钢筋混凝土吊车梁疲劳试验论文

内蒙古科技大学硕士学位论文摘要随着大规模工业建设的发展，工业厂房不断老化，在役混凝土吊车梁的疲劳累积损伤研究已显得越来越重要，对此问题的研究将为工业厂房的维修决策和耐久性设计打下基础。钢筋混凝土的疲劳是一个复杂的过程，涉及的因素很多，目前所取得的研究成果仅仅揭示了疲劳现象的部分规律，还不足以全面反映工程中的混凝土疲劳行为，使得疲劳设计与评估缺乏更有效的依据，因此对在役钢筋混凝土吊车梁疲劳性能进行全面、系统的研究是有意义的，具体研究内容如下：本文主要研究在役破损钢筋混凝土吊车梁正截面疲劳问题。通过对DL-1、DL-2两根吊车梁的静力试验和DL-3的高周等幅疲劳试验以及动态测试，研究了在役破损非预应力钢筋混凝土吊车梁的疲劳性能；分析了受压区混凝土的应变随加载次数变化情况，回归出压区混凝土应变随加载次数变化公式；对钢筋应力及疲劳加载次数进行了线性回归统计，提出承受疲劳荷载的在役钢筋混凝土吊车梁的疲劳寿命公式和Good-Man关系方程；回归出疲劳变形模量随疲劳加载次数变化的公式；推导出考虑钢筋和混凝土应力随加载次数变化的刚度计算公式；分析了吊车梁在疲劳荷载作用下变形的一般规律；研究了疲劳荷载对钢筋混凝土吊车梁强度的影响；提出了应用剩余刚度模型来预测剩余寿命的方法，为在役混凝土吊车梁的疲劳性能的深入研究及疲劳寿命的预测提供了一些参考依据；最后，对混凝土和钢筋分别采用疲劳弯曲受压变形模量和钢筋面积这两种宏观物理量作为损伤量度，在正截面应力分析的基础上, 提出了一种非线性疲劳损伤全过程分析方法。关键词：钢筋混凝土；吊车梁；疲劳性能；疲劳寿命Experimental Research on Fatigue Behavior of Existing Reinforced Concrete Crane-Beams and Fatigue Life PredictionAbstractWith the development of industry and the aging of industrial workshop,it becomes the more important that the study of fatigue cumulative damage of existing reinforced concrete crane-beams,which is the base of repair and durability design. The fatigue of reinforced concrete structure is a complex process,the former conclusions are only a part of rules,the figure principle cant be explained generally,so it is significative that the general and systemic study of existing reinforced concrete crane-beams. The major works of this paper are as follows:According to static tests to two damaged reinforced concrete crane-beams and high-circle constant-amplitude fatigue test and dynamic test to a reinforced concrete crane-beam whose sectional size and reinforcement samed to static tests,the figure performance of existing damaged reinforced concrete crane-beams is studied; changing laws of strain of pressed region concrete with fatigue circles is analysed, strain changing with circles formula of pressed region concrete is get;after linear regression to steel stress and fatigue circles, fatigue life formula and Good-Man equation of existing reinforced concrete crane-beam under fatigue loads is set forth;formula of fatigue modulus of deformation and stiffness changing with circles can be reckoned;the general rules to deformation of reinforced concrete crane-beam under figure circles are analysed;figure loadsinfluence to intensity of reinforced concrete crane-beam is researched; the method of predicting to fatigue life by residual stiffness model is put forward,all of them provide a few of foundations on more research of figure performance and the prediction to fatigue life of existing reinforced concrete crane-beams. Lastly fatigue flexural compressive deformation modulus of concrete and area of reinforcement are considered as the damage parameters for concrete and reinforcement respectively. Based on the stress analysis of cross-section, a method for fatigue damage full-range nonlinear analysis is proposed.Key Words：reinforced concrete; crane-beams; fatigue behavior；fatigue life- 66 -目录摘要1Abstract21 绪论41.1 疲劳研究的历史41.2 国内外钢筋混凝土梁正截面疲劳性能的研究现状51.3 本文研究的意义和课题的提出91.4 本文研究的主要内容112 在役钢筋混凝土吊车梁疲劳性能的试验研究132.1 试验目的132.2 钢筋混凝土吊车梁的概况132.2.1 试件尺寸132.2.2 材质检验结果142.3 对比静力试验结果分析152.4 疲劳试验加载方案和程序162.4.1 加载方案162.4.2 加载制度172.4.3 荷载水平182.4.4 应力比R=192.4.5 量测内容及数据采集192.5 疲劳试验结果分析202.5.1 试验现象描述202.5.2 疲劳荷载作用下梁受压区混凝土应力计算222.5.3 梁内受拉钢筋的疲劳强度分析242.5.4 疲劳荷载对吊车梁强度的影响282.5.5 疲劳变形分析292.6 本章小结323 基于累积损伤理论的在役混凝土构件疲劳寿命预测343.1 混凝土结构疲劳的累积损伤理论343.1.1 Palmgren-Miner线性累积损伤准则343.1.2 勒梅特(Lemaitre)经典损伤公式353.1.3 Manson非线性累积损伤理论353.1.4 Aas-Jakobsen公式及其改进公式363.1.5 Corten-Dolan非线性疲劳累积损伤理论363.1.6 Oh非线性疲劳累积损伤公式373.2 基于损伤识别试验的疲劳寿命预测403.2.1 S-N曲线法403.2.2 结构损伤识别的基本原理413.2.3 试验过程和试验结果423.2.4 剩余刚度模型453.2.5 疲劳寿命的预测483.3 本章小结494 混凝土受弯构件疲劳损伤及疲劳寿命非线性分析504.1 材料的疲劳损伤参量及损伤演化模型504.1.1 重复应力下混凝土疲劳损伤参量及损伤演化模型504.1.2 钢筋的疲劳损伤参量及损伤演化模型514.2 材料的疲劳破坏准则524.2.1 混凝土的疲劳破坏准则524.2.2 钢筋的疲劳破坏准则524.3 混凝土构件疲劳非线性分析方法研究524.3.1 正截面疲劳非线性分析的基本假定534.3.2 正截面应力分析534.4 正截面疲劳非线性分析流程图534.5 结果分析544.6 本章小结565 结论与展望575.1 结论575.2 展望58参 考 文 献59在学研究成果62致谢631 绪论1.1 疲劳研究的历史工程技术人员对疲劳问题的研究和试验历史可追溯到19世纪。在欧洲，随着铁路的兴起，车轮轮轴以及桥梁的疲劳问题引起人们的重视徐灏.疲劳强度M.北京:高等教育出版社,1988.。1829年，德国采矿工程师Albert做了铁锤的重复荷载试验，提出了第一个疲劳研究报告；1854年由Braithwaite在伦敦土木工程师学会上发表的论文中第一次用到“疲劳(Fatigue)”一词。德国工程师Wohler根据他在1852年至1870年间的长期试验研究，以铁路车轴为例，说明了钢铁材料在重复荷载作用下的强度要远低于静载强度，疲劳寿命随着应力幅的增加而减少，当应力幅低于某一数值时，即使循环次数再多，试件也不会断裂，并且指出应力的幅值远比应力的最大值来得重要陈传尧.疲劳与断裂M.武汉:华中科技大学出版社,2002:1721.。他还首次提出了S-N图和疲劳极限的概念，把工作应力和疲劳极限联系起来，为疲劳研究奠定了基础。1880年CBach在总结了Wohler研究工作的基础上发表了重要著作“工程部件的设计和制造”，首次提出了工程部件的疲劳设计问题；1889年，法国工程人员编写了一本关于钢筋混凝土在重复荷载作用下承载特性的书；Goodman提出了关于平均应力的简化理论；1920年，A.AGriffith发现玻璃脆性断裂时的名义应力s和裂纹尺寸a的关系是常数；1945年M.A.Miner在瑞典工程师A.Palmgren于1924年提出的球轴承疲劳准则的基础上发表了线性累积损伤准则，这个准则通常被称为Palmgren-Miner准则。这个准则现在仍被广泛应用，虽然存在一些缺陷，但试验结果和理论研究证明，在许多情况下，它不失为一个合理而简便的方法吴富民.结构疲劳强度M.西安:西北工业大学出版社,1985:1618.。同时在疲劳裂纹的扩展研究方面，也取得了进展，1957年美国人Paris.P.C提出在循环荷载作用下，裂纹尖端的应力强度因子范围是控制构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，并于1963年提出了著名的指数幂定律Paris公式裂纹扩展速率公式。给疲劳研究提供了一个估算疲劳裂纹扩展寿命的新方法，后来在此基础上发展了损伤容限设计，从而使断裂力学与疲劳这两门学科逐渐结合起来程育仁,缪龙秀,候炳麟.疲劳强度M.北京:中国铁道出版社,1990:146.姚卫星.结构疲劳寿命分析M.北京:国防工业出版社,2003:56.。人们对混凝土等非金属材料的研究是从 20 世纪初才开始的。上世纪50年代以后美国混凝土协会专门成立了疲劳专题委员会，前苏联也在这方面做了大量的试验研究和理论分析工作，使得对钢筋混凝土构件在疲劳荷载作用下的研究进入了一个新阶段，即从定性到定量，从普通钢筋混凝土到预应力钢筋混凝土，以及从强度理论的研究发展到对疲劳使用阶段裂缝和变形的研究，并将所获成果应用于各国设计规范。我国在上世纪60 年代前后也开始进行了钢筋混凝土梁的疲劳试验研究，并于 70 年代成立了疲劳专题研究组。1.2 国内外钢筋混凝土梁正截面疲劳性能的研究现状钢筋混凝土结构通常主要承受静载作用，但在实际工程中还有许多结构，如桥梁、吊车梁及海洋平台等结构，除了承受静载作用外，还要经常承受重复循环荷载作用。随着这些经常承受重复荷载作用结构应用的日益广泛，使得混凝土结构的疲劳成为不可忽视的问题。梁作为混凝土结构中最基本的构件，许多学者对其疲劳性能已做了大量的研究。类似于钢筋混凝土梁普通静载试验，钢筋混凝土梁的疲劳试验同样包括正截面受弯试验和斜截面抗剪试验。由于疲劳试验的特点，根据循环次数的多少可分为低周疲劳试验和高周疲劳试验；根据重复荷载的特征可分为等幅疲劳试验和变幅疲劳试验。表1.1列出了国内外一些学者做的疲劳试验，从中可以看出，在钢筋混凝土梁疲劳性能研究方面，混凝土的强度等级已从C15到C70；既有一般混凝土，也有纤维混凝土和预应力混凝土；梁的截面形式有普通的矩形梁，也有T形薄腹梁。混凝土弯曲疲劳破坏是指混凝土梁、板构件在小于其抗折强度的重复弯曲荷载作用下发生的破坏。从文献中可以查到的最早进行关于混凝土弯曲疲劳性能研究的是1906年Fret首先进行的混凝土弯曲疲劳试验Nordby G M. Fatigue of Concrete-A Review of Research J.ACI Journal ,Proceedings Vol. 55, No.2, Aug.1958.。随后，Kesler、McCALL、Ballinger、Galloway、Hsu、Wirsching、永松静也等人，都对混凝土材料的弯曲疲劳特性进行了分析研究McCALL J T.Probability of Fatigue Failure of Plain Con-crete J. ACI Journal, Proceedings, Vol.55, No.2,Aug.1958.。清华大学的李秀芬等李秀芬,吴佩刚,赵光仪.高强混凝土梁抗弯疲劳性能的试验研究J.土木工程学报, 1997 ,10,30(5):3742.通过对11片混凝土简支梁的静载和等幅疲劳荷载试验，分析研究了受弯构件的疲劳特性，给出了受压区混凝土应力、纵向受拉钢筋应力的计算方法以及钢筋的疲劳强度设计取值，得到了作为控制梁的疲劳承载能力极限状态的S-N曲线，并提出高强混凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下正截面疲劳设计方法。根据试验结果得出的主要结论有：按静载设计的适筋梁，正截面抗弯疲劳破坏均为纵向受拉钢筋的疲劳断裂。钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下，正截面平均应变仍然符合平截面假定，受压区混凝土的应力分布可采用三角形应力分布；需要对受压区混凝土的弯曲弹性模量进行折减。通过对11片梁中首先疲劳断裂的钢筋应力及对应的疲劳次数取对数进行线性回归统计，得出梁内受拉钢筋的S-N关系方程为： (1.1)式中：N疲劳循环次数；钢筋的最大应力值；应力比,。通过试验结果可知，随疲劳荷载作用次数的增加，梁的挠度和混凝土应变增大，疲劳变形模量降低。由统计计算可得，高强混凝土的弯曲弹性模量Eb为受压弹性模量Ec的0.875倍，即=0.875 (1.2)疲劳变形模量降低系数的回归方程为：f=0.9820.027logN (1.3)根据以上两式可得疲劳变形模量为： (0.860.0241logN) (1.4)式中：Eb弯曲弹性模量； Ec受压弹性模量；疲劳变形模量；f疲劳变形模量降低系数。陈浩军等陈浩军,彭艺斌,张起森.冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件疲劳性能的试验研究J.东南大学学报,2002,32 (5) :737740.在钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态方面也进行了研究。对不同配筋率的钢筋混凝土简支梁(550mm150mm150mm)进行了等幅疲劳荷载试验研究，试验试件共60片梁，试件配筋率分别为0.29%,0.487%,0.934%和1.946%。试验结果表明：影响疲劳破坏形式的因素包括：配筋率、剪跨比、试件截面特性和材料特性等。对于不同配筋率的情况，定义了一个界限配筋率c：当配筋率小于界限配筋率c时，试件呈弯拉破坏；当配筋率大于界限配筋率c时，试件呈剪压破坏。同时根据不同的配筋情况也给出了相应的疲劳方程：当时S=0.9490+0.1586(0.11310.0190logN) (1.5)当时S=0.96710.0935logN (1.6)式中：S应力水平；N疲劳循环次数；配筋率。 文献 Tien S Chang ,Clyde E Kesler. Fatigue behavior of reinforced concrete beamsJ.ACI Journal Proceedings ,1958 , 55(8) :245 - 254.进行了部分钢筋混凝土梁的疲劳试验，主要结论为：重复荷载的应力水平将决定疲劳破坏的形态，低应力水平的重复荷载将导致弯曲疲劳破坏，以钢筋的疲劳断裂为标志；高应力水平的重复荷载将导致剪切疲劳破坏。文献CEB Bulletin D Information No.188,Fatigue of Concrete Structures State-of-the-art report, Sept. 1988表明：受弯构件正截面的破坏形态大部分是受拉钢筋的疲劳断裂，只有当正截面抗弯钢筋较多时，才可能发生混凝土疲劳压碎。1978年中国建筑科学院建筑结构研究所对16根非预应力和部分预应力梁进行了正截面抗弯疲劳试验，根据试验结果提出了有关混凝土和钢筋应力的计算方法，给出正截面疲劳强度折减系数与疲劳寿命的计算公式太原工学院土木系.钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳验算方法的试验研究.钢筋混凝土结构研究报告选集(2),1981.3.： (1.7)式中：N疲劳循环次数；疲劳上限荷载；Mu静力荷载下的极限承载能力。对预应力梁正截面的研究表明：宜采用钢筋的疲劳模式来估算混凝土结构的疲劳寿命。但要根据其组成材料的疲劳性能来估算构件的疲劳寿命，就必须有合理的分析方法将荷载作用转化为内力效应，其中有影响分析的非弹性因素：长期荷载作用下的静力徐变、循环荷载作用下的疲劳徐变、残余变形、裂缝的开展和粘结的损伤等。另外，预应力钢筋的应力损失对其应力变化范围影响较大，合理布置非预应力钢筋可以改善裂缝的分布和粘结性能，降低预应力的损失，减小应力变化范围，提高疲劳寿命。从国内外对钢筋混凝土梁疲劳破坏形态研究的情况可以看到，钢筋混凝土梁的配筋率是影响破坏形态的关键因素，对于在实际工程中使用的适筋梁，是由钢筋的疲劳断裂起控制作用，破坏形态是正截面抗弯疲劳破坏。当梁的配筋率增大时，梁的疲劳破坏形态将转变为斜截面混凝土疲劳破坏或受压区混凝土压碎疲劳破坏。国外的部分学者认为疲劳荷载的应力水平对钢筋混凝土梁疲劳破坏的形态有一定的影响，这方面有待进一步研究。表1.1 国内外钢筋混凝土梁疲劳试验研究者混凝土强度(MPa)试件尺寸(mm3)加载参数李秀芬等66771202002000=0.3,0.4,0.5,0.6; =0.1陈浩军等35. 43150 150 550=0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9;= 0. 1李惠民1525T形薄腹梁= 0. 1易成等81.62(局部高密度钢纤维混凝土)100 100 400=0.9,0.85,0.8,0.75;=0.058,0.065,0.1,0.16,0.236华渊等30(混杂纤维增强混凝土)100 100 300=0.5,0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8;= 1/ 6吕海燕等5060(预应力混凝土)L = 4000mmh/L=1/121/ 17f = 3Hz翟爱良等2030751501100=0.45,0.5,0.6; =0.1Susanto Teng401758003800= 0.8; = 0.375Byung Hwan Oh 等301502502400=0.6,0.7,0.8;=0.1250.17;f =3Hz1.3 本文研究的意义和课题的提出(1) 由于生产任务日益繁重以及新的设计方法的采用等原因，使原有工业老厂房正在服役的混凝土吊车梁的疲劳问题更加突出。在 20 世纪 70 年代以前，由于很多承受重复荷载作用的钢筋混凝土结构都是按容许应力法设计，结构的容许应力较低，很少发现钢筋混凝土结构因疲劳而破坏的工程实例，因此对混凝土结构的疲劳问题从未像钢结构那样受到重视。但是随着钢筋混凝土结构向高强、轻质方向的发展，采用充分利用材料强度的设计方法，如极限状态设计理论、混凝土多轴强度理论等，导致结构中的许多构件在高应力状态下工作，并使工作应力幅越来越接近于疲劳应力。另外，由于混凝土结构逐渐扩大应用到许多循环次数较多、重复荷载较大的结构，如铁路轨枕、海洋平台、压力容器及核反应堆安全壳等，因此混凝土结构的疲劳已成为工程设计中不可忽视的问题。据国家有关部门统计，我国工业建筑面积约20亿m2，使用期超过30年以上的约为7.1亿m2占35.5%，大部分工业建筑己超过或接近设计使用年限，为保证目前和未来的安全生产，急需对这些工业厂房进行鉴定、加固和改造。同时为适应生产科技进步与国民经济发展需要，在厂房中增加设备和生产密度，势必增加了厂房的荷载，特别是对吊车梁系统的破坏尤其严重。而吊车梁是工业厂房的重要组成部分，它直接承受吊车起重、运行时产生的各种移动荷载；同时它对传递山墙承受的风力、加强厂房纵向刚度、连接平面排架、保证厂房结构的空间工作起着重要的作用，吊车梁结构状况良好与否，直接关系到厂房的安全生产。而对在役吊车梁进行加固与改造又需要更高的费用，所以对在役吊车梁进行监测与维护和在保证安全的情况下尽可能的延长使用期，对工程技术人员来说变得极为紧迫。(2) 以往研究大多集中在高应力水平的疲劳问题上，随着构件在实际工程中重复荷载次数的增加，低应力水平的疲劳研究应该受到更多的关注。混凝土材料的疲劳寿命与加载水平之间，通常服从单对数方程S=A-BlgN，或双对数方程lgS=lga-blgN。对于加载水平S(加载水平以S=表示)，加载水平越高，材料的疲劳寿命越短，达到破坏的加载次数越少；加载水平S越低，材料的疲劳寿命越长。混凝土疲劳试验中，加载水平S=0.5时，通常疲劳加载次数将接近或超过107、甚至达到108次。大连理工大学的试验中，S0.5时加载次数超过200万次构件仍未破坏；同济大学所做的混凝土梁弯曲疲劳试验中， S=0.5时()，加载次数超过了107时仍没有发生疲劳破坏。而且，通常认为混凝土存在疲劳耐久限SL，当加载水平低于混凝土的耐久限SL时，混凝土将不会发生疲劳破坏。由于受财力、人力和技术的制约，试验加载次数一般不能达到108次，而以往研究大多集中在高应力水平的疲劳问题上，因此随着构件在实际工程中重复荷载次数的增加有必要对低应力水平进行研究及疲劳寿命进行预测。 (3) 现行规范中关于疲劳问题没有涉及以及没有明确规定的方面值得进一步研究。随着对混凝土结构疲劳性能研究的深入，各国在制定适合自己国情设计规范的同时，引入了承受动力荷载的混凝土结构疲劳设计的相应条款。中国从20世纪60年代以来，在混凝土结构的疲劳性能领域开展了大量研究工作。在这些研究工作的基础上，中国结构设计规范相继提出了结构疲劳设计条款。混凝土结构设计规范(GB50010-2002)明确规定了承受动力荷载作用的结构疲劳寿命限制条款。该规范指出：直接承受吊车的构件应进行疲劳验算，但直接承受安装或检修用吊车的构件，根据使用情况和设计经验可不作疲劳验算。对直接承受吊车荷载的构件的疲劳验算，规范规定了以下几个方面：疲劳应力的计算假定；疲劳验算的荷载取值；疲劳应力的计算部位；钢筋混凝土受弯构件正截面的疲劳应力满足的条件；钢筋混凝土受弯构件正截面的混凝土压应力和钢筋的应力幅计算公式；以及换算截面的受压区高度、和惯性矩、的计算公式；钢筋混凝土受弯构件斜截面的疲劳验算及剪力的分配规定；钢筋混凝土受弯构件中和轴处的剪应力计算公式及斜截面上箍筋应力幅计算公式；预应力混凝土受弯构件疲劳应力的计算部位；预应力混凝土受弯构件正截面的疲劳应力需满足的条件；对要求不出现裂缝的预应力混凝土受弯构件，其正截面的混凝土、纵向预应力钢筋和非预应力钢筋的最小、最大应力和应力幅计算公式；预应力混凝土受弯构件斜截面混凝土主拉应力满足的条件。同时，本规范还规定了混凝土轴心抗压、轴心抗拉疲劳强度设计值和疲劳变形模量；普通钢筋疲劳应力幅限值；预应力钢筋疲劳应力幅限值。具体详见规范GB50010-2002相应条款。上述混凝土结构设计规范内容都是针对构件设计而制定的相应条款，对于在役钢筋混凝土构件疲劳性能、疲劳寿命并没有涉及；我国混凝土结构设计规范还没有明确给出疲劳荷载作用下的刚度计算公式，在设计时会导致疲劳荷载作用下的结构变形控制没有安全保证；设计规范中所给的疲劳变形模量取为不变的数值，这和混凝土的应变随荷载重复次数N的增加而变大，疲劳变形模量随荷载重复次数N的增加而减小的实际规律是不相符的。(4) 在役混凝土吊车梁的疲劳累积损伤及剩余寿命的研究有待进一步深入。随着大规模工业建设的发展，工业厂房的不断老化，在役吊车梁的疲劳累积损伤研究已显得越来越重要，对此问题的研究将为工业厂房的维修工程决策和耐久性设计打下基础。吊车荷载是在工业厂房使用期间长期、间断性地作用在结构上的重要荷载，吊车梁在它的作用下会发生疲劳破坏，疲劳破坏的主要特征是破坏应力低于静态应力强度而发生的一种破坏，是一个缓慢的过程，疲劳破坏的实质是一个累积损伤的过程。关于结构的疲劳破坏机理，工程界进行了比较深入系统的研究。这些研究大都针对航空业和机械业，在土木学科仅着力于铁路桥梁，对于钢筋混凝土吊车梁的疲劳失效缺乏研究中国土木工程学会桥梁及结构工程学会结构可靠度委员会.结构可靠性研究的十年.南京:工程结构可靠性全国第三届学术交流会议论文集,1992:120.。综上所述，钢筋混凝土的疲劳是一个复杂的过程，涉及的因素很多。目前所取得的研究成果仅仅揭示了疲劳现象的部分规律，还不足以全面反映工程中的混凝土疲劳行为，使得疲劳设计与评估缺乏更有效的依据，因此对在役钢筋混凝土吊车梁疲劳性能进行全面、系统的研究是有意义的。1.4 本文研究的主要内容本文围绕在役破损钢筋混凝土吊车梁正截面疲劳问题展开。通过对DL-1、DL-2两根吊车梁的静力试验和DL-3的高周等幅疲劳试验以及动态测试，研究了在役破损非预应力钢筋混凝土吊车梁的疲劳性能；分析了受压区混凝土的应变随加载次数变化情况，回归出压区混凝土应变随加载次数变化公式；对钢筋应力及疲劳加载次数进行了线性回归统计，提出承受疲劳荷载的在役钢筋混凝土吊车梁的疲劳寿命公式和Good-Man关系方程；回归出疲劳变形模量随疲劳加载次数变化的公式；推导出考虑钢筋和混凝土应力随加载次数变化的刚度计算公式；分析了吊车梁在疲劳荷载作用下变形的一般规律；研究了疲劳荷载对钢筋混凝土吊车梁强度的影响；提出了应用剩余刚度模型来预测剩余寿命的方法，为在役混凝土吊车梁的疲劳性能的深入研究及疲劳寿命的预测提供了一些参考依据；最后，对混凝土和钢筋分别采用疲劳弯曲受压变形模量和钢筋面积这两种宏观物理量作为损伤量度，在正截面应力分析的基础上, 提出了一种非线性疲劳损伤全过程分析方法。2 在役钢筋混凝土吊车梁疲劳性能的试验研究2.1 试验目的对2根已出现破损特征的非预应力钢筋混凝土吊车梁进行了静力加载试验，对1根与静力试验截面尺寸、配筋均相同的钢筋混凝土吊车梁进行了疲劳试验，主要针对以下问题进行了研究：(1) 通过静力加载试验为疲劳试验提供了力学参数，得出疲劳试验所需的一些加载控制因素；(2) 研究疲劳荷载作用下在役破损钢筋混凝土吊车梁压区混凝土的应变随加载次数变化规律，得出压区混凝土应力随加载次数变化方程；(3) 研究疲劳荷载作用下在役破损钢筋混凝土吊车梁受拉钢筋的应力随加载次数变化规律；得出在役钢筋混凝土吊车梁的疲劳寿命公式和Good-Man关系方程。 2.2 钢筋混凝土吊车梁的概况本次试验所用的三根非预应力钢筋混凝土吊车梁均来自某大型冶金企业。吊车梁在该厂房内服役5年，均已出现不同程度的破损，破损特征主要为腹板的跨中1/3范围内分布均匀的竖向裂缝，宽度在0.1mm左右，此外生产过程中碰撞导致的轨道连接螺栓孔处的翼缘严重破坏，已不能确保轨道的可靠连接，无法继续服役。为此厂方决定更换破损明显的吊车梁，我们从中随机抽取三根翼缘破损严重的吊车梁，两根进行静力试验、一根进行疲劳试验，其中DL-1 破损比DL-2和DL-3更严重。2.2.1 试件尺寸试件梁均为T型截面简支梁，三根吊车梁分别命名为DL-1、DL-2和DL-3。试验分为两部分，其中DL-1和DL-2做静载试验，DL-3做疲劳试验。各梁尺寸相同，梁长6m，梁高900mm，翼缘宽500mm，翼缘高100mm，腹板宽160mm，截面尺寸见表2.1。三个试件的配筋相同，主筋为7根20的钢筋，箍筋均相同，见图2.1。图2.1 吊车梁平面及配筋图表2.1 钢筋混凝土吊车梁的概况试件编号截面尺寸(mm)主筋d(mm)配筋率 (%)试验类型DL-15001001609007201.53静载试验DL-25001001609007201.53静载试验DL-35001001609007201.53疲劳试验2.2.2 材质检验结果试件材质检验在内蒙古科技大学建筑科学研究所结构试验室进行。钢筋主要检验受力主筋的力学性能，检验项目包括屈服强度、极限强度、伸长率及冷弯等。静力试验完成后，分别从DL-1 和DL-2的端部截取400mm和200mm钢筋试样各一根，进行上述相应的试验，结果见表2.2。混凝土强度的测定采用“回弹法”JGJ/T 23-2001.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程S.北京:中国建筑工业出版社,2001.，测区选在梁腹板位置，在DL-1 和DL-2腹板两个侧面分别选择10个测区，测区部位混凝土无明显老化、腐蚀现象。按照数理统计公式满足95%保证率的方法，计算出DL-1和DL-2的混凝土强度平均值分别为：37.2MPa、41.6MPa。表2.2 钢筋力学性能检验结果钢筋编号试样长度(mm)钢筋直径(mm)屈服荷载(kN)极限荷载(kN)屈服强度(MPa)极限强度(MPa)伸长率(%)冷弯(180)14002013019241461125合格24002014420345864629合格32002013120541765219合格42002013519842463822合格2.3 对比静力试验结果分析DL-1和DL-2静力试验主要用来确定极限弯矩，两端简支的钢筋混凝土吊车梁静力破坏均为受拉钢筋屈服后混凝土压碎，试验过程本文不再详述。试件达到破坏荷载的标志有6种18，本试验取首先达到的其中一种标志(裂缝宽度达到1.5mm)时的荷载值作为试件极限承载力实测值，DL-1和DL-2的极限承载力实测值分别为848 KNm和947KNm，静载试验结果见表2.3。表2.3 静载试验结果试件编号极限弯矩计算值(KNm)极限弯矩试验值(KNm)计算值/试验值DL-17408481.15DL-27439741.31根据混凝土结构工程施工质量验收规范(GB 50204-2002) GB 50204-2002.混凝土结构工程施工质量验收规范S.北京:中国建筑工业出版社,2002.当按照现行国家标准混凝土结构设计规范(GB 50010-2002) 20的规定对构件承载力进行检验时，应符合下式的要求：式中：构件的承载力检验系数实测值，即试件的荷载实测值与荷载设计值的比值；结构构件的重要性系数，按设计要求确定，当无专门要求时取1.0；构件的承载力检验系数允许值。受弯构件的承载力检验系数允许值取1.2，由表2.3可知：DL-1 和DL-2的承载力检验系数实测值分别为1.15和1.31，分别小于和大于承载力检验系数允许值1.2。说明在役吊车梁经过一段时间的使用后产生的损伤对钢筋与混凝土协同工作有影响，损伤严重的梁检验系数实测值偏低，DL-1的承载能力不满足现行标准要求，DL-2的承载能力满足现行标准要求。2.4 疲劳试验加载方案和程序2.4.1 加载方案本试验所用试件是从工作现场拆卸下来的，表面不免有缺角和不平整，在试验之前，用水泥砂浆将试件的缺陷修补好，将试件表面刷白，并分格画线，以便于观察裂缝的出现和发展。图2.2 疲劳加载装置示意图1钢结构底座 2位移计 3钢筋混凝土吊车梁 4混凝土应变片 5钢垫板 6应变式荷载传感器 7脉动作动器 8大型承力架 9输油管 10疲劳试验机疲劳动载试验在内蒙古科技大学建筑科学研究所结构试验室的疲劳试验机上进行，DL-3梁长6m，采用二分点加载。试验装置由疲劳试验机、输油管、500kN脉动作动器、钢结构底座等组成，试验装置如图2.2。2.4.2 加载制度结构疲劳试验是研究结构在重复荷载作用下的疲劳性能及其变化规律，确定结构疲劳破坏时的强度值和荷载重复作用的次数，即确定疲劳极限和疲劳寿命。根据疲劳寿命的不同，疲劳可以划分为高周疲劳和低周疲劳石成恩.活性粉末混凝土(RPC)的弯曲疲劳寿命研究D.福州大学硕士论文,2004:1422.沈为.损伤力学M. 武汉:华中理工大学出版社,1995:171209。这两种疲劳形式由于应力水平不同，在破坏的机制上也有很大的差异。高周疲劳受应力幅控制，应力水平较低而循环次数较高，材料或结构在疲劳失效前应力循环次数达到 N104107时，称为高周疲劳，如桥梁、海上平台和大多数金属结构及构件的疲劳模式，这种模式的应力应变基本上在弹性范围内；低周疲劳受应变幅控制，应力水平较高，疲劳损伤有明显的塑性变形，且伴有塑性应变硬化，循环塑性应变是这类疲劳的主控因素，当应力循环次数 N104时为低周疲劳，典型例子是结构承受地震荷载的作用，在重复承受应力水平较高的荷载作用下，应力应变进入了塑性范围，累积损伤是由于累积塑性应变引起的。根据重复荷载的特征可分为等幅疲劳试验和变幅疲劳试验。本试验为高周等幅疲劳试验。疲劳试验开始前，先作2次加卸载循环试验，加载和卸载时均分五级加到最大荷载或卸载到零。疲劳试验按下列次序加载：调节计数器开动试验机(待机器达到正常状态)加最小荷载调节加载频率加最大荷载反复调节最大、最小荷载至规定值 GB50152-92.混凝土结构试验方法标准S.北京:中国建筑工业出版社,1992:1820.。待荷载稳定后，采用等幅正弦波施加疲劳动荷载，加载频率为每分钟200次 (即3.33Hz)，疲劳试验加载制度如图2.3所示。10万次，20万次，30万次，根据疲劳试验方法，加载200万次时停机卸载。试验以 200 万次为目标，如果试件加载到 200万次时尚未发生破坏，可以考虑采用以下试验步骤18：(1) 保持荷载幅继续进行疲劳试验，直至试件发生疲劳破坏；(2) 增大荷载幅继续进行疲劳试验，直至试件发生疲劳破坏；(3) 对试件施加静载直至破坏，记录荷载挠度曲线。本试验在重复加载200万次尚未发生疲劳破坏的情况下停机，为了得到钢筋应力变化，在跨中裂缝处敲掉混凝土，露出底排受拉钢筋，在最底端3根受拉钢筋中的2根钢筋上粘贴应变片接线后，继续开机施加疲劳动荷载10万次。加载至210万次时停机，实施上述方案(3)施加静载，直至破坏。 图2.3 疲劳试验加载制度 图2.4 混凝土和钢筋应变片位置2.4.3 荷载水平混凝土材料的疲劳寿命与加载水平之间，通常服从单对数方程S=A-BlgN，或双对数方程lgS=lga-blgN。对于加载水平S(加载水平以S=表示)，加载水平越高，材料的疲劳寿命越短，达到破坏的加载次数越少；加载水平S越低，材料的疲劳寿命越长。混凝土疲劳试验中，加载水平S=0.5时，通常疲劳加载次数将接近或超过107、甚至达到108次。大连理工大学的试验中，S0.5时加载次数超过200万次构件仍未破坏；同济大学所做的混凝土梁弯曲疲劳试验中， S=0.5时()，加载次数超过了107时仍没有发生疲劳破坏。而且，通常认为混凝土存在疲劳耐久限SL，当加载水平低于混凝土的耐久限SL时，混凝土将不会发生疲劳破坏。由于受财力、人力和技术的制约，试验加载次数一般不能达到108次，而以往研究大多集中在高应力水平的疲劳问题上，随着构件在实际工程中重复荷载次数的增加，有必要对低应力水平进行研究及疲劳寿命进行预测。是疲劳荷载作用在受弯构件上引起的弯矩最大值，也称为疲劳上限荷载， 为DL-1、DL-2所能承受的极限承载弯矩，可从静载试验中获知吊车梁的极限弯矩911kNm。根据钢筋混凝土吊车梁(G323-1)图集G3231.钢筋混凝土吊车梁 S.中国建筑标准设计研究所出版,2000.，本试验采用疲劳上限荷载=240 kNm、低荷载水平S=0.26对DL-3进行疲劳试验。2.4.4 应力比R=是疲劳荷载最小值在受弯构件正截面上产生的最小应力，即疲劳下限应力；是疲劳荷载最大值在受弯构件正截面上产生的最大应力，即疲劳上限应力。因此，R值的大小反应了截面上一点处应力交替变化幅度的大小。根据疲劳断裂研究成果及钢筋混凝土疲劳材料性能研究成果可知，R是影响受压区混凝土弹性模量、内部裂纹扩展传播的重要因素。R值越大，构件工作性能与静荷载时越接近，R值越小则相反，本试验中的应力比R值取0.43。根据荷载水平0.26，应力比R0.43， 各加载参数见表2.4。表2.4 加载参数试件疲劳上限疲劳下限极限弯矩荷载水平S应力比RDL-3240 kNm104 kNm911kNm0.260.432.4.5 量测内容及数据采集本次试验对混凝土应变、钢筋应变和挠度等进行了量测，对裂缝的出现、发展及宽度进行了人工观测。荷载动态数据由疲劳试验机自带的应变式荷载传感器采集；跨中挠度由位移计采集记录；应变数据由DH3817N动态应变测试系统采集，该系统可以对应变计组成的电桥以及桥式传感器输出的信号进行预处理和采样，并实时传送至计算机对信号进行存贮和处理。疲劳试验启动设备开始加压10分钟后开始记录，每10万次记录数据一次，试验期间不停机，并人工观察裂缝。钢筋和混凝土应变片以及位移计位置见图2.2和图2.4。2.5 疲劳试验结果分析2.5.1 试验现象描述本试验对DL-3的疲劳性能进行了观测，分析试验数据后，考虑疲劳荷载循环次数的影响，把疲劳试验过程分为三个阶段来分析：(1) 试件内裂缝大量出现，其中n为荷载重复作用次数，N为试件破坏时的荷载作用次数，即疲劳寿命，本试验N取210万。加载20万次至40万次间，这个阶段混凝土应变增加及裂缝的开展均较快，混凝土应力处于弹性阶段且远低于其弹性极限，应力和应变按比例增大。循环加载3万次时首先在梁底出现了一些分散的细小的短裂缝，宽度为0.05mm；荷载循环10万次之内，原裂缝有少许扩展，仅在加载处梁的底部出现微小裂缝，长度为510cm，最长的裂缝有20cm。(2) 混凝土内部裂缝稳定发展，即40万次至180万次阶段。此阶段内应变和裂缝的发展都比较缓慢，随着应力重复作用次数的增加混凝土中的裂缝在缓慢发展，受压区面积减小。加载40万次以后的裂缝扩展速度减缓并逐渐趋于稳定，这期间开展的裂缝大部分位于支座至三分点处左右，为彼此平行的斜裂缝，跨中裂缝开展不多，40万次左