公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究

1、公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究 ? 公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究 公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究 樊素 (四川建筑职业技术学院 结构技术中心， 四川 德阳618000) 摘要 随着公路服役年限的增加，公路钢筋混凝土梁疲劳破坏已在工程领域引起重视。首先建立了公路桥梁车辆荷载模型，然后以中小跨径公路桥梁三路居桥为例，结合ANSYS 9.0软件验算了算例桥梁的疲劳应力，最后结合超载问题以及实际运营荷载已不满足标准要求现状，对公路桥梁进行了试验研究，通过纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验得出结论：各个试验梁极限循环次数大幅度下降，已经接近甚至小于200万次，说明我国中小跨径公路桥梁耐久性大大降低，存

2、在潜在的平安事故问题。 关键词 车辆荷载模型； 疲劳应力； 等幅疲劳试验 0引言 我国对跨河、跨海桥梁进行了大量的研究，然而仅有少量试验对公路桥梁的应力水平、疲劳水平进行研究，公路桥梁作为公路交通的瓶颈，在运营平安方面具有十分重大的意义。自上世纪以来，钢筋混凝土桥梁因其造价经济，制造简单等诸多优点，在中小跨径公路桥梁设计中得到了广泛的应用。在我国公路通车里程中，钢筋混凝土公路桥梁约占领总桥梁数的80%，因此钢筋混凝土公路桥梁在公路工程中占据着非常重要的地位，其设计、施工、养护等流程都十分重要。 钢筋混凝土公路桥梁地位如此之重，却也存在着两个非常突出的平安问题： 车辆对桥梁的承载能力要求越来越高

3、； 随着服役时间的增长，其承载能力逐渐减小且发生疲劳破坏的可能性日益增大。如果这两个问题不能得到有效的解决，必然会导致交通事故发生。引起公路桥梁承载力下降的因素有许多，主要包括材料自身特性、不良环境侵蚀以及长期汽车荷载作用。在长期的汽车荷载作用下，桥梁结构内部易引起损伤积累，使得桥梁发生疲劳破坏。 因此本文有针对性的选取了常见的典型中小跨度公路桥梁，进行实际运营荷载下的耐久性研究，已期提高公路桥梁的耐久性，进而提高公路的使用寿命。本文首先建立了公路桥梁车辆荷载模型，并选取中小跨径公路桥梁三路居桥为算例，结合ANSYS9.0软件验算了三路居桥梁的疲劳应力，通过模型与计算可知在小跨径公路桥梁荷载问

4、题中，活荷载所占比重较高，存在较大的疲劳破坏潜在风险；并且由于我国超载问题较为严重，虽然算例桥梁的设计荷载满足标准要求，但是在实际运营荷载状况下已不满足标准要求，并不能将200万次作为公路桥梁的疲劳破坏界限，因此对公路桥梁进一步进行试验研究，通过纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验可知各个试验梁极限循环次数大幅度下降，说明我国中小跨径公路桥梁存在很大的平安事故风险。 1公路车辆疲劳荷载模型的建立 在实际工程中，公路桥梁的应力水平往往决定了公路的使用耐久性，我国对跨河、跨海桥梁进行了大量的研究，然而仅有少量试验对公路桥梁的应力水平、超载水平进行研究，因此本文有针对性地选取了常见的典型中小跨度公路桥梁，进行实际

5、运营荷载下的耐久性研究，以期提高公路桥梁的耐久性，进而提高公路的使用寿命。本文选取正在服役的三路居桥作为中小跨径桥梁的代表，该桥为三跨简支钢筋混凝土桥梁，全长37.9 m，宽度4.8 m，桥跨组合10 m+14.96 m+10 m，始建于1982年，并于2021年进行维修，维修后上部结构采取装配式钢筋混凝土T梁，中心间距1.6 m，其根本概况见表1，图1。 1.1荷载模型及参数设计 根据我国现行?公路桥涵通道设计标准?(JTG D60 2004)，一般采取车道荷载与车辆荷载两种形式，车道荷载由均布荷载与集中荷载组成，按照公路1级水平，结合影响线最不利荷载方式来计算结构的荷载效应。车辆荷载用于桥

6、梁局部加载效应计算，车道荷载与车辆荷载用于桥梁的静力计算，针对车辆动力效应，需要引入冲击数来对静力效应调整(见图2)。 表1 三路居桥钢筋混凝土根本概况Table1 Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete桥梁名称跨径/m截面形式荷载等级车道数桥梁宽度/m梁高/m主梁片数混凝土等级纵筋数量及等级三路居桥14.96T梁公路1级14.80.753C30顶4?28底12?28 图1三路居桥主梁跨中断面及构造配筋图Figure 1Three road bridge girder section and span structure r

7、einforcement chart 图2公路1级车道荷载模型Figure 2Load model of 1 grade highway 由于桥梁结构与车辆荷载相互作用会产生荷载变幅，因此要考虑恒荷载与活荷载的组合效应。在设计根本组合中，根据?公路桥涵通用设计标准?(JTG D60 2004)，恒荷载标准值组合系数取1.2，活荷载标准值组合系数取1.4。针对疲劳荷载组合，查阅美国AASHTO标准可知，AASHTO标准将疲劳极限状态并列于承载能力极限状态以及正常使用极限状态提出，疲劳荷载组合中仅仅考虑了0.75的活荷载组合系数。根据我国?混凝土结构设计标准?(GB 50010 2021)指出，在

8、疲劳荷载验算中荷载应取标准值，吊车荷载需乘以动力系数，根据我国?钢结构设计标准?(GB50017 2003)，针对直接承受动力荷载结构，荷载标准值不乘以动力系数。综合上述标准可知，在各个荷载组合方法中，疲劳极限状态设计并未独立出来，因此结合公路桥梁实际问题，考虑到汽车荷载冲击效应明显，本文采取?混凝土结构设计标准?(GB 50010 2021)中的组合方法，对汽车荷载考虑冲击系数，具体组合方法如表2所示。 表2 荷载组合方式及参数Table2 Loadcombinationmodeandparameters荷载组合组合名称组合系数恒荷载活荷载组合1设计根本组合1.21.4组合2疲劳组合11+

9、冲击系数根据?公路桥涵通用设计标准?(JTGD60 2004)，按照公式(1)、式(2)计算： 桥梁基频： (1) 冲击系数： =0.176 7lnf-0.015 7 (2) 因此，得到三路居桥梁的冲击系数如表3所示。 表3 三路居桥梁基频与冲击系数Table3 bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序号l/mE/(Nmm-2)Ic/m4A/m2mc/(kgm-1)f/Hz11531030.02450.48312565.340.28 1.2ANSYS软件实体建模 在ANSYS软件中，梁一般采取杆单元模型，结合三路居桥梁的简支梁形式，只需在梁一端节点处

10、约束三个转动自由度以及一个沿轴线方向的线自由度，另一端制作节点约束三个转动自由度，梁体与制作节点刚性连接并保持位移与协调变形条件。所建好的实体模型如图3所示。 图3三路居桥上部结构实体模型Figure 3Three road bridge superstructure model 1.3公路钢筋混凝土桥梁疲劳应力计算 结合上述荷载模型以及参数设计，采用ANSYS 9.0软件进行结构的疲劳验算，其中疲劳验算根据?混凝土结构设计标准?(GB 50010 2021)，主要计算方法如公式(3)式(6)所示： 等效截面参数： (3) (4) 钢筋应力幅： (5) 混凝土最大压应力： (6) 在上述公式中

11、: b表示等效截面腹板宽度，表示受压翼缘有效宽度，mm ；fE表示钢筋弹性模量与混凝土疲劳弹性模量比值；x0表示等效截面受压区高度，mm；If0表示等效截面惯性矩，mm4；表示受拉区、受压区钢筋面积，mm2； Mfmax、Mfmin表示疲劳荷载产生最大、最小弯矩,N*mm；表示钢筋疲劳应力幅值与混凝土最大压应力限值。 结合上述车道好荷载模型与疲劳验算公式，采取ANSYS 9.0软件进行计算，最终得到算例桥梁的疲劳应力值如表4所示。 表4 算例桥梁疲劳应力计算结果以及标准限值Table4 Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit计算荷载跨

12、径/mMfmaxMfminfs,maxfs,minfsfsfc,maxfc设计荷载15.00950.10460.29206.7299.80105.91120.169.1613.24标准荷载15.00806.52460.29175.1599.8074.34103.877.1314.26调查荷载15.001028.51460.29224.0399.80123.22125.2510.1813.24 结合表4可知: 标准疲劳荷载下桥梁的纵向钢筋应力幅较小，距离?混凝土结构设计标准?(GB50010 2021)钢筋疲劳应力幅值尚有一定平安储藏，在表4中，设计荷载与实际调查下的纵向钢筋应力幅值分别接近11

13、8、123 MPa，根据朱红兵试验得出的普通钢筋疲劳寿命S N曲线可知，设计荷载水平下的极限循环次数分别为268万次与243万次，调查荷载应力下的极限循环次数为157万次与124万次。根据标准选定200万次作为疲劳破坏界限，可知算例桥梁满足疲劳验算试验。通过上述疲劳应力的验算可知算例桥梁满足设计荷载应力标准要求，然而在实际运营荷载下已不满足标准要求，因此并不能完全确定是否桥梁在200万次循环界限时发生疲劳破坏，为此需进一步进行钢筋混凝土疲劳试验，获取相应应力水平下的极限循环次数，进而对公路桥梁结构进行更准确的疲劳寿命评估。 2钢筋混凝土梁疲劳试验 2.1试验梁原材料与结构设计 采取C40混凝土

14、，普通硅酸盐水泥，粗骨料为连续级配官平卵石，最大粒径31.5 mm，细骨料为渭河细沙，细度模数为2.0，砂率为38%。钢筋采取HRB400热轧带肋钢筋，实测屈服强度为440 MPa，极限抗拉强度610 MPa；混凝土实测抗压强度为43.2 MPa。试验梁长2.7 m，计算跨度2.4 m，梁宽150 mm、高300 mm，其配筋构造如图4所示。 图4试验梁配筋构造Figure 4Structure of test beam reinforcement 2.2锈蚀方案 本文采取快速通电锈蚀方案，将实验梁放置在湿盐砂中，以湿盐砂为导电介质，形成电解回路如图5所示。 图5湿盐砂锈蚀方案Figure 5

15、Corrosion of wet salt sand 在通电锈蚀期间，定时向湿盐砂浇入饱和盐水并覆盖棕垫减缓湿盐砂水分蒸发，锈蚀采取梁体沿纵向钢筋钢筋裂缝控制，以0.1、0.3、0.6、1.0 mm为裂缝宽度等级，当裂缝宽度到达0.6 mm后再进行疲劳试验测试。 2.3疲劳试验加载与测试方案 采用西安建筑科技大学YAW 5000型微机控制电液伺服压力试验机，整个加载系统如图6所示。 图6疲劳试验加载系统Figure 6loading system of fatigue test 结合图6可知： 采取三分点静力加载方式以位移控制，加载速度总体设置为0.05 mm/min，不同阶段加载速度如表5所

16、示。 接下来要明确测试内容并进行疲劳试验测点布置，主要测试混凝土应变、纯弯钢筋应变以及跨中挠度，在两根主筋跨中位置分别粘贴应变片，梁跨中顶面以及地面各粘贴一个混凝土应变片，梁跨中位置两侧面间隔50 mm粘贴混凝土应变片，应变片技术参数如表6所示。 表5 静力试验各阶段加载速率Table5 Loadingrateateachstageofstatictest加载阶段预加载预加载McrMcrMconMu荷载区间05Mcr50.8Mcr0.81.2Mcr0.81.2Mcon0.8Mu加载速率/(mmmin-1)0.50.50.20.20.2 表6 钢筋、混凝土应变片技术参数Table6 Techni

17、calparametersofsteelbarandconcretestraingauge型号电阻值/灵敏系数栅长栅宽BX120-5AA 1200.1%2.121.3% 53BX120-80AA1200.1%2.121.3%803 2.4测试结果分析 通过上述实验方案，对试验梁进行静力加载试验，获得梁的荷载位移曲线如以下图7所示，获得控制荷载实测值与第一节理论计算值比照关系如表7所示。 表7 静力试验控制荷载计算值与实测值Table7 Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷载下限荷载上限S1S2极限承载力水平应力0.250.50.55钢筋

18、应力/MPa100200220钢筋应变/50010001100控制荷载设计值/kN4275.882.8144 控制荷载实测值/kN43.972.579.6177.6 实测值与计算值误差/%4.54.351.16 23.3 跨中位移实测值/mm6.799.4510.06 32.28 从图7中可以看出: 试验梁先后经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段以及局部紧缩阶段，为典型的适筋梁破坏。结合表7可知：各控制荷载实测值与计算值根本吻合，除梁的极限承载力差异较大，实测值教计算值超出23.3%。 图7静载试验荷载-位移曲线Figure 7Load displacement curve of static

19、load test 接下来对试验钢筋混凝土梁采取等幅疲劳试验，记录疲劳循环过程中纵向钢筋应力变化情况，通过应变片与动态应变仪连接，采集到的试验梁疲劳循环过程中纵向钢筋应力变化情况如图8、表8所示。 图8试验梁纵向钢筋应力随循环次数变化规律Figure 8The variation of stress with cycle times of test beam 结合图8与表8可知： 在疲劳试验加载初期，纵筋应力幅值保持平稳，与设计阶段幅值根本接近，说明试验控制到达了预期目的，在RCBPLL 1梁中，随着循环次数的继续增加，纵筋应力上峰值与下峰值保持稳定，直到破坏边缘上峰值与下峰值增大了2.5%1

20、6.1%，说明梁体内部发生了明显的疲劳损伤，而在梁RCBPLL 2中，纵筋上峰值与下峰值出现了下降趋势，这可能是由于应变片粘贴位置发生偏移，使得测试应力出现下降现象。 表8 纵向钢筋动态应力随循环次数变化情况Table8 Thedynamicstressoflongitudinalreinforce-mentwiththechangeofcycletimes梁循环次数/万次最大值/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结论 本文首先建立了公路桥梁车辆荷载模型，并选取中小跨径公路桥梁三路居桥为算例，结合ANSYS9.0软件验算了三路居桥梁的疲劳应力，通过模型与计算可知在小跨径公路

22、桥梁荷载问题中，活荷载所占比重较高，为50%60%，因此存在较大的疲劳问题；并且由于我国超载问题较为严重，虽然算例桥梁的设计荷载满足标准要求，但是在实际运营荷载状况下已不满足标准要求，并不能将200万次作为公路桥梁的疲劳破坏界限，因此需对公路桥梁进一步进行试验研究，获取相应应力水平下的极限循环次数。 通过纵筋腐蚀梁等幅疲劳试验可知各个试验梁极限循环次数大幅度下降，已经接近甚至小于200万次，说明我国中小跨径公路桥梁存在潜在的平安事故问题，需受到广泛的重视以免发生交通事故。 参考文献 1晏富洋.公路桥梁疲劳试验二维荷载谱研究D.重庆:重庆交通大学,2021. 2任伟平. 钢桥整体节点疲劳性能试验

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