公路钢筋混凝土疲劳试验及耐久性研究

/马路钢筋混凝土疲惫试验及耐久性探讨?马路钢筋混凝土疲惫试验及耐久性探讨马路钢筋混凝土疲惫试验及耐久性探讨樊素(四川建筑职业技术学院结构技术中心，四川德阳618000)[摘要]随着马路服役年限的增加，马路钢筋混凝土梁疲惫破坏已在工程领域引起重视。首先建立了马路桥梁车辆荷载模型，然后以中小跨径马路桥梁三路居桥为例，结合ANSYS9.0软件验算了算例桥梁的疲惫应力，最终结合超载问题以及实际运营荷载已不满意规范要求现状，对马路桥梁进行了试验探讨，通过纵筋腐蚀梁等幅疲惫试验得出结论：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，表明我国中小跨径马路桥梁耐久性大大降低，存在潜在的平安事故问题。[关键词]车辆荷载模型；疲惫应力；等幅疲惫试验0引言我国对跨河、跨海桥梁进行了大量的探讨，然而仅有少量试验对马路桥梁的应力水平、疲惫水平进行探讨，马路桥梁作为马路交通的瓶颈，在运营平安方面具有特别重大的意义。自上世纪以来，钢筋混凝土桥梁因其造价经济，制造简洁等诸多优点，在中小跨径马路桥梁设计中得到了广泛的应用。在我国马路通车里程中，钢筋混凝土马路桥梁约占据总桥梁数的80%，因此钢筋混凝土马路桥梁在马路工程中占据着特别重要的地位，其设计、施工、养护等流程都特别重要。钢筋混凝土马路桥梁地位如此之重，却也存在着两个特别突出的平安问题：①车辆对桥梁的承载实力要求越来越高；②随着服役时间的增长，其承载实力渐渐减小且发生疲惫破坏的可能性日益增大。假如这两个问题不能得到有效的解决，必定会导致交通事故发生。引起马路桥梁承载力下降的因素有很多，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，使得桥梁发生疲惫破坏。因此本文有针对性的选取了常见的典型中小跨度马路桥梁，进行实际运营荷载下的耐久性探讨，已期提高马路桥梁的耐久性，进而提高马路的运用寿命。本文首先建立了马路桥梁车辆荷载模型，并选取中小跨径马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惫应力，通过模型和计算可知在小跨径马路桥梁荷载问题中，活荷载所占比重较高，存在较大的疲惫破坏潜在风险；并且由于我国超载问题较为严峻，虽然算例桥梁的设计荷载满意规范要求，但是在实际运营荷载状况下已不满意规范要求，并不能将200万次作为马路桥梁的疲惫破坏界限，因此对马路桥梁进一步进行试验探讨，通过纵筋腐蚀梁等幅疲惫试验可知各个试验梁极限循环次数大幅度下降，表明我国中小跨径马路桥梁存在很大的平安事故风险。1马路车辆疲惫荷载模型的建立在实际工程中，马路桥梁的应力水平往往确定了马路的运用耐久性，我国对跨河、跨海桥梁进行了大量的探讨，然而仅有少量试验对马路桥梁的应力水平、超载水平进行探讨，因此本文有针对性地选取了常见的典型中小跨度马路桥梁，进行实际运营荷载下的耐久性探讨，以期提高马路桥梁的耐久性，进而提高马路的运用寿命。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37.9m，宽度4.8m，桥跨组合10m+14.96m+10m，始建于1982年，并于2008年进行修理，修理后上部结构实行装配式钢筋混凝土T梁，中心间距1.6m，其基本概况见表1，图1。1.1荷载模型及参数设计依据我国现行《马路桥涵通道设计规范》(JTGD60—2004)，一般实行车道荷载和车辆荷载两种形式，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成，依据马路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。车辆荷载用于桥梁局部加载效应计算，车道荷载和车辆荷载用于桥梁的静力计算，针对车辆动力效应，须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基本概况Table1Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete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梁马路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Figure1Threeroadbridgegirdersectionandspanstructurereinforcementchart图2马路1级车道荷载模型Figure2Loadmodelof1gradehighway由于桥梁结构和车辆荷载相互作用会产生荷载变幅，因此要考虑恒荷载和活荷载的组合效应。在设计基本组合中，依据《马路桥涵通用设计规范》(JTGD60—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。针对疲惫荷载组合，查阅美国AASHTO规范可知，AASHTO规范将疲惫极限状态并列于承载实力极限状态以及正常运用极限状态提出，疲惫荷载组合中仅仅考虑了0.75的活荷载组合系数。依据我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)指出，在疲惫荷载验算中荷载应取标准值，吊车荷载需乘以动力系数，依据我国《钢结构设计规范》(GB50017—2003)，针对干脆承受动力荷载结构，荷载标准值不乘以动力系数。综合上述规范可知，在各个荷载组合方法中，疲惫极限状态设计并未独立出来，因此结合马路桥梁实际问题，考虑到汽车荷载冲击效应明显，本文实行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中的组合方法，对汽车荷载考虑冲击系数μ，详细组合方法如表2所示。表2荷载组合方式及参数Table2Loadcombinationmodeandparameters荷载组合组合名称组合系数恒荷载活荷载组合1设计基本组合1.21.4组合2疲惫组合11+μ冲击系数μ依据《马路桥涵通用设计规范》(JTGD60—2004)，依据公式(1)、式(2)计算：桥梁基频：(1)冲击系数：μ=0.1767lnf-0.0157(2)因此，得到三路居桥梁的冲击系数如表3所示。表3三路居桥梁基频和冲击系数Table3bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序号l/mE/(N·mm-2)Ic/m4A/m2mc/(kg·m-1)f/Hzμ1153×1030.02450.48312565.340.281.2ANSYS软件实体建模在ANSYS软件中，梁一般实行杆单元模型，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，梁体和制作节点刚性连接并保持位移和协调变形条件。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Figure3Threeroadbridgesuperstructuremodel1.3马路钢筋混凝土桥梁疲惫应力计算结合上述荷载模型以及参数设计，采纳ANSYS9.0软件进行结构的疲惫验算，其中疲惫验算依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)，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:b表示等效截面腹板宽度，表示受压翼缘有效宽度，mm；αfE表示钢筋弹性模量和混凝土疲惫弹性模量比值；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表示疲惫荷载产生最大、最小弯矩,N*mm；表示钢筋疲惫应力幅值和混凝土最大压应力限值。结合上述车道好荷载模型和疲惫验算公式，实行ANSYS9.0软件进行计算，最终得到算例桥梁的疲惫应力值如表4所示。表4算例桥梁疲惫应力计算结果以及规范限值Table4Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit计算荷载跨径/mMfmaxMfminσfs,maxσfs,minΔσfs[Δσfs]σfc,max[σfc]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:标准疲惫荷载下桥梁的纵向钢筋应力幅较小，距离《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)钢筋疲惫应力幅值尚有肯定平安储备，在表4中，设计荷载和实际调查下的纵向钢筋应力幅值分别接近118、123MPa，依据朱红兵试验得出的一般钢筋疲惫寿命S—N曲线可知，设计荷载水平下的极限循环次数分别为268万次和243万次，调查荷载应力下的极限循环次数为157万次和124万次。依据规范选定200万次作为疲惫破坏界限，可知算例桥梁满意疲惫验算试验。通过上述疲惫应力的验算可知算例桥梁满意设计荷载应力规范要求，然而在实际运营荷载下已不满意规范要求，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惫破坏，为此需进一步进行钢筋混凝土疲惫试验，获得相应应力水平下的极限循环次数，进而对马路桥梁结构进行更精确的疲惫寿命评估。2钢筋混凝土梁疲惫试验2.1试验梁原材料和结构设计实行C40混凝土，一般硅酸盐水泥，粗骨料为连续级配官平卵石，最大粒径31.5mm，细骨料为渭河细沙，细度模数为2.0，砂率为38%。钢筋实行HRB400热轧带肋钢筋，实测屈服强度为440MPa，极限抗拉强度610MPa；混凝土实测抗压强度为43.2MPa。试验梁长2.7m，计算跨度2.4m，梁宽150mm、高300mm，其配筋构造如图4所示。图4试验梁配筋构造Figure4Structureoftestbeamreinforcement2.2锈蚀方案本文实行快速通电锈蚀方案，将试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Figure5Corrosionofwetsaltsand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，锈蚀实行梁体沿纵向钢筋钢筋裂缝限制，以0.1、0.3、0.6、1.0mm为裂缝宽度等级，当裂缝宽度达到0.6mm后再进行疲惫试验测试。2.3疲惫试验加载和测试方案采纳西安建筑科技高校YAW—5000型微机限制电液伺服压力试验机，整个加载系统如图6所示。图6疲惫试验加载系统Figure6loadingsystemoffatiguetest结合图6可知：实行三分点静力加载方式以位移限制，加载速度总体设置为0.05mm/min，不同阶段加载速度如表5所示。接下来要明确测试内容并进行疲惫试验测点布置，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50mm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Table5Loadingrateateachstageofstatictest加载阶段预加载预加载～McrMcrMconMu荷载区间0～5Mcr5～0.8Mcr0.8～1.2Mcr0.8～1.2Mcon0.8～Mu加载速率/(mm·min-1)0.20.2表6钢筋、混凝土应变片技术参数Table6Technicalparametersofsteelbarandconcretestraingauge型号电阻值/Ω灵敏系数栅长×栅宽BX120-5AA120±0.1%2.12±1.3%5×3BX120-80AA120±0.1%2.12±1.3%80×32.4测试结果分析通过上述试验方案，对试验梁进行静力加载试验，获得梁的荷载—位移曲线如下图7所示，获得限制荷载实测值和第一节理论计算值对比关系如表7所示。表7静力试验限制荷载计算值和实测值Table7Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷载下限荷载上限S1S2极限承载力水平应力5钢筋应力/MPa100200220钢筋应变/με50010001100限制荷载设计值/kN4275.882.8144限制荷载实测值/kN43.972.579.6177.6实测值和计算值误差/%4.54.351.1623.3跨中位移实测值/mm6.799.4510.0632.28从图7中可以看出:试验梁先后经验了弹性阶段、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：各限制荷载实测值和计算值基本吻合，除梁的极限承载力差别较大，实测值教计算值超出23.3%。图7静载试验荷载-位移曲线Figure7Loaddisplacementcurveofstaticloadtest接下来对试验钢筋混凝土梁实行等幅疲惫试验，记录疲惫循环过程中纵向钢筋应力改变状况，通过应变片和动态应变仪连接，采集到的试验梁疲惫循环过程中纵向钢筋应力改变状况如图8、表8所示。图8试验梁纵向钢筋应力随循环次数改变规律Figure8Thevariationofstresswithcycletimesoftestbeam结合图8和表8可知：在疲惫试验加载初期，纵筋应力幅值保持平稳，和设计阶段幅值基本接近，表明试验限制达到了预期目的，在RCBPLL—1梁中，随着循环次数的接着增加，纵筋应力上峰值和下峰值保持稳定，直到破坏边缘上峰值和下峰值增大了2.5%～16.1%，表明梁体内部发生了明显的疲惫损伤，而在梁RCBPLL———250291.8141.3150.5100270.3123.0147.3179185.683.8101.8182174.539.1135.33结论本文首先建立了马路桥梁车辆荷载模型，并选取中小跨径马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惫应力，通过模型和计算可知在小跨径马路桥梁荷载问题中，活荷载所占比重较高，为50%～60%，因此存在较大的疲惫问题；并且由于我国超载问题较为严峻，虽然算例桥梁的设计荷载满意规范要求，但是在实际运营荷载状况下已不满意规范要求，并不能将200万次作为马路桥梁的疲惫破坏界限，因此需对马路桥梁进一步进行试验探讨，获得相应应力水平下的极限循环次数。通过纵筋腐蚀梁等幅疲惫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，表明我国中小跨径马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.马路桥梁疲惫试验二维荷载谱探讨[D].重庆:重庆交通高校,2013.[2]任伟平.钢桥整体节点疲惫性能试验和探讨[D].成都:西南交通高校,2004.[3]周泳涛,翟辉,鲍卫刚,等.马路桥梁标准疲惫车辆荷载探讨[J].马路,2009(12):21-25.[4]肖赟.预应力混凝土梁超载疲惫刚度退化试验探讨[D].北京:北京交通高校,2014.[5]何武超.公轨两用斜拉桥钢锚箱式索梁锚固区足尺模型疲惫试验探讨[D].上海:同济高校,2007.[6]潘鹏,李全旺,周怡斌,等.某马路大桥车辆荷载调查和局部疲惫分析[J].土木工程学报,2011(05):94-100.[7]陈强，刘灵勇，周先雁.碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验[J].森林工程，2015，31(1)：112-117.[8]宋晓东，张文学.沥青混凝土路面物理除冰雪加热功率优化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.[9]马静.水泥稳定冷再生基层沥青路面疲惫寿命探讨[D].沈阳:沈阳建筑高校,2011.[10]A.dePannemaecker,S.Fouvry,M.Brochu,J.Y.Buffiere.IdentificationofthefatiguestressintensityfactorthresholdfordifferentloadratiosR:FromfrettingfatiguetoC(T)fatigueexperiments[J].InternationalJournalofFatigue,2016,82.[11]AdamNiesony,MichaB?hm.Frequency-domainfatiguelifeestimationwithmeanstresscorrection[J].InternationalJournalofFatigue,2016.[12]AyeThantHtoo,YukioMiyashita,YuichiOtuska,YoshiharuMutoh,ShigeoSakurai.Variationoflocalstressratioanditseffectonnotchfatiguebehaviorof2024-T4aluminumalloy[J].InternationalJournalofFatigue,2016.[13]J.Toribio,M.Lorenzo,D.Vergara,L.Aguado.ResidualStressRedistributionInducedbyFatigueinCold-DrawnPrestressingSteelWires[J].ConstructionandBuildingMaterials,2016.[14]XiaolongLiu,ChengqiSun,YoushiHong.Facetedcrackinitiationcharacteristicsforhigh-cycleandvery-high-cyclefatigueofatitaniumalloyunderdifferentstressratios[J].InternationalJournalofFatigue,2016.TheResearchonDurabilityandFatigueTestofHighwayReinforcedConcreteFANSu(SichuanCollegeofArchitectureTechnologyStructureTechnologyCenter,Deyang,Sichuan618000,China)Abstract：Withtheincreaseoftheservicelifeoftheroad,thefatiguedamageofthereinforcedconcretebeamhasbeenpaidattentiontointheengineeringfield.Wesetupthehighwaybridgevehic