華建民,鄒小波,王劍越,曹 暉,李正良

(重慶大學a.土木工程學院;b.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室,重慶 400045)

高速鐵路復雜箱形截面預應力混凝土梁疲勞性能試驗研究

華建民a,b,鄒小波a,王劍越a,曹 暉a,b,李正良a,b

(重慶大學a.土木工程學院;b.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室,重慶 400045)

以武廣高鐵武漢站36 m跨復雜箱形截面預應力混凝土簡支梁為原型,制作4個1/6縮尺模型,其中1個模型加入13%的高分子聚合物膠乳,通過靜力試驗和疲勞試驗,考察了復雜箱梁在正常使用和超過設計值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及聚合物對箱梁疲勞性能的影響。試驗結果表明,根據(jù)運營階段箱梁控制截面底部的最大和最小應力值確定的加載幅值作用下,200萬次加載后表明模型的疲勞壽命滿足要求,并且對后期高幅值加載下的疲勞性能沒有影響,聚合物的加入對模型的疲勞性能沒有負面影響。

疲勞;復雜箱梁;縮尺模型;聚合物

鋼筋混凝土構件在循環(huán)荷載作用下的疲勞性能一直是研究者關注的問題。各國學者對規(guī)則截面(矩形或者T形)鋼筋混凝土梁的疲勞性能做了大量的試驗研究。李秀芬等[1]通過對11片混凝土簡支梁的靜載和等幅疲勞荷載試驗,分析研究了受彎構件的疲勞特性,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,并提出了高強混凝土受彎構件在等幅疲勞荷載作用下正截面疲勞設計方法。羅許國[2]、宋旭明[3]等對摻有高性能粉煤灰的混凝土鐵路橋梁和粉煤灰預應力混凝土梁在重復荷載作用下的疲勞性能進行了研究。李子奇[4]、童谷生[5]、呂宏奎[6]、Heffernan[7]、Larson[8]等對碳纖維布增強的鋼筋混凝土梁的疲勞性能進行了研究,表明碳纖維布可以較大地提高鋼筋混凝土梁的疲勞性能?？讘椡綶9]、吳云泉[10]在討論混凝土疲勞壽命概率分布的基礎上,進行了載荷與壽命關系的試驗研究,得到了P-S-N曲線。馮秀峰和宋玉普[11-12]研究了隨機變幅疲勞荷載下預應力混凝土梁的疲勞壽命疲勞和疲勞荷載作用下預應力混凝土梁中鋼筋應力的重分布。Roller和Russell[13]最近進行了預應力高強度混凝土梁的疲勞試驗。Konstantinos等[14]對鋼纖維布增強的混凝土構件的疲勞性能進行了研究,表明鋼纖維布能顯著地提高混凝土構件的疲勞性能。

上述已有的疲勞試驗采用的構件截面規(guī)則,配筋簡單。高速鐵路復線橋梁的截面一般都非常復雜,加之高速運營的列車,給鐵路橋梁的疲勞性能帶來了新的問題。該文以武廣高鐵武漢站鐵路橋的復雜截面箱梁為原型,進行大比例縮尺模型的疲勞試驗,考察箱梁在正常使用和超過設計值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及為增大阻尼添加高分子聚合物對混凝土疲勞性能的影響。

1 試驗模型

武廣高鐵武漢站鐵路橋為10條復線橋,每條復線除中間3跨為剛構外,其余均為箱形預應力簡支梁。箱梁跨度36 m,寬15.5 m,高5.08m?？缰械湫徒孛鏋閱蜗?室(即5個孔洞),上部為槽形(中部為復線軌道,兩側為站臺),底部為圓弧形,見圖1。靠近支座部分截面孔洞逐漸變小,截面底部從圓弧逐漸變平。

圖1 預應力混凝土箱梁圖

以該箱梁為原型,制作1/6模型4個,其中1個用于靜載試驗,編號為S-1;其余3個進行疲勞試驗,編號分別為F-1、F-2和F-3。模型在幾何形狀上盡量與原型保持一致,但為了減小制作難度,在支座部分進行了局部簡化。4個模型混凝土的配比與原型一樣為C50,其中F-3另外添加羧基丁苯膠乳(聚灰比為0.13)。模型的普通鋼筋采用直徑為8mm的Q235級光圓鋼筋,預應力鋼絞線采用抗拉強度標準值為fptk=1 860 MPa,公稱直徑為15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線。模型跨中截面如圖2所示。

F-3在拆模后,下部圓弧部分靠近底部兩側各約10 cm寬度范圍的混凝土沿縱向脫空,支座部分混凝土也有少量空洞,后經(jīng)修補進行試驗。

2 試驗方案

靜載試驗采用10個20 t油壓千斤頂加載。疲勞試驗采用MTS疲勞試驗機,由硬件集裝箱和系統(tǒng)軟件FlexTest GT 2部分組成,可實現(xiàn)加載和監(jiān)控的自動化。

靜載和疲勞試驗均采用三分點加載的方案,通過橫向和縱向分配梁將作動器施加的荷載傳遞到模型長度的三分點位置,見圖3。圖中還示意了測試撓度的百分表布置。

圖3 模型梁加載位置和百分表布置

模型的頂部和底部均布置混凝土應變片,底部縱向普通鋼筋上布置鋼筋應變片。鋼筋和混凝土的應變和模型的撓度等數(shù)據(jù)均通過動態(tài)測試分析系統(tǒng)3560-D、應變數(shù)據(jù)采集箱YE2902和程控靜態(tài)應變儀YE2530T自動高速采集和儲存,采樣頻率可達10 kH z。

F-1采用超過設計荷載,即0.5倍極限承載力為加載幅值的上限。F-2分2階段進行疲勞試驗。第1階段試驗用于研究箱梁在正常使用情況下的疲勞性能,為了模擬箱梁的實際受力且考慮試驗的方便,加載幅值的取值根據(jù)運營階段箱梁控制截面底部的最大和最小應力值來確定,加載次數(shù)為200萬次;第2階段試驗的加載幅值同F(xiàn)-1,考察前期低幅值加載對后期高幅值加載疲勞性能的影響。F-3的加載幅值同F(xiàn)-1,考察為了增大結構阻尼而在混凝土中摻入聚合物后箱梁的疲勞性能。

S-1的荷載從0級開始,以10 t為1級分級加載至極限荷載140 t(計算值),靠近估計的開裂荷載(60 t)前荷載級數(shù)適當加密以觀察受拉區(qū)混凝土應變的發(fā)展;截面開裂后,在每一加載間隔內(nèi)借助放大鏡量測裂縫寬度和長度。

F-1、F-2和F-3的疲勞加載幅值和加載頻率見表1。

表1 疲勞加載幅值和加載頻率

3 試驗現(xiàn)象和結果

S-1的破壞屬于受彎破壞,由該靜載試驗的結果可以得到其余模型的極限荷載和開裂荷載的參考值。當荷載加到60 t時,裂縫開始出現(xiàn),主要集中在模型底部加載點所對應的區(qū)域;當荷載增加至147 t時,模型變形突然加大,下表面混凝土持續(xù)掉落,荷載無法繼續(xù)增加。因此確定模型的極限承載力為147 t。

F-2在0～45 t靜載循環(huán)后,沒有裂縫出現(xiàn),接著以0～45 t的低幅值加載200萬次后,模型的基頻和撓度與疲勞試驗前相比,基本上沒有變化。

F-1和F-3在疲勞試驗的前20萬次加載中裂縫的長度沒有發(fā)展,寬度的增量也比較小;20萬次到50萬次加載之間,除裂縫的寬度和長度均有所增加外,數(shù)量也相應增加,受拉區(qū)混凝土以粉末狀不斷脫落;最后混凝土剝落處的普通鋼筋發(fā)生斷裂,模型疲勞破壞。F-2的第2階段試驗,即高幅值加載下,裂縫的發(fā)展和撓度的變化情況與F-1和F-3類似。各模型疲勞試驗結果如表2所示。由于F-3存在缺陷,后面的分析將其結果作為參考。

表2 模型疲勞試驗結果

4 結果分析

4.1 靜載試驗分析

圖4為S-1跨中截面普通縱向鋼筋應變值隨荷載的變化曲線。由圖可知,當荷載小于65 t時,鋼筋的應變增長平緩,應變和荷載近似呈線性關系,模型在這個階段處于線性工作狀態(tài)。當荷載超過 65 t后,受拉區(qū)混凝土開裂,中性軸上移,模型上表面壓區(qū)混凝土線應變增幅加大,普通鋼筋應變值陡增。此后,隨荷載的增加鋼筋的應變增幅比65 t以前大得多。

圖4 S-1跨中截面普通縱向鋼筋應變曲線

4.2 疲勞試驗分析

4.2.1 正常使用情況下模型疲勞性能分析 圖4為F-2第1階段不同疲勞加載次數(shù)后,靜載循環(huán)中跨中下部普通縱向鋼筋應變曲線。對于全預應力混凝土梁,在比較低的正常使用荷載作用下,混凝土不出現(xiàn)拉應力,截面最大與最小應力之差,即應力幅Δσp=σpmax-σpmin很小(一般30～50MPa),材料的疲勞強度較高。由圖5可見,在各疲勞加載次數(shù)之后,鋼筋應變在靜載循環(huán)內(nèi)的變化趨勢是基本相同的,考慮到構件的抗疲勞性能與荷載水平密切相關,試驗結果說明保持模型為全預應力狀態(tài)的低幅值疲勞加載對模型受力性能的影響很小。

圖6為在第1階段50萬次和第2階段50萬次疲勞加載后,0～45 t靜載循環(huán)下F-2的撓度對比。在加載次數(shù)相同的情況下,高幅值加載比低幅值加載導致模型的疲勞損傷大得多,表現(xiàn)為相同靜載下?lián)隙雀?并且隨荷載的增加撓度增加的幅度更大。頻率識別的結果也顯示,高幅值加載后模型的基頻降低,而低幅值加載下模型的基頻基本保持不變。因此,箱梁在正常使用情況下,其疲勞壽命滿足設計的要求。

圖5 F-2各靜載循環(huán)中縱向鋼筋應變曲線

圖6 F-2不同幅值50萬次加載后靜載循環(huán)中撓度隨荷載變化曲線

4.2.2 高幅值加載下模型的疲勞性能分析 圖7是不同加載次數(shù)后靜載循環(huán)中F-1跨中撓度隨荷載變化的曲線?？梢?隨疲勞次數(shù)的增加,相同靜載下跨中撓度相應變大,但50萬次內(nèi)撓度變化趨勢大概一致。臨近破壞時,模型的撓度增加很快。

圖7 F-1各靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化曲線

圖8是F-3在不同加載次數(shù)后靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化的曲線。在40萬次內(nèi),不同加載次數(shù)下的撓度變化趨勢基本相同。隨著疲勞次數(shù)的增加,撓度的變化趨勢同F(xiàn)-1。

4.2.3 對比分析 圖9為F-1、F-2和F-3模型在荷載幅值為10～75 t,50萬次加載后靜載循環(huán)中跨中上表面混凝土應變對比情況。通過圖9可以看到,無論是加聚合物的模型F-3還是經(jīng)過200萬次低幅值疲勞加載后的模型F-2,在高幅值加載50萬次后,模型上表面混凝土應變在一次靜載循環(huán)內(nèi)的曲線基本一致。另外對比圖7和圖8可知,F-1和F-3在各靜載循環(huán)中撓度隨荷載變化基本一致。

圖8 F-3各靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化曲線

圖9 靜載循環(huán)中跨中上表面混凝土應變對比

圖10為疲勞破壞以后,3個模型在靜載循環(huán)中跨中撓度的對比?？梢?F-1和F-2的撓度曲線非常接近。F-3的變形要小一些,說明其破壞后的剛度比其余2個模型更好。

圖10 疲勞破壞后靜載循環(huán)中跨中撓度對比

表1給出的各模型的疲勞壽命雖然有差異,特別是F-3比F-1的疲勞次數(shù)少了近15萬次,但考慮到F-3存在缺陷,再結合以上分析可以說明,加了聚合物的模型與普通混凝土模型的疲勞性能沒有大的區(qū)別。試驗摻加的羧基丁苯膠乳聚合物是一種高分子材料,它的摻入改變了普通混凝土的內(nèi)部結構,在混凝土內(nèi)部形成互穿網(wǎng)絡結構,破壞了原有的無機物體系之間的離子鍵,而在一定的摻量下所加入的聚合物與無機物體系間所形成的離子鍵、氫鍵、范德華力及互交網(wǎng)絡結構力尚不足以彌補所損失的鍵力,通常使抗壓強度和彈性模量有一定程度的下降。但在構件開裂后,摻加聚合物后梁的裂縫發(fā)展更均勻,構件位移更小。同時,聚合物的摻加可以提高混凝土的阻尼性能,快速耗散外部施加的振動能量。

通過表1看出,F-1和F-2的疲勞次數(shù)差別不大,再通過上述對比分析說明,經(jīng)過200萬次低幅值疲勞加載,模型的疲勞性能沒有受到影響。

5 結 論

論文通過4個模型靜力試驗和疲勞試驗,考察了復雜箱形截面預應力混凝土簡支梁在正常使用和超過設計值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及聚合物摻加對箱梁疲勞性能的影響,得出結論如下：

1)由模型的2階段疲勞試驗結果可知：加載中保持模型在全預應力狀態(tài),模型不會疲勞破壞,箱梁原型在正常使用情況下疲勞性能滿足設計要求;全預應力狀態(tài)下的200萬次循環(huán)加載對后期高幅值加載下模型的疲勞性能沒有影響。

2)對比普通混凝土和聚合物混凝土模型的疲勞試驗結果,可知聚合物的添加對模型的疲勞壽命沒有負面影響。

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(編輯 胡英奎)

Experimental Analysisof Bending Fatigue Behavior of Prestressed Concrete Girderswith Complex Box-type Section Used in High-speed Railway

HUAJian-mina,b,ZOUXiao-boa,WANGJian-yuea,CAOHuia,b,LIZheng-lianga,b

(a.School of Civil Engineering;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain A rea of Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China)

Based on a prestressed concrete girderwith com plex box-type section of36m span,fourm odels of 1/6 scale are m ade,and one of them is m ixed w ith a kind of polymer latex.Experim ents w ith monotonically and cyclically loading are carried out on themodels to study bending fatigue behavior of the girder in service and under cyclic load exceeding the designed value,as well as the impact of po lymer on fatigue perform ance of the girder.The results show that,under the cyclic load of value determ ined by the maxim um and minimum stress at the key part of the girder in service,the fatigue performance is satisfactory and the fatigue behavior under a subsequent larger cyclic load is sim ilarw ith that one under the same big cyclic load.Besides,the polymer has no negative effect on fatigue behavior of them odel.

fatigue;box-type girder w ith comp lex section;reduced scalem odel;po lymer latex

U448.13

A

1674-4764(2011)03-0008-05

2010-11-02

華建民(1974-),男,博士,主要從事結構工程和施工技術研究,(Email)hjm191@163.com。