RC混凝土梁疲勞的基本試驗要點分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧穎（天津城投集團天津300381）

RC混凝土梁疲勞的基本試驗要點分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧穎（天津城投集團天津300381）

對碳纖維增強鋼筋混凝土梁疲勞試驗的全過程進行了分析討論，并論證了疲勞試驗在工程應用中的必要性。針對試驗的基本要點，結合試驗模型的受力情況，提出了相關建議。系統研究了試驗在材料組成、構件制作、實驗數據處理等方面的注意事項。結合相關資料制定了操作流程。

鋼筋混凝土梁疲勞試驗操作流程要點分析

0 引言

疲勞力學是建立在實驗基礎上的一門科學。目前對疲勞損傷機理、疲勞強度理論的研究雖然已經取得了許多成果，計算機模擬和其他計算手段也有了革命性的進步，但是試驗仍然是材料和結構疲勞性能研究的基礎和檢驗分析結果的唯一手段。只有模擬真實的荷載及使用環境，對所研究的對象進行實際使用環境下的疲勞性能試驗，才能正確地評價它們的真實疲勞特性，驗證疲勞設計的預期效果。

對于碳纖維（CFS）增強鋼筋混凝土（RC）構件的研究來說，科學、系統的疲勞性能試驗更為重要。目前國內外已經在逐步開始大規模的運用CFS粘貼加固RC構件的技術，但同時對這種增強結構的疲勞性能研究可以說還是剛剛起步，研究成果還相當缺乏。所以進行CFS增強RC構件的疲勞性能試驗對于這項技術進一步的理論研究以及更有效、安全地在實際工程中運用具有至關重要的意義。[1]

1 CFS增強RC構件疲勞試驗工作安排

疲勞性能試驗主要就是研究材料或結構在反復荷載作用下的響應和性能，以及兩者的變化規律；確定研究對象承受疲勞荷載的能力（這主要包括了疲勞極限和疲勞壽命兩個方面）。通常要進行的檢測項目有：設定分級的疲勞荷載水平，檢測試件在不同疲勞荷載水平作用下的疲勞裂縫萌生和發展狀況；設定編制的疲勞荷載譜，檢測在這種疲勞荷載譜作用下試件各部分的疲勞響應（包括應力、應變、撓度等）；記錄在不同的荷載水平下各試件在達到某些指定的損傷狀態時所經歷的疲勞荷載循環次數等。[2]

該類型疲勞試驗的試驗目的主要是研究在常幅疲勞荷載作用下CFS增強RC構件的疲勞性能，應進行以下的試驗工作：

①進行材料性能試驗。測定制作試件用的鋼筋、混凝土和碳纖維薄板（CFS）的材料參數。

②設計疲勞試驗，并根據此次疲勞試驗研究的要求設計制作CFS增強RC構件，調試準備電液伺服疲勞試驗機和應變信號動態采集與分析系統。

③分別對無增強的RC構件和粘貼CFS薄板增強的RC構件進行準靜態試驗，得出兩者的靜載結構性能數據。

④進行常幅疲勞荷載作用下的CFS增強RC構件的疲勞性能試驗。測定各種有用和有效的數據。

⑤疲勞數據初步整理。為構件疲勞性能分析做準備。由于在試驗中是不間斷地對荷載、撓度、多個部位的應變等數據進行高頻率采集記錄，故得到的原始數據量是相當大的，但顯然其中有很大一部分的細節是可以忽略掉的，所以應對原始記錄的數據進行初步整理。

2 疲勞試驗設計

試件組成材料：CFS增強RC構件包括混凝土、鋼筋、碳纖維薄板（CFS）和粘結劑4個組成部分。每個部分的力學性能都直接影響到增強構件整體的疲勞性能，因此，有必要對它們進行材料性能試驗以測定其材料力學參數。

2.1 試件設計與制備

設計三點彎曲試件尺寸時，一方面要考慮到試驗條件，特別是疲勞試驗儀器的限制；另一方面參考了其他相關試驗中的試件尺寸。梁的配筋設計主要是考慮加載設備的量程范圍，并要求設計的配筋是適筋情況。

2.2 試件養護

由于受試件尺寸和重量的限制，養護采用的是自然養護，即在養護室自然穩定的條件下，用麻袋將混凝土試件覆蓋，并澆水保持試件濕潤。養護28 d后移出養護室晾干。

2.3 CFS粘貼增強

試驗在試驗梁的底部受彎拉區域粘貼CFS，碳纖維方向為沿試驗梁的縱向。加固粘貼方法為：①對RC試驗梁的粘貼表面進行處理，使之平整、潔凈；②將粘結劑均勻地涂抹在粘貼表面，厚度為0.5mm左右；③將CFS薄板貼于粘貼表面上，壓實，檢驗確保粘貼界面無空洞、氣泡后，用加壓工具固定、加壓。常溫下固化，48～72 h即可達到設計強度。

2.4 加載方式

最常見的兩種加載方式為三點彎曲加載和四點彎曲加載。三點彎曲的疲勞狀態與實橋構件的疲勞狀態更為接近。若采用三點彎曲疲勞試驗方法，按照《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTJ 012-1994）規定，重車軸載與標準軸載對剛性路面（混凝土路面）作用產生的疲勞損傷程度換算為16次方的關系，即等效換算系數為F=（P重/P標）16。相對而言，后軸荷載對橋梁鋼筋混凝土結構的疲勞損傷會遠遠大于前軸荷載引起的疲勞損傷。[3]

3 疲勞試驗數據檢測

對于疲勞試驗數據的檢測、記錄，主要分為兩種形式：一種是疲勞試驗進行過程中的實時檢測和記錄，這些數據是動態記錄的，主要包括荷載、跨中撓度數據以及各點的應變數據；另一種是在疲勞試驗短停和完全結束（包括試件破壞和加載次數達到200萬次而試件沒有破壞的兩種情況）時進行的檢測和記錄，這些數據是靜態或者準靜態測量和記錄的，主要是裂縫的發展情況。

在三點彎曲作用下，試件梁的跨中截面是結構的控制截面。因此應主要檢測試件跨中的各點應變。同時應根據混凝土、鋼筋、碳纖維的特性，選用不同的應變片。裂縫寬度測量主要使用裂縫讀數、顯微鏡人工讀數，試驗過程中還需測量每根試件的裂縫間距。

4 試驗操作流程

在所有試件的制備和儀器的準備、調試工作做好之后，即可以進入正式的疲勞試驗了。在疲勞試驗過程中，為了規范化試驗操作，有利于試驗的科學、安全、穩定進行，疲勞試驗操作流程如圖1所示：[4]

圖1 疲勞試驗流程圖

5 小結

本文深入介紹了CFS增強RC構件的疲勞性能試驗，包括了試驗的設計、準備工作以及初步的試驗結果整理和分析。選擇和設計了疲勞試驗的加載方式、數據采集系統以及疲勞試驗的操作流程；對試件試驗結果的數據檢測進行了初步研究分析，提出了對疲勞試驗過程中構件的跨中撓度變化進行主要跟蹤的試驗思路，并且應密切關注裂縫間距，以及在試驗過程中裂縫的擴展情況。本文的研究成果可以為CFS增強RC構件的疲勞損傷試驗提供相關的理論借鑒。■

[1]吳春秋，侯建國，戴曉艷.碳纖維片材加固混凝土梁中粘結界面應力的有限元分析[J].四川建筑科學研究，2004（1）：41-43.

[2]王文煒，趙國藩.玻璃纖維布加固的鋼筋混凝土梁撓度計算[J].四川建筑科學研究，2004（3）：33-36.

[3]孫建敏，趙曉華.考慮二次加載時碳纖維布加固混凝土梁撓度的簡化計算方法[J].四川建筑科學研究，2004（3）：50-52.

[4]曾祥蓉，江世永，陳進，等.不卸載時預應力碳纖維布加固混凝土梁有限元分析[J].四川建筑科學研究，2005（3）：60-62.

2011-03-09