盧朝輝，馬義飛, 3，宋力，余志武

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重載鐵路8 m低高度鋼筋混凝土板梁疲勞性能試驗研究

盧朝輝1, 2，馬義飛1, 2, 3，宋力1, 2，余志武1, 2

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2. 中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙，410075；3. 寧夏回族自治區(qū)建設工程質量安全監(jiān)督總站，寧夏銀川，750001)

為深入了解重載列車對既有鐵路8 m低高度鋼筋混凝土板梁疲勞性能的影響，對5根縮尺模型梁進行靜力和等幅疲勞荷載試驗研究。研究結果表明，梁內(nèi)鋼筋發(fā)生疲勞脆斷后試驗梁仍有較高的剩余承載力，且試驗梁純彎段裂縫寬度、混凝土及鋼筋殘余應變隨疲勞作用次數(shù)增加呈“快速變化－緩慢變化”的兩階段變化特征。將本次試驗及文獻中的試驗數(shù)據(jù)與國內(nèi)外已有變形鋼筋疲勞S?N曲線進行對比分析，進而提出更具參考價值的鋼筋疲勞S?N曲線。

重載鐵路；鋼筋混凝土板梁；疲勞試驗；疲勞壽命

繼“客運高速”之后，“貨運重載”將成為我國貨運鐵路發(fā)展新方向。既有鐵路開行大軸重重載列車后，作用在鐵路橋梁上的荷載及其頻次將會大幅提高，將對既有鐵路橋梁的疲勞性能產(chǎn)生巨大的不利影響，對既有鐵路普通混凝土橋梁的影響尤為嚴重[1?3]。因此，對重載列車作用下既有鐵路普通混凝土橋梁的疲勞性能展開研究具有重要意義。針對鋼筋混凝土結構的疲勞問題，國內(nèi)外進行了大量研究。文獻[4]通過對11片鋼筋混凝土試件的疲勞性能試驗，研究了裂縫發(fā)展、跨中撓度、鋼筋應變與疲勞荷載的關系，最后通過試驗數(shù)據(jù)得到了鋼筋混凝土梁的S?N曲線；文獻[5]通過對配有新Ⅲ級鋼的高強混凝土簡支梁的靜載和等幅疲勞試驗，分析研究了受彎構件的疲勞性能，給出了壓區(qū)混凝土應力，縱向受拉鋼筋應力的計算方法及鋼筋的疲勞強度設計值；文獻[6]進行了鋼筋混凝土梁在空氣環(huán)境、淡水環(huán)境和鹽水環(huán)境中的疲勞試驗，研究了反復荷載作用下3種環(huán)境中梁的變形發(fā)展過程和疲勞壽命；文獻[7]通過12片1:6縮尺模型梁的疲勞試驗，研究了重載鐵路橋梁疲勞破壞形態(tài)、振幅、剛度、非預應力筋及預應力筋應變和混凝土應變隨重復荷載次數(shù)的變化規(guī)律；文獻[8]分別制作了3片矩形截面梁和3片T形截面梁，通過試驗研究了鋼筋配筋率、截面形狀和鋼筋應力對鋼筋混凝土構件疲勞性能的影響?？梢姡延醒芯慷际轻槍Σ煌r下矩形、T型等截面形式梁展開，對低高度板梁的疲勞性能研究則較少，對重載列車作用下低高度板梁疲勞性能的研究更少。本文作者通過5片1:2縮尺模型梁的靜力和疲勞性能試驗，研究了重載列車作用下低高度板梁的疲勞開裂性及疲勞損傷規(guī)律，并結合已有的試驗數(shù)據(jù)對國內(nèi)外變形鋼筋疲勞S?N曲線進行了對比分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計

以朔黃鐵路8 m低高度鋼筋混凝土板梁為原型梁(標準圖號為叁標橋1024)，按1:2的相似比設計了5根梁，其中1根用于靜載試驗，其余4根用于疲勞試驗。5根梁的設計參數(shù)相同，其中混凝土強度等級為C35(抗壓強度實測值為31.8 MPa，彈性模量實測值為3.2×104MPa)，縱向鋼筋采用8根直徑為25 mm的HRB335級鋼筋(實測屈服強度為412 MPa，極限抗拉強度為580 MPa)，箍筋采用直徑為8 mm的HPB235級鋼筋(實測屈服強度為291 MPa，極限抗拉強度為416 MPa)，純彎段內(nèi)箍筋間距為150 mm，純彎段外箍筋間距為100 mm，梁側混凝土保護層厚度為7 mm。試件尺寸及截面配筋布置如圖1所示。

單位：mm

單位：mm

(a) 加載示意圖；(b) 加載裝置

圖2試驗梁加載裝置

Fig. 2 Fatigue experimental setup of test beams

1.2 試驗方法

試驗梁采用四分點加載(圖2)。疲勞試驗在中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室PMS?500數(shù)顯式脈動試驗機上進行。試驗前，預先在試驗梁跨中位置混凝土上表面、側面(圖3)及跨中截面受拉主筋上粘貼電阻應變片，采用江蘇東華測試技術有限公司生產(chǎn)的DH?3820應變采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。試驗中通過在梁兩端支撐處、加載點和跨中部位布置位移計進行撓度測量。

疲勞試驗中，疲勞下限值min依據(jù)相似比按照“恒載作用下梁跨中截面主筋應力相等”原則確定。min=23.456+0.25y?m=67.397?m=45.4(其中y為原型梁自重，m為試驗梁自重)。疲勞上限值max依據(jù)相似比按照“恒活載共同作用下橋梁跨中截面主筋應力相等”原則確定。為了研究列車軸重對橋梁疲勞性能影響，活載取為列車荷載引起橋梁跨中截面最大荷載效應對應的等效集中荷載。疲勞試驗主要參數(shù)見表1。

單位：mm

表1 疲勞試驗主要參數(shù)

注：u為試驗梁的極限荷載。

1.3 試驗加載方案

靜力試驗采用單調(diào)分級加載，正式加載前進行預加載，預載分3級進行，每級取開裂荷載的15%，每加(卸)一級，停歇10 min。正式靜力加載時，每級荷載取計算開裂荷載的20%，加載至計算開裂荷載和屈服荷載前適當加密。疲勞試驗采用正弦波加載，正式試驗前，先分五級逐級加載至疲勞荷載上限后再卸載，如此反復預加載2次后，正式開始疲勞試驗。疲勞加載頻率為3 Hz，疲勞試驗過程中每循環(huán)加載一定次數(shù)后停機進行靜力加載，獲取試件的荷載?撓度曲線和混凝土及鋼筋的荷載?應變關系曲線。靜力加載時，以疲勞荷載上限作為靜力加載的最大值。

2 試驗結果及分析

2.1 靜載試驗結果

試驗梁靜載破壞形態(tài)如圖4所示，試驗梁靜載破壞形態(tài)表明試驗梁破壞始于受拉鋼筋屈服，然后加載點內(nèi)側混凝土壓碎，屬于適筋梁破壞，說明試驗梁配筋設計合適。根據(jù)試驗梁靜載試驗破壞形態(tài)確定試驗梁的開裂荷載為67 kN，極限荷載為440 kN。試驗梁靜載試驗荷載?跨中撓度曲線如圖5所示。

圖4 靜載破壞形態(tài)

圖5 靜載試驗荷載?跨中撓度曲線

2.2 疲勞試驗結果及分析

2.2.1 疲勞破壞形態(tài)

試驗梁疲勞破壞形態(tài)如圖6所示，試驗梁疲勞破壞特征為試驗梁疲勞破壞前沒有明顯征兆，隨著繼續(xù)疲勞加載，縱向受拉鋼筋發(fā)生突然斷裂進而試驗梁破壞。由于斷裂鋼筋斷口處沒有頸縮現(xiàn)象，因此試驗梁為疲勞脆性破壞。整個疲勞試驗過程中，試驗梁翼緣較短一側裂縫開展程度明顯比翼緣較長一側嚴重，且位于翼緣短側靠近梁底邊緣處的7號或8號鋼筋最先發(fā)生疲勞脆斷。鋼筋發(fā)生疲勞脆斷后，試驗梁的剛度有較大幅度下降，但仍有較高的承載力，若繼續(xù)循環(huán)加載，循環(huán)加載10萬次左右后，梁底鋼筋逐漸全部脆斷，試驗梁完全喪失承載能力。F1和F2梁的疲勞破壞發(fā)生在梁跨中位置，F(xiàn)3梁的疲勞破壞發(fā)生在純彎段內(nèi)側距加載點20 cm處，F(xiàn)4梁鋼筋脆斷的位置在純彎段外側矩加載點55 cm處。

(a) 梁側破壞形態(tài)；(b) 鋼筋脆斷形態(tài)

2.2.2 試驗梁純彎段裂縫分布

試驗梁純彎段裂縫分布如圖7所示。試驗梁疲勞裂縫發(fā)展及分布表明，疲勞下限相同的情況下，疲勞上限不但影響裂縫出現(xiàn)的時間和初始寬度，試驗梁最終疲勞破壞時梁側裂縫分布也不一致。一般地，疲勞上限越大，疲勞破壞時梁側裂縫開展越嚴重(F2梁裂縫開展程度明顯比F4梁的大)。試驗過程中，當梁側裂縫延伸至板梁翼緣底部時，裂縫長度就停止擴展，且裂縫的開展過程在疲勞試驗初期就已基本完成。

(a) F2; (b) F3; (c) F4

疲勞預加載過程中，試驗梁就已經(jīng)處于開裂狀態(tài)，且疲勞荷載上限越大，試驗梁的初始裂縫寬度也越大，F(xiàn)1~F4梁在疲勞上限荷載作用下的初始最大裂縫寬度分別為0.11，0.09，0.078和0.065 mm。試驗梁純彎段裂縫寬度隨疲勞作用次數(shù)的增加呈“先增大后穩(wěn)定”的兩階段變化特征(圖8)，以F2梁為例，疲勞荷載作用前期(0~22萬次)梁側逐漸產(chǎn)生新增裂縫，同時原有裂縫寬度由0.085 mm增至0.11 mm。循環(huán)荷載作用22萬次以后，梁側裂縫寬度和長度基本保持原有狀態(tài)，且梁側不再產(chǎn)生新增裂縫，直至出現(xiàn)鋼筋疲勞脆斷后，鋼筋脆斷部位對應裂縫的長度和寬度瞬時急劇增大。整個疲勞加載過程中，F(xiàn)2梁側沒有產(chǎn)生較大的裂縫(寬度大于0.2 mm)，疲勞破壞前沒有明顯征兆。其他試驗梁裂縫寬度發(fā)展變化規(guī)律與F2梁類似。

圖8 裂縫寬度發(fā)展變化曲線

2.2.3 試驗梁荷載?跨中撓度曲線

疲勞荷載作用下，試驗梁跨中撓度隨疲勞作用次數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。疲勞荷載作用下，試驗梁跨中撓度隨循環(huán)作用次數(shù)的增加逐漸增大，但每次增加的幅度很小，循環(huán)加載至梁即將破壞時，F(xiàn)2，F(xiàn)3和F4試驗梁跨中撓度增幅分別為0.83，0.62和1.05 mm，分別占疲勞作用前撓度的9.3%，7.4%和14.1%。

試驗梁跨中撓度隨疲勞荷載作用次數(shù)增加呈“三階段”變化特征。疲勞荷載作用初期(以F2為例，即疲勞作用20萬次前)，在疲勞荷載作用下，試驗梁混凝土產(chǎn)生微裂紋，并隨著不斷地疲勞加載，微裂紋不斷擴展并延伸，最終由于混凝土的損傷導致試驗梁剛度明顯下降，撓度顯著增大。由于試驗梁高度較低，配筋率較大，因此與其他截面形式梁(如矩形梁、T形梁)相比，試驗梁內(nèi)鋼筋的疲勞損傷對試驗梁剛度的影響更為明顯，表現(xiàn)為疲勞荷載作用初期以后(以F2為例，即疲勞作用20萬次以后)，試驗梁混凝土裂縫的開展已趨于穩(wěn)定，隨著不斷的疲勞加載和試驗梁內(nèi)鋼筋疲勞損傷的逐漸累積，試驗梁的撓度隨疲勞作用次數(shù)的增加呈緩慢增大的變化趨勢。疲勞加載至試驗梁即將破壞前，由于試驗梁內(nèi)個別鋼筋的疲勞損傷累積程度較大，隨著繼續(xù)疲勞加載，其疲勞損傷速率加快，導致最后階段試驗梁的撓度下降程度又有所增加。

(a) F4梁荷載?跨中撓度曲線；(b) 跨中撓度隨疲勞作用次數(shù)變化曲線

相同的疲勞作用次數(shù)下，不同水平的疲勞循環(huán)荷載引起試驗梁混凝土及鋼筋的疲勞損傷程度是不一樣的，一般地，與較低水平的疲勞循環(huán)荷載相比，試驗梁在較高水平的疲勞循環(huán)荷載作用下，在疲勞荷載作用初期，其剛度下降程度相對較大，而在疲勞荷載作用中后期其剛度下降程度則相對緩慢。

2.2.4 試驗梁荷載?鋼筋應變曲線

2.2.5 試驗梁荷載?混凝土應變曲線

疲勞荷載作用下，試驗梁荷載?混凝土應變曲線如圖11所示，混凝土壓應變曲線向著殘余應變增大的方向移動，大致呈“疏?密”兩階段變化規(guī)律。以F3梁為例，疲勞作用0~20萬次混凝土殘余應變變化較大，說明該階段混凝土內(nèi)部微裂縫的萌生和擴展對梁剛度影響較大；疲勞作用20萬次以后，混凝土殘余應變逐漸增大，但增加幅度很小，說明該階段試驗梁疲勞損傷處于緩慢變化的過程。整個疲勞試驗過程中，試驗梁不同部位荷載?混凝土應變曲線的斜率基本一致，沒有明顯變化，說明疲勞荷載作用下，試驗梁中性軸位置沒有發(fā)生 改變。

(a) F1; (b) F2; (c) F4

(a) F2梁中應變片1-1；(b) F2梁中應變片1-2；(c) F2梁中應變片2-1；(d) F2梁中應變片2-2；(e) F3梁中應變片1-1；(f) F3梁中應變片1-2；(g) F3梁中應變片2-1；(h) F3梁中應變片2-2

2.2.6 試驗梁混凝土及鋼筋應變幅發(fā)展變化曲線

混凝土應變幅隨疲勞作用次數(shù)的變化規(guī)律與撓度的變化規(guī)律基本一致(圖12)：疲勞開始階段增長較快，中間階段增長緩慢，最后疲勞加載至試驗梁即將破壞前增長程度又有所增加。

(a) F2梁；(b) F3梁

試驗實測數(shù)據(jù)表明，疲勞反復荷載作用下，試驗梁內(nèi)各主筋應力之間存在較大差異，一般靠近翼緣短側的1~2根鋼筋最先疲勞脆斷。以F4梁為例，疲勞反復荷載作用下，鋼筋應變幅發(fā)展變化曲線如圖13所示，試驗梁疲勞損傷演化過程中，7號鋼筋(靠近翼緣短側第二根鋼筋)的應變幅始終較大，隨著疲勞作用次數(shù)的增加，其應變幅呈先緩慢增大，后快速增大的變化趨勢，并最早發(fā)生疲勞脆斷，而其他鋼筋應變幅隨疲勞作用次數(shù)的增加呈先快速增大后緩慢增大的變化趨勢。這說明了試驗梁的疲勞壽命是由梁內(nèi)應變幅較大的個別鋼筋主導，而其他鋼筋在試驗梁發(fā)生疲勞破壞時仍未產(chǎn)生顯著的疲勞損傷，即仍有較高的疲勞壽命，這也是為什么試驗梁在個別鋼筋發(fā)生脆斷后仍有較高剩余承載力的原因。

圖13 F4梁鋼筋應變幅發(fā)展變化曲線

3 疲勞壽命分析

鋼筋混凝土結構的抗彎疲勞破壞始于梁內(nèi)普通鋼筋的疲勞脆性斷裂[9?12]。普通鋼筋在生產(chǎn)和軋制過程中會產(chǎn)生不同程度初始損傷，在疲勞荷載作用下，鋼筋的初始損傷會逐步擴展并不斷累積，最后當鋼筋有效斷面應力超過其極限應力時，鋼筋發(fā)生脆性斷裂。通常用以應力幅為參數(shù)的S?N曲線處理鋼筋的疲勞壽命問題[13]，其在雙對數(shù)坐標系中的表達式為

式中：為疲勞失效時的循環(huán)次數(shù)；和為與材料性能、試件尺寸、形狀有關的常數(shù)；為疲勞荷載作用下產(chǎn)生的鋼筋應力幅。

為了預防鋼筋混凝土結構過早的發(fā)生疲勞破壞和準確的預測其剩余疲勞壽命，國內(nèi)外學者進行了大量的相關試驗研究，并通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合得到了鋼筋疲勞S?N曲線。但是目前已有的這些S?N曲線都是在特定的試驗條件下得到的，如試件制作都使用同一批次的鋼筋，采用相同的澆筑工藝及養(yǎng)護條件等，這使得通過對單一試驗數(shù)據(jù)擬合出的S?N曲線具有一定的局限性，且不同文獻提出的S?N曲線的計算結果之間存在較大的差異。

對于電力企業(yè)而言，應包括自然環(huán)境資產(chǎn)和人工環(huán)境資產(chǎn)，特指在電能的開發(fā)使用過程中，為了達到降低碳排放量的目的，從而為電力企業(yè)購置的儀器、設備、原材料以及相應的無形低碳資產(chǎn)。

表2 國內(nèi)外變形鋼筋S?N曲線

將本文各試驗梁中最先發(fā)生脆斷鋼筋的實測應力幅和疲勞壽命數(shù)據(jù)及從文獻[5, 10?12]中搜集到的共23組試驗數(shù)據(jù)與國內(nèi)外具有代表性的變形鋼筋S?N曲線(表2)進行對比分析，對比結果如圖14所示。對比結果表明：文獻[15]提出的S?N曲線與23組試驗數(shù)據(jù)的吻合程度相對較好，且能夠反映試驗數(shù)據(jù)的整體變化趨勢，而其他S?N曲線只是在某一區(qū)段內(nèi)的計算結果與試驗數(shù)據(jù)較接近，但曲線的延伸方向與試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢存在較大差異。

圖14 變形鋼筋S?N曲線對比

4 結論

1) 試驗梁純彎段裂縫發(fā)展隨疲勞作用次數(shù)的增加呈“兩階段”變化特征。試驗梁裂縫的長度和寬度在疲勞試驗初期已基本完成，然后趨于穩(wěn)定，之后隨著疲勞作用次數(shù)的增加裂縫長度和寬度基本不再 變化。

2) 疲勞試驗過程中，試驗梁剛度隨疲勞作用次數(shù)的增加始終呈下降趨勢并表現(xiàn)為“快速?緩慢?稍快”三階段下降特征；由于試驗梁底層鋼筋沿橫向分布較寬及梁截面形狀的不對稱性，梁內(nèi)各個鋼筋的疲勞演化過程并不一致，試驗梁的疲勞壽命取決于其中應力幅較大的個別鋼筋，且試驗過程中當發(fā)生鋼筋疲勞脆斷時，試驗梁仍有較高的剩余承載力。

3) 試驗梁上表面混凝土殘余應變隨疲勞作用次數(shù)的增加呈“疏?密”兩階段變化特征；混凝土應變幅的變化規(guī)律與試驗梁撓度的發(fā)展變化規(guī)律基本一致；疲勞試驗過程中，試驗梁中性軸位置不發(fā)生變化。

4) 文獻[15]提出的S?N曲線與23組試驗數(shù)據(jù)的吻合程度相對較好，且能夠反映試驗數(shù)據(jù)的整體變化趨勢。

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(編輯 趙俊)

Experimental study on fatigue behavior of 8 m low-height reinforced concrete plate-girder of heavy-haul railway

LU Zhaohui1, 2, MA Yifei1, 2, 3, SONG Li1, 2, YU Zhiwu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. The Construction Quality & Safety Supervision Center of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 750001, China)

In order to understand the fatigue performance of 8 m low-height reinforced concrete plate-girder under heavy-haul trains, five experimental beams were tested under static load and fatigue load with constant amplitudes. The results indicate that the beams still have high bearing capacity even when brittle fracture of some reinforcements occur. Two distinctive stages, i.e., the rapidly changing stage and the slowly changing stage, were observed for the variation of the cracks width of pure bending section and the residual strain of concrete and reinforcing steel with the increase of the fatigue cycle loads. The studies of the existing S?N curves were compared with the experimental data including the present experiment and published in the references, based on which a new model for the prediction of S?N curve was proposed.

heavy-haul railway; reinforced concrete plate-girder; fatigue experiment; fatigue life

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.09.038

U24

A

1672?7207(2017)09?2550?09

2016?09?30；

2016?12?30

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)；國家自然科學基金資助項目(U1134209，51422814，51278496)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1296)；中南大學“創(chuàng)新驅動計劃”項目(2015CXS014) (Project(2013BAG20B00) supported by National Natural Science and Technology Support Program; Projects(U1134209, 51422814, 51278496) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(IRT1296) supported by the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University; Project(2015CXS014) supported by Grants from the Project of Innovation-driven Plan in Central South University)

余志武，教授，從事鐵路工程結構經(jīng)時行為研究；E-mail: zhwyu@csu.edu.cn