤灰、硅粉等颗粒细微的活性材料，以改善混凝土的和易性， 提高强度。目前，在工程中广泛应用高强混凝土较多的领域有以下几个方面。 ( 1 ) 桥梁工程 大跨桥梁的自重往往占总荷载中的大部，所以桥梁结构采用高强度铡筋混凝 土后可以通过减少自重和降低截面高度，获得许多好处。1 9 7 0 年同本建成 k a m i - n o s h i m a 公路桥，最大跨度8 6 m ，混凝上强度相当于c 7 0 ：1 9 7 4 年的 f u k a i n i t s u 公路桥，跨度2 6 m ，混凝土强度相当于c 8 0 ；1 9 7 6 年的a k g a w a 铁路 桥，跨度4 6 m ，混凝土强度相当于c 9 0 。美国1 9 7 8 年在华盛顿修建的 p a s c o k e n n e w i c 桥，最大跨度2 9 9 m ，混凝土强度相当于c 5 0 级：1 9 8 4 年建成的 从西佛吉尼亚到俄亥俄的e a s t - h u t i n g t o n 公路桥，包括一个主跨为2 7 4 m 的不对称 斜拉梁结构，混凝土强度等级相当于c 6 5 。在我国，上海的南浦大桥和杨浦大桥 的塔身都用了c 5 0 级混凝十：还有在钱塘江二桥、汕头海湾大桥、黄石大桥、武 第一章引言 汉长江大桥、京津唐高速公路的一些桥梁都用到了混凝土等级相c 5 0 - - c 6 0 的钢 筋混凝土构件。 ( 2 ) 高层建筑 高强钢筋混凝土是高层建筑底部柱子和剪力墙的理想材料，它不仅在结构造 价上获得了明显的节约效果，更重要的是由于柱子尺寸的减小而增加了建筑使用 面积，并满足了建筑美观的要求。美国1 9 7 5 年建成的芝加哥w a t e r t o w e r 广场大 厦，共7 9 层，高2 6 2 m ，从地下室到第2 5 层的柱子采用了混凝土设计强度相当于 c 7 5 的钢筋混凝土：纽约1 9 8 1 年建成的6 8 层t r u m p 塔楼采用了混凝土强度为c 6 5 的钢筋混凝土结构；1 9 8 9 年建成的谣雅图p a c i c f i r s t c e n t e r 大厦，采用钢管混凝土 柱，平均强度达到1 4 0 m p a ；1 9 9 0 年建成的芝加哥s o u t h w a c k e r 塔楼，共7 l 层， 用了c 9 5 级混凝土构件；马来西亚的吉隆坡建成的c i t y c e n t e r 双塔大厦高4 5 0 m ， 底层柱子用了c 8 0 级高强混凝土。在我国，北京新世纪饭店、北京四川大厦、广 州国际大厦、青岛中银大厦、上海东方实业大厦、上海金茂大厦、武汉世贸大厦、 广州中天大厦、福州金龙大厦、济南亚洲酒家等高层建筑都用到了c 6 0 级高强混 凝土。 ( 3 ) 港口和海洋工程 高强钢筋混凝土可以耐海水侵蚀和海浪冲刷，维修费用低，所以很适合于建 造码头、船坞、采油平台等海洋工程。1 9 7 3 年在挪威北海油| = f i 建成的第一个混凝 土储油和钻井平台e k o f i s k 一1 ，防波堤用了c 7 0 级高强钢筋混凝土结构。美国在 1 9 8 2 年在阿拉斯加第一次用预应力高强钢筋混凝土建成浮动码头，其中7 0 0 多个 预制单元的混凝土强度相当于c 6 5 。在我国，南水北调中线总干渠漕河渡槽，t 型梁设计用c 6 0 级混凝土，桁架用c 6 0 混凝土。 1 2 2 目前的研究状况 近年来，由于极限状态设计法和高强度材料的广泛使用，要求混凝土梁在较 高的应力水平下工作，同时，随着我国列车轴重的增加，势必会对既有混凝土梁 造成疲劳损伤，需要对其进行疲劳损伤评估。国外在这方面的研究起步较早，美 国混凝土学会2 1 5 委员会、美国的h a n s o n 和瑞一l 的h e r z o g 在他们的报告中列举 了大量的参考文献，对混凝土结构的疲劳问题进行了综述，国际桥梁与结构协会 1 9 8 2 年在瑞士洛桑召丌研讨会上专门讨沦了混凝土结构疲劳问题，日本也做了大 量的混凝土模型梁的疲劳试验，我国在这方面也做了 些工作。 4 第一章引言 对于普通混凝土梁的疲劳强度，国内外已经有了很详细的研究成果，已经有 了许多经验公式，国内外所做疲劳试验结果表明，大多数钢筋混凝土和部分预应 力混凝土受弯构件的疲劳是由纵向钢筋断裂所控制，只有少量配筋率很高且截面 形状特殊的构件，才会因为受压区混凝土的受压疲劳而破坏。一般认为，影响混 凝土疲劳强度的因素重要有：应力变化幅度、应力梯度、混凝土的材料和组成、 加载的频率和受拉疲劳强度，影响钢筋疲劳强度的因素有：外形和直径、强度等 级、钢筋的加工和环境以及加载的频率。我国的混凝土结构设计规范 g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) ) 也已经对混凝土疲劳强度的验算进行了完善，制定了详细的计算 方法，而且对于普通钢筋混凝土梁的裂缝和刚度的发展规律也有了大量的试验和 结果，并且都得到了很好的验证。 关于高强混凝土的疲劳性能也有了不少的试验数据，获得了相应的成果。挪 威t r o u d h e i m 大学的研究表明，环境的干燥或潮湿对高强混凝土的疲劳强度有较 大的影响。p e t k o v i c 根据密封试件在单轴受压下的等幅疲劳试验结果，提出的经验 公式为：设破坏时的荷载重复次数为n ，有 ，、 l o g n = ( 1 一s 。) 【1 2 + 1 6 s 。+ s ：。j 日本京都大学n i s h i y a m a 也对高强混凝土的抗压疲劳性能作过研究，取二种强度 的混凝土作了对比，一种是水灰比o 2 6 抗压强度为1 0 6 1 2 1 m p a ；另一种为水灰 比为o 4 0 ，抗压强度为5 7 6 0 m p a 。试件制作养护8 周后再分别置于水中或空气 中6 1 0 周，然后放在空气中或水中进行疲劳试验，试验结果说明，空气中干燥 并在空气中试验的混凝土疲劳寿命，以水灰比高的或强度低的混凝土为优，但当 试件潮湿时，两种试件的疲劳寿命都明显降低。美国德克萨斯大学做了高强混凝 土在双向受压下的疲劳性能试验，认为低强度混凝土在1 0 0 0 万次重复荷载下的疲 劳强度s 。、可达到5 5 ，所以高强混凝土的疲劳极限要低于普通强度混凝土。 n e l s o n 的报告中提出，混凝土的变形模量及泊桑比很少受到疲劳影响，如果荷载 小于疲劳极限，经循环加载后的混凝土单轴强度能够提高。比利时的l a m b o t t s 对 混凝士的弯折疲劳强度有过试验研究，发现不同强度混凝士的s 一曲线并无太 大差异，当s 。、，o 7 时，高强混凝土的弯折疲劳强度稍大于强度较低的混凝土， 当s 。较小时，二者的寿命接近或反而普通混凝土稍优。在欧洲c e b f i p 规范草 案中，提出了素混凝土在固定的应力幅度下引起疲劳破坏的循环次数，适用范围 为厂到8 0 m p a ，也可以作为参考。在国内，中国铁道科学研究院进行过少量掺有 第一章引言 高效减水剂的高强混凝土抗压疲劳强度试验。试件强度分别为6 4 5 、7 9 4 和 9 1 ，1 m p a ，s 。为0 5 5 、0 6 0 和0 6 5 ，s 为0 2 ，3 种强度试件均经受2 0 0 万次 循环加载而未破坏，因而认为这类高强混凝土的抗压疲劳强度极限可取为轴压强 度的0 5 5 0 6 5 倍。清华大学对高强混凝土在等幅重复荷载下的抗拉疲劳性能进 行了试验研究，所用混凝土的抗压强度分别为6 4 8 4 m p a ，共做了7 4 个试件的 试验，得出： 抗压疲劳强度：s 。= o 9 6 5 一o 0 5 4 l o g n 轴拉疲劳强度：s 一= 0 9 7 0 一o 0 5 0 l o g n 弯折疲劳强度：s 。= 0 9 4 2 一o 0 4 5 1 0 9 n 当循环次数等于2 0 0 万次时，高强混凝土抗拉疲劳极限强度与相应的静力强度之 比分别为劈拉o 6 2 ，轴拉o ，6 5 ，弯折0 6 6 ，但这些数据都是在干燥环境下得出的， 数值偏高。在我国，一般以满足2 0 0 万次循环次数的要求来确定构件及其材料的 疲劳强度，此时的材料疲劳强度设计值与原有设计强度之比为疲劳强度修正系数 y 。设盯一及盯为最大疲劳应力及最小疲劳应力，并定义比值为盯, 9 - 。疲 劳应力比，差值( 盯。一盯m m ) 为应力变程a c t ，材料设计强度为：，则y 。= 盯。f , 可表示为p 的函数，也可表示为a c t 或o - 。正的函数。 我国现行的混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 中将y 。取为疲劳应力比的 函数，而规范的疲劳专题研究组则给出普通强度混凝土在2 0 0 万次循环荷载下的 抗压疲劳强度折减系数为： y 。= i 厂毛。工= o 6 2 + o 3 8 p 。l ) 其具体计算结构列于表1 - 1 ，同表还列入了各根据我国现行规范及国外一些规范、 文献换算得到的数值。从表可以看出，这些规范和文献中所提到的普通混凝土疲 劳折减系数相差不大。高强混凝土的疲劳强度极限与普通强度混凝土基本相同或 略低，但由于高强混凝土的强度设计值与其标准值之比定的较低，所以疲劳强度 折减系数相对于设计值而言将高于普通混凝土。 钢筋混凝土受弯构件的正截面疲劳强度的验算通常采用平截面假定并对混凝 土受压采用弹性工作假定，这更符合高强混凝土的实际状况，高强混凝土的应力 应变关系在应力达到o 8 ，= 以前的整个过程几乎呈线性，所以压区混凝土的 法向应力图本来就符合三角形分布。在确定换算截面时，高强混凝土构件中的钢 筋弹性模量与混凝士疲劳变形模量的比值”7 要小于普通强度混凝土配筋构件。目 6 一 第一章引言 前高强混凝土疲劳变形模量e ，7 的具体数值尚缺试验依据，根据混凝土结构设计规 范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 中的e j 与e ，的比值，c 2 0 c 3 0 级混凝土为o 4 3 ，c 4 0 c 5 5 级为o 4 6 ，c 6 0 级为o 4 7 ，c 7 0 级为0 4 8 ，c 8 0 级为o 5 ，趋势是随着混凝土强度 等级的提高而增长，对于c 8 0 级以上的高强混凝土尚缺乏可靠的试验依据，在欧 洲c e b f i p 规范草案f 1 9 9 0 ) 中建议可取钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比 ”= 1 0 来考虑荷载重复作用2 0 0 万次的影响。 表1 1 抗压疲劳拆减系数p m m l ) 清华大学曾经对1 l 根配有新i i i 级钢的高强混凝土梁进行了静载和等幅疲劳 试验，对梁正截面疲劳破坏全过程进行了观察分析，得出在疲劳荷载作用下的刚 度计算公式为： 口，= ( o 9 6 8 0 0 3 2 l o g n ) b 。 东南大学对静载作用下配有高强钢筋的高强混凝土梁的裂缝和刚度也进行了 研究，提出了相应的计算方法和公式。钢筋混凝土板疲劳性能专题组对不同钢种、 不同配筋率、不同荷载循环特征的钢筋混凝土板进行了疲劳试验研究，研究了钢 筋混凝土板在疲劳荷载作用下的裂缝变化规律和特点，提出疲劳荷载作用n 次后 的裂缝宽度可根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数来计算，也可采用 与循环次数有关的初始裂缝扩大系数来计算。 虽然这些试验为我们进行高强钢筋混凝土的疲劳强度设计提供了很多参考， 但相对于当今混凝土发展水平来说，这些试验是远远不够的。对于高强混凝土梁 而言，混凝土与钢筋的粘结性能提高，有利于纵筋的销栓作用，但骨料咬合作用 降低，疲劳荷载作用下的这些机制较为复杂，对于疲劳强度的确定目前仍未有明 1 第一章 | 育 确的方法和公式，这个问题尚有待进一步研究。以高强钢筋混凝土梁的疲劳试验 为基礁，探讨了麓强钢筋锟凝粱在疲劳蕊载终耀下静疲劳强凌诗算方法，据鑫 了以应力幅度为参数的疲劳强鹰公式。 对予高强瀑凝中鬻藿裹强甥菸在疲劳蘸载终焉下怒秀憝够宠分发箨嚣者懿 作用，满足结构的承载能力极限状态和芷常使用极限状怨，在高强混凝土结构 设诗与藏工据囊中餐然是令空自，掰滋薄高强镪麓潺凝粱褒疲劳蘩载捧羁下 的裂缝发展状况仍然需臻进一步研究。通过对高强钢筋混凝土粱的疲劳试验，研 究了褒强钢簸潺凝粱在疲劳蘩戴馋爱下裂缝变纯豹一般援律弱特点，提出疲势 荷载作用n 次后的裂缝宽度计算经验公式，希撩可以为此问题的解决提出有价假 熬菝擐。 在结构的使用期限内，各种荷载的作用都将产生相成的变形，如梁和板的跨 中巍凄、拄和壤瓣侧囱位移等。铟戆混凝结构豹越辩主体是混凝，稠钢结构 相比，它的强度低，故构件的截面尺寸大，使用阶段的成变小，而且构件的结点 窝提互连接戆整体性强，困恧混凝土结构豹总体嚣度大，绝对变形小，安骣工稷 中很少囡变形过大而发生问题。但是随着混凝土结构的发展，如混凝土强度等级 媳提高、高强镪麓静应用等因素郏使得结构在搜用萄载传用下褥变形增大，通过 对试验的分析，运用了肖效惯性矩法和解析刚度法两种方法对高强钢筋混凝土粱 的疲劳刚度进行了分析秘计算，得到了计算方法鞠公式，并与试骏结果符台良好。 1 3 论文主要研究内容及创新点 1 3 1 论文主要研究内容 通过对4 根普通钢筋混凝梁和9 根高强钢筋混凝土梁的静载和等幅疲劳荷 我试验，黠粱委猿嚣疲劳破蓼款全过程遴行了残察分享厅。具 本巍寒，主娶包菇以 下几部分： f 1 ) 麓强钢筋混凝鬃疲劳强发数试验霹究及分摄 根据试验结果分析了梁的疲劳睫能，最后掇出了计算高强钢筋混凝土梁疲劳 强度的诗箕方法稠公式，为进行高强钢筋混凝掏件的燕截面疲劳设计提供有盏 的借鉴。 ( 2 ) 高强钢麓混凝土凝疲劳裂缝的分撕与计努 8 箱一章引言 分析了在疲劳荷载作用下梁的裂缝发展过程和发展规律，对裂缝的计算方法 进行了分析，最后探讨了疲劳荷载作用下裂缝宽度的计算公式。 ( 3 ) 高强钢筋混凝土梁疲劳刚度的分析与计算 分析了疲劳荷载作用下梁的受力变形特点，用有效惯性矩法和解析刚度法两 种方法对其进行了分析计算，提出了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下的计算 公式。 1 3 2 主要创新点 近年来，国内外学者对普通钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能问题已有很深入 的研究，而对于高强钢筋混凝土受弯构件还缺乏系统深入的研究。因此，本论文 的创新点为： f 1 1 通过试验分析，提出了高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下梁内纵筋的疲 劳强度计算公式，确定了高强钢筋混凝土梁疲劳强度： 但) 探讨了高强钢筋混凝土梁疲劳裂缝的计算方法，建立了疲劳裂缝宽度的方 程： ( 3 ) 分析了高强钢筋混凝土梁的疲劳刚度的计算方法，同时确定了计算高强钢 筋混凝土梁疲劳刚度计算公式的影响因素。 1 3 3 今后发展方向 本论文在试验的基础上，主要研究了等幅重复应力作用下高强钢筋混凝土梁 的疲劳性能，而对于以下问题没有进行深入研究，这将是今后更需要进一步研究 的课题： ( 1 ) 变i 幅重复应力作用f 的高强钢筋混凝土梁的疲劳性能： ( 2 ) 高强钢筋混凝土受弯构件疲劳承载极限状态、使用极限状态的町靠性； ( 3 ) 高强钢筋混凝土受弯构件斜截面疲劳性能的研究； ( 4 ) 特殊荷载作用下高强钢筋混凝十梁的疲劳性能。 9 第一：章试验概况 2 1试验目的 第二章试验概况 近年来，随着建筑高度和跨度的不断增大，高强钢筋和高强混凝土已经广泛 的应用实际工程，取得了较大的经济和社会效益。目前，多在柱中采用高强混凝 土和高强钢筋，近几年来高强钢筋和高强混凝土在铁路、桥梁等工程中已经大量 推广。对于高强混凝土梁只有采用较高强的钢筋时才能充分发挥两者的作用，承 载能力可大幅度提高，或截面高度减小。这一方案在静载和疲劳荷载作用下能否 同时满足桥梁承载能力极限状态和正常使用极限状态，在高强混凝土结构设计 与施工指南中还是个空白，尤其是对疲劳荷载作用下高强钢筋混凝土梁的疲劳 性能的研究还很少，所以为了使混凝土结构的设计和真实荷载情况相适应，为高 强钢筋混凝土梁正截面抗弯疲劳设计方法提供可靠的科学依据，我们进行了此次 试验研究。 本次试验的目的是为了探求高强钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下合理的使用 性能，使其具有合理的疲劳强度，又具有良好的使用性能，节约材料用量，能够 满足梁的承载能力极限状态和正常使用极限状态，因此主要针对以下问题进行试 验观察分析： ( 1 ) 疲劳荷载作用下高强钢筋混凝土梁内钢筋和混凝土的应力和应变的变化 情况： ( 2 ) 疲劳荷载作用高强钢筋混凝土梁的破坏形态： ( 3 ) 疲劳荷载作用下高强钢筋混凝土梁裂缝的开展状况； ( 4 ) 疲劳荷载作用下高强钢筋混凝土梁挠度的发展情况。 2 2 试件设计及布置 22 1 试件设计 本次试验包括4 片混凝土强度等级为c 4 0 的普通钢筋混凝土梁，相应的材料 性质为f = 3 6 8 3 9 4 n m m 2 ，= 3 6 3 8 n m m 2 ，e ，= 3 7 0 0 0 n m m 2 ， o 第二章试验概况 r = 4 4 5 n m m 2 ，e = 1 9 9 1 k n m m 2 和9 片混凝土等级为c 7 0 的高强钢筋混凝土 梁，相应材料性质为：= 6 0 2 n m m 2 ，= 6 6 8 7 1 6 n m m 2 ，t = 4 3 0 0 0 n m m 2 ， 厂，= 6 6 0 n m m 2 ，e ，= 2 0 1 1 k n m m 2 。 试验梁分为普通钢筋混凝土和高强钢筋混凝土两组，各组情况如下： ( 1 ) 普通钢筋混凝土试件：矩形梁一组，共4 片梁，名义尺寸为18 0 2 1 0 m m ， 其主钢筋分别为2 0 0 1 2 ( 1 片) 、3 1 2 ( 2 片) 、4 0 0 1 2 ( 1 片) 的i i 级螺纹钢筋，其配筋 率分别为0 7 1 3 、1 0 2 3 、1 4 3 5 ( 2 ) 高强钢筋混凝土试件：矩形截面，按其配筋率高低分为三组，共9 片梁， 名义尺寸为1 8 0 2 1 0 m m ，主钢筋分别为2 0 ) 1 2 ( 4 片) 、3 0 0 1 2 ( 4 片) 、4 0 0 1 2 ( 1 片) 的i v 级螺纹钢筋，其配筋率分别为o 7 1 3 、1 0 2 3 、1 4 3 5 ，试件的尺寸、配 筋及试验类型见表2 1 。 表2 1试验梁的实际尺寸、应变计及配筋情况 2 22 试件布置 22 2 1 试验仪器 f 1 ) m t s 疲劳试验机1 台； ( 2 ) 应变片：每片梁的梁顶6 片，梁低1 4 片( 标距1 0 0 m m ) ，梁侧7 片( 标距 3 0 r a m ) ，每根钢筋6 片，对应加荷点和跨中梁底各2 片； 第二章试验概况 ( 3 ) 百分表：每片梁测试支座、加荷点和跨中处共5 个断面，则试验中所需百 分表共计1 0 个。 2 2 2 1 试验仪器布置 在梁底面的两支座、梁底对应荷载作用位置处及跨中各布置一个百分表，用 来量测静载及疲劳荷载作用一定次数后的挠度。梁的顶面、底面各按1 0 0 m m 标距 贴电阻应变片，侧面沿f 截面高度按4 5 5 0 m m 标距贴电阻应变片，用来量测混凝 土的应变。在跨中及荷载作用点处，每根钢筋上均贴有2 片标距为1 0 1 5 m m 的 电阻应变片来量测钢筋应变，试验梁布景如图2 1 所示。 pp 1 0 0 0 1 0 0 01 0 0 0 图2 1 试件构造及加载图( 单位：m ) 2 3 试验方法及测试内容 23 1 试验梁加载及规划表 b 断面 试件的支点、加荷位置如图2 1 所示，试验采用三分点加载，在跨中形成纯 弯段，试验规划如表2 2 所示，试验均在m t s 疲劳试验机上完成。 2 32 试验内容 在加i 载以前，记录应变计的读数，根据混凝土试件的实测值，分出加载等级， 一般分五级加载，在估计丌裂和破坏前适当对加载等级进行加密。在普通钢筋混 凝土试件中取出一片配有3 中1 2 主筋( c b l ) 的试件进行静载试验，确定其 极限承载力m p 一1 2 第二章试验摄躐 表2 - 2 试验规划表 桀号冀配脾乓州删p 7 。帆。 备注 c b l1 10 , 7 1 31 2 52 8 o 4 m ：0 4试验类型l c b 2 t 0 2 31 3 24 - 0 7 m 。 l 为静载破甥 c b 3i i1 ，0 2 3 1 3 24 0 7 o 4 m ：0 4试验。 c b 4 il ，4 3 51 3 ，85 2 。5 0 4 m ：0 4 试验类型l l h b l lio 7 1 3 1 3 54 8 m 。 1 为静载加载 h b l 21 l0 , 7 1 31 3 54 8 o 3 m ：0 3 囊健臻黎载， t t b l 3i to 7 1 31 3 5 4 8 o 3 m ：0 4 然后做疲努 h b l 4 1 10 7 1 3t 3 54 8 0 3 m ： o 5试验。 h b 2 1l1 , 0 2 31 5 , 67 2 m 。 l m ：表示配筋 h b 2 2i ij + 0 2 31 s 67 20 , 4 m 10 , 3率为1 0 2 3 h b 2 3 1 1 1 ，0 2 3 1 5 67 2 o 4 m ：0 4 的同类型截 h b 2 4i i1 0 2 3 5 67 2o ，4 m 10 , 5 蕊的破坏弯 h b 31 1 1 4 3 51 8 5 9 5 o 4 村：0 4 矩 在高强钢筋混凝土试验粱中，从低、中配筋的两维中各取出一片( h b l ，h b 2 ) 做静 载破坏试验，确定其极限承载力。其余的试 牛进季亍高周熏复萄载试验。试传和钢 筋的疲劳试验均采用等幅正弦波加载，待荷载稳定后，间隔一定的循环次数分别 在静动态观测裂缝宽度，再卸载至零测锝残余变形和裂缝宽度，测定不嗣锤环特 征下的疲劳特性曲线。所施加的重复荷载最大使为0 6 m ，( 盯。为试件的破坏弯 矩) ，循环特征7 = m 。m 分别为o 3 、0 4 、0 5 三种。高配筋率( 1 4 3 5 ) 的一片粱，傲重笈试验，最大值为0 6 肼。( 掰。为配筋率为l ，2 8 3 的高强钢筋混凝 试件的破坏弯矩) ，循环特征p7 = m 。m 。为0 4 。对承受疲劳荷载的粱， 在拥载之前，共分6 级i 右加载至疲劳葡载上限0 6 m 。然后卸载，再施加静载 至疲劳荷泼上限，每一级均量测混凝土应变、钢筋应变、梁的挠艘和裂缝宽度。 霪复掘酃载2 次届，以5 h z 的灏率进章亍羹复筒载试验，当荷载重复次数分弱达到 l 万、5 力、1 0 万、6 0 力- 、8 0 万、1 0 0 万时，停止煎复荷载，卸载鼙零，量 灞褐传煞残余交影、混凝应变以及裂缝宽度等。 1 3 第一二章试验概况 2 4 试验结果处理 24 1 试验处理内容 本文对梁f 截面疲劳破坏过程进行了研究，主要对以下内容进行处理。 ( 1 ) 在静载作用下，各分级荷载作用下的裂缝宽度、钢筋和混凝土应变和挠度 值。 ( 2 ) 在静载作用下，高强钢筋混凝土梁的丌裂荷载和极限荷载。 ( 3 ) 在疲劳荷载作用下，循环次数与受压区混凝土应变的关系。 ( 4 ) 在疲劳荷载作用下，研究循环次数与钢筋应力的关系。 ( 5 ) 在疲劳荷载作用下，循环次数与裂缝宽度及受压区混凝土应变关系。 ( 6 ) 在疲劳荷载作用下，研究循环次数与挠度的关系。 以上限荷载对应的压区混凝土边缘压应变和纵向受拉钢筋的应力为疲劳强度 标准，分析研究了受弯构件j 下截面在疲劳荷载作用下的疲劳性能，根据压区混凝 土边缘应变、钢筋应变及跨中挠度的变化规律，给出了压区混凝土上应力、纵向 受拉钢筋应力及梁的刚度的计算方法，并以梁中首先疲劳断裂钢筋的应力状态和 相应的疲劳破坏次数为依据，给出了控制梁的疲劳承载力极限状态的s n 曲线、 疲劳荷载作用下的疲劳设计强度和残余应变的经验公式，并最终提出高强钢筋混 凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下f 截面的疲劳设计方法。同时研究疲劳荷载 作用下高强钢筋混凝土梁的裂缝开展情况和发展规律，探讨了高强钢筋混凝土梁 在疲劳荷载作用下的裂缝宽度计算方法和公式，并探讨了粱的变形性能和刚度的 计算方法。 2 42 试验数据整理 本文对试验数据进行了整理，主要采用以下计算假定： ( 1 ) 截面应变符合平截面假定； ( 2 ) 压区混凝土的法向应力图形取为三角形： ( 3 ) 不考虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉应力全部由钢筋承受； ( 4 ) f - 算中采用换算截面，其换算系数取钢筋弹性模量与混凝土疲劳变形模量 的比值。 1 4 第一章试验概况 表2 - 3 高强混凝土梁疲劳试验基本数据表( 2 西1 2 ) 5 第一：章试验概况 表2 - 4 高强混凝土梁疲劳试验基本数据表( 3 矿1 2 、4 庐1 2 ) 一1 6 笫二章试验概况 7 一 第三章高强钢筋混凝十梁疲- 强度的试验研究与分析 第三章高强钢筋混凝土梁疲劳强度的试验研究与分析 随着建筑高度和跨度的不断增加，高强钢筋和高强混凝土已广泛的应用到实 际工程中，钢筋和混