鋼筋混凝土梁的疲勞性能研究

鋼筋混凝土梁的疲勞性能研究

0重復(fù)荷載作用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)通常主要承受沉降的影響，但實際設(shè)計中有許多結(jié)構(gòu)，如橋梁、懸索橋和海洋平臺。除了靜載功能外，它還經(jīng)常承受重復(fù)周期負(fù)荷的作用。隨著這些經(jīng)常承受重復(fù)荷載作用結(jié)構(gòu)應(yīng)用的日益廣泛,以及高強混凝土、高強鋼筋的廣泛應(yīng)用,許多構(gòu)件處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作,使得混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞成為不可忽視的問題。梁作為混凝土結(jié)構(gòu)中最基本的構(gòu)件,許多學(xué)者對其疲勞性能已做了大量的研究。本文對國內(nèi)外鋼筋混凝土梁的疲勞性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和分析,以求對鋼筋混凝土梁的疲勞性能有進(jìn)一步的了解。1疲勞試驗和循環(huán)次數(shù)類似于鋼筋混凝土梁的普通靜載試驗,鋼筋混凝土梁的疲勞試驗同樣包括正截面受彎試驗和斜截面抗剪試驗。由于疲勞試驗的特點,根據(jù)循環(huán)次數(shù)的多少又可分為低周疲勞試驗和高周疲勞試驗;根據(jù)重復(fù)荷載的特征可分為等幅疲勞試驗和變幅疲勞試驗。表1列出了國內(nèi)外一些學(xué)者做的疲勞試驗,從中可以看出,在鋼筋混凝土梁疲勞性能研究方面,混凝土的強度等級已從C15到C70;既有一般混凝土,也有纖維混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土;梁的截面形式有普通的矩形梁,也有T形薄腹梁;加載方式既有三分點加載,也有兩分點彎曲加載。2鋼筋混凝土支架的疲勞和破壞2.1鋼筋混凝土試件疲勞破壞形態(tài)清華大學(xué)的李秀芬等通過對11片混凝土簡支梁的靜載和等幅疲勞荷載試驗,分析研究了受彎構(gòu)件的疲勞特性,給出了受壓區(qū)混凝土應(yīng)力、縱向受拉鋼筋應(yīng)力的計算方法以及鋼筋的疲勞強度設(shè)計取值,得到了作為控制梁的疲勞承載能力極限狀態(tài)的S-N曲線,并提出高強混凝土受彎構(gòu)件在等幅疲勞荷載作用下正截面疲勞設(shè)計方法。根據(jù)試驗結(jié)果得出的主要結(jié)論有:按靜載設(shè)計的適筋梁,正截面抗彎疲勞破壞均為縱向受拉鋼筋的疲勞斷裂。鋼筋混凝土梁在疲勞荷載作用下,正截面平均應(yīng)變?nèi)匀环掀浇孛婕俣?受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力分布可采用三角形應(yīng)力分布;需要對受壓區(qū)混凝土的彎曲變形模量進(jìn)行折減。通過對11片梁中首先疲勞斷裂的鋼筋應(yīng)力及對應(yīng)的疲勞次數(shù)取對數(shù)進(jìn)行線性回歸統(tǒng)計,得出梁內(nèi)受拉鋼筋的S-N關(guān)系方程為:logΝ=21.710-6.451logσmax-2.880log(1-ρ)(1)logN=21.710?6.451logσmax?2.880log(1?ρ)(1)式中,N為疲勞循環(huán)次數(shù),σmax為鋼筋的最大應(yīng)力值,ρ為應(yīng)力比,ρ=σmin/σmax。通過試驗結(jié)果可知,隨疲勞荷載作用次數(shù)的增加,梁的撓度和混凝土應(yīng)變增大,疲勞變形模量降低。由統(tǒng)計計算可得,高強混凝土的彎曲變形模量Eb為受壓彈性模量Ec的0.875倍,即:Eb=0.875Ec(2)Eb=0.875Ec(2)疲勞變形模量降低系數(shù)的回歸方程為:γf=0.982-0.027logΝ(3)γf=0.982?0.027logN(3)根據(jù)以上兩式可得疲勞變形模量為:Efb=(0.86-0.024logΝ)Ec(4)Efb=(0.86?0.024logN)Ec(4)陳浩軍等在鋼筋混凝土梁的疲勞破壞形態(tài)方面也進(jìn)行了研究。對不同配筋率的鋼筋混凝土簡支梁(550mm×150mm×150mm)進(jìn)行了等幅疲勞荷載試驗研究,試驗試件共60片梁,試件配筋率分別為0%,0.29%,0.487%,0.934%和1.946%。試驗結(jié)果表明:鋼筋混凝土試件疲勞破壞包括鋼筋疲勞破壞和混凝土疲勞破壞。鋼筋疲勞破壞以受拉鋼筋拉斷為標(biāo)志;混凝土疲勞破壞又包括試件斜截面疲勞破壞和受壓區(qū)混凝土壓碎疲勞破壞。影響疲勞破壞形式的因素包括:配筋率、剪跨比、試件截面特性和材料特性等。對于不同配筋率的情況,定義了一個界限配筋率μc:當(dāng)配筋率小于界限配筋率μc時,試件呈彎拉破壞;當(dāng)配筋率大于界限配筋率μc時,試件呈剪壓破壞。同時根據(jù)不同的配筋情況也給出了相應(yīng)的疲勞方程:當(dāng)μ<μc時,S=0.9490+0.1586μ-(0.1131-0.0190μ)lgΝ(5)S=0.9490+0.1586μ?(0.1131?0.0190μ)lgN(5)當(dāng)μ≥μc時,S=0.9671-0.0935lgΝ(6)S=0.9671?0.0935lgN(6)在國外,TienS.Chang和ClydeE.Kesler進(jìn)行了部分鋼筋混凝土梁的疲勞試驗,主要結(jié)論為:重復(fù)荷載的應(yīng)力水平將決定疲勞破壞的形態(tài),低應(yīng)力水平的重復(fù)荷載將導(dǎo)致彎曲疲勞破壞,以鋼筋的疲勞斷裂為標(biāo)志;高應(yīng)力水平的重復(fù)荷載將導(dǎo)致剪切疲勞破壞。從國內(nèi)外對鋼筋混凝土梁疲勞破壞形態(tài)研究的情況可以看到,鋼筋混凝土梁的配筋率是影響破壞形態(tài)的關(guān)鍵因素,對于在實際工程中使用的適筋梁,是由鋼筋的疲勞斷裂起控制作用,破壞形態(tài)是正截面抗彎疲勞破壞。當(dāng)梁的配筋率增大時,梁的疲勞破壞形態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)樾苯孛婊炷疗谄茐幕蚴軌簠^(qū)混凝土壓碎疲勞破壞。國外的部分學(xué)者認(rèn)為疲勞荷載的應(yīng)力水平對鋼筋混凝土梁疲勞破壞的形態(tài)有一定的影響,這方面有待進(jìn)一步研究。2.2斜截面彎壓疲勞破壞機理許多承受重復(fù)荷載的梁,往往同時配有箍筋和彎起鋼筋,所以對于同時配有箍筋和彎起鋼筋的鋼筋混凝土梁,其斜截面疲勞性能是其疲勞性能的一個重要方面。李惠民和顧傳霖通過30片T形梁(其中21片梁腹筋只配箍筋,另外9片梁同時配有箍筋和彎筋)在重復(fù)荷載作用下的試驗研究和分析,提出了考慮混凝土抗剪作用的斜截面疲勞強度的計算方法及腹筋疲勞破壞的判別條件。試驗結(jié)果表明,剪跨比λ≤1.0的梁,經(jīng)重復(fù)加載后沿斜截面的破壞為斜壓疲勞破壞。剪跨比λ≥1.5的梁經(jīng)重復(fù)加載后沿斜截面的破壞為剪壓疲勞破壞。在重復(fù)荷載作用下,腹筋應(yīng)力不斷提高,腹筋所分擔(dān)的剪力不斷增大,相應(yīng)地混凝土所分擔(dān)的剪力不斷減小。因此,在重復(fù)荷載作用下,斜截面發(fā)生疲勞破壞,通常都是因腹筋先疲勞破壞而引起的。同時試驗結(jié)果表明,與斜裂縫相交的各腹筋的應(yīng)力是很不均勻的,總是最不利的腹筋首先疲勞斷裂。SusantoTeng等進(jìn)行了12片鋼筋混凝土深梁的疲勞試驗,在試驗中研究了3種不同配箍形式的深梁,分別為不配箍、垂直配箍和斜向配箍。試驗結(jié)果表明,不同的配箍形式對鋼筋混凝土梁的疲勞性能有顯著的影響,與其它兩種配箍形式相比,斜向配箍的鋼筋混凝土深梁有最高的疲勞強度,而且梁的變形和裂縫長度都比較小,試驗結(jié)果同樣驗證了疲勞荷載的應(yīng)力幅值越大,則構(gòu)件的疲勞壽命越短。通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者的研究可以看到,斜截面發(fā)生疲勞破壞通常都是由箍筋的疲勞斷裂引起的,所以配箍率將顯著影響鋼筋混凝土梁的斜截面疲勞性能,而且不同的配箍形式的鋼筋混凝土梁疲勞性能也有明顯的差別。3影響鋼筋混凝土梁疲勞性能的因素3.1混合料增強混凝土的疲勞性能混凝土發(fā)生疲勞破壞是一個損傷累積的過程。在混凝土材料中加入一些摻合料,如粉煤灰、磨細(xì)礦渣和纖維等,可以減少混凝土初始缺陷,在損傷累積過程中抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,從而提高混凝土梁的力學(xué)性能。高強混凝土和高性能混凝土的應(yīng)用已非常廣泛,清華大學(xué)李秀芬等進(jìn)行的便是高強混凝土梁的疲勞性能試驗,試驗結(jié)果表明,在正常配筋條件下,高強混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲勞性能。在普通混凝土材料中加入鋼纖維同樣可以顯著地提高混凝土的疲勞性能。一些學(xué)者對局部高密度鋼纖維混凝土的彎曲疲勞性能進(jìn)行了研究,試驗結(jié)果表明,局部高密度鋼纖維混凝土有漫長的疲勞壽命,疲勞壽命高于素混凝土以及同樣纖維摻量的傳統(tǒng)鋼纖維混凝土。根據(jù)“等效疲勞壽命”的概念,建立了考慮存活率的P-lgS-lgN雙對數(shù)疲勞方程:當(dāng)失效概率P′=0.05時,P-lgS-lgN方程為:lgS=0.0149-0.03422(1-R2)lgΝ(7)lgS=0.0149?0.03422(1?R2)lgN(7)當(dāng)失效概率P′=0.5時,P-lgS-lgN方程為:lgS=0.03204-0.03084(1-R2)lgΝ(8)lgS=0.03204?0.03084(1?R2)lgN(8)混雜纖維的加入同樣可以大大改善混凝土材料的彎曲疲勞性能和疲勞壽命,但對抗壓疲勞性能提高不明顯。其中碳纖維對提高材料的抗彎疲勞性能起了主要作用,單一聚丙烯纖維對抗彎疲勞性能的提高作用很有限,兩種纖維對混雜纖維增強混凝土抗彎疲勞性能的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為正的混雜效應(yīng),同時,在一定摻量范圍內(nèi),抗彎疲勞性能的改善程度隨混雜纖維摻量的增加而呈遞增的趨勢。根據(jù)試驗結(jié)果得到混雜纖維增強混凝土的疲勞壽命方程如下:{S=A-BlgΝA=0.901+10.8Vcf+2.78VpfB=0.064+1.24Vcf+0.276Vpf(9)?????S=A?BlgNA=0.901+10.8Vcf+2.78VpfB=0.064+1.24Vcf+0.276Vpf(9)式中,Vcf、Vpf分別為碳纖維和聚丙烯纖維的體積百分率。TarigAhmed等進(jìn)行了16片梁的疲勞試驗,其中8片梁的混凝土進(jìn)行了堿性硅酸鹽反應(yīng)處理,另外8片梁為普通混凝土梁,對試驗結(jié)果進(jìn)行比較,分析堿性硅酸鹽反應(yīng)對混凝土梁疲勞性能的影響,試驗結(jié)果表明,堿性硅酸鹽反應(yīng)可以顯著地增強梁的抗剪性能,同時可以增加梁的壽命。由此可見,材料對鋼筋混凝土梁的疲勞性能影響是非常大的,在混凝土材料中加入摻合料或進(jìn)行一些處理可以顯著地提高鋼筋混凝土梁的疲勞性能,所以當(dāng)結(jié)構(gòu)對疲勞性能要求比較高時,從材料層面上著手不失為比較好的方法。3.2不同結(jié)構(gòu)形式對梁的疲勞性能的影響3.2.1梁的撓度與梁的疲勞強度預(yù)應(yīng)力混凝土梁包括全預(yù)應(yīng)力混凝土梁和部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁。研究表明:對于全預(yù)應(yīng)力混凝土梁(即截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況),疲勞荷載對其疲勞性能影響很小,主要表現(xiàn)在對變形的影響很小;而對于不允許出現(xiàn)裂縫和允許出現(xiàn)裂縫的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁,疲勞荷載對其變形有明顯的影響。影響疲勞荷載作用下變形增加的主要因素是截面的應(yīng)力狀態(tài),即截面下邊緣拉應(yīng)力的情況。定義預(yù)應(yīng)力度λ來反映該項影響:λ=Μ0/Μ(10)λ=M0/M(10)式中,M0為截面消壓彎矩,M為使用荷載產(chǎn)生的彎矩。研究結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力度λ越大,梁的撓度增量較小;預(yù)應(yīng)力度λ越小,梁的撓度增量較大,所以對于承受疲勞荷載作用的部分預(yù)應(yīng)力梁,預(yù)應(yīng)力度不宜太低。由于一般的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁都是允許帶裂縫工作的,所以斜裂縫的存在使箍筋的工作處于嚴(yán)峻的情況,很容易發(fā)生疲勞荷載作用下的斜截面受剪破壞。部分學(xué)者的研究表明,部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的破壞過程基本上都是在重復(fù)荷載作用下,梁的內(nèi)力發(fā)生重分布,箍筋應(yīng)力隨荷載作用次數(shù)的增加逐漸增大,受力最大的首先疲勞斷裂,剩余的箍筋和混凝土不足以繼續(xù)承受疲勞上限剪力,最終剩余的箍筋達(dá)到屈服強度而被拉斷,所以,類似于普通鋼筋混凝土梁發(fā)生斜截面疲勞破壞的情況,可以認(rèn)為,部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的斜截面疲勞破壞是由箍筋的疲勞斷裂引起的,第1根箍筋的疲勞斷裂是梁達(dá)到斜截面疲勞極限狀態(tài)的標(biāo)志。A.M.Ozell和E.Ardaman進(jìn)行了8片先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的疲勞試驗,試驗結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力筋的疲勞斷裂是梁疲勞破壞的原因,在疲勞加載的前期,梁的變形很小,但隨著加載次數(shù)的增加,在加載后期梁的撓度有顯著的增大;在疲勞試驗過程中,支座處沒有出現(xiàn)剪切裂縫,說明是梁的正截面疲勞破壞起控制作用。3.2.2混凝土梁的加固剛度和靜載試驗粘鋼加固是一種常用的加固混凝土梁的方法,大量研究已經(jīng)表明,粘鋼加固可以大幅度提高鋼筋混凝土梁的靜載強度,對于其疲勞性能,國內(nèi)外部分學(xué)者也做了許多研究。國內(nèi)其他一些學(xué)者的研究也表明,當(dāng)粘鋼補強方法適當(dāng)時,加固梁較對比梁的疲勞性能有明顯提高,其裂縫產(chǎn)生時間也顯著地延長。在通常情況下,混凝土原梁在重復(fù)荷載作用下,其疲勞破壞均發(fā)生在跨中的純彎段上;而經(jīng)粘鋼補強的加固梁,則常因為梁端剪力區(qū)補強方式不夠妥善,而使疲勞破壞多發(fā)生在梁端附近彎剪作用區(qū),且多在沿45°的主拉應(yīng)力方向。經(jīng)粘鋼補強后的加固梁的剛度都有明顯的提高,混凝土梁正截面加固底部鋼板對加固梁剛度的提高起了主要作用,底部鋼板厚度越大,剛度提高越多。ByungHwanOh等人同樣研究了粘鋼加固鋼筋混凝土梁的靜載和疲勞性能,試驗中考慮了鋼板厚度、錨固層厚度和剪跨比等因素的影響。疲勞試驗的結(jié)果表明,粘鋼加固后梁的疲勞力學(xué)性能有顯著的增強,承受同樣次數(shù)的疲勞荷載后,加固后的梁與未加固的梁相比,其變形有大幅度的下降。通過總結(jié)國內(nèi)外研究結(jié)果可以看到,粘鋼加固對鋼筋混凝土梁疲勞性能影響較大,加固后的梁疲勞性能有顯著的增強,不僅開裂延遲而且疲勞強度也獲得提高。4混凝土梁疲勞性能(1)鋼筋混凝土梁的疲勞破壞形態(tài)主要包括正截面疲勞破壞和斜截面疲勞破壞。決定疲勞破壞形態(tài)的關(guān)鍵因素是配筋率,當(dāng)配筋率小于界限配筋率時為正截面彎拉破壞,當(dāng)配筋率大于界限配筋率時為斜截面剪壓破壞。箍筋對梁的斜截面疲勞性能有顯著的影響,斜向配箍的鋼筋混凝土梁具有較高的疲勞強度。(2)外摻纖維可以顯著地提高混凝土梁的疲勞性能。摻入鋼纖維、聚丙烯纖維的混凝土表現(xiàn)出比普通混凝土更好的疲勞性能,特別是表現(xiàn)在彎曲疲勞性能的提高,但疲勞強度和疲勞壽命的提高程度與纖維的摻量有密切的關(guān)系;當(dāng)同時摻入碳纖維和聚丙烯纖維時,由