鋼筋混凝土板疲勞性能研究

馬志蓮　王曉聰　馬曉晶　趙紅財　常波

【摘 要】鋼筋混凝土橋面板的疲勞破壞是指在重復的交通荷載作用下，在應力未達到材料的極限強度，甚至低于其屈服強度的時候，突然發生的破壞。而材料固有壽命的消耗是結構發生疲勞破壞的本質原因。對于承載反復荷載作用的混凝土板結構，保證結構有足夠的疲勞壽命，在有效使用期間內不會發生破壞，對結構的安全性有非常深遠的意義。

【關鍵字】鋼筋混凝土板；疲勞破壞；影響因素

中圖分類號： TU375.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.035

Study on fatigue performance of reinforced concrete slab

MA Zhi-lian WANG Xiao-cong MA Xiao-jing ZHAO Hong-cai CHANG Bo

（School of civil and hydraulic engineering， ningxia university， Yinchuan Ningxia 750021， China）

【Abstract】the fatigue failure of reinforced concrete bridge slab refers to the failure that occurs suddenly when the stress does not reach the ultimate strength of the material or even lower than its yield strength under repeated traffic load. The consumption of the material's inherent life is the essential reason for the fatigue failure of the structure. For the concrete slab structure bearing repeated loads， it is of profound significance to ensure that the structure has enough fatigue life and will not be damaged during the effective use period.

【Key words】Reinforced concrete plate； Fatigue failure； Influencing factors

0 引言

由于某些因素，例如設計上的缺陷、施工中的質量等問題、環境因素的影響或者使用功能的變更等，現實中很多工程結構的疲勞強度往往會不符合規范標準[1]。而混凝土板疲勞是影響鋼筋混凝土橋梁破壞的重要因素，所以，分析板疲勞性能，即混凝土板是否受損、受損程度、位置，從而預測其疲勞壽命，對此次試驗和以后的混凝土板橋梁的相關研究都有很大的意義。

現如今我國國民經濟高速發展[2]，交通基礎設施建設較多，各種交通工具的使用更加頻繁，導致它們的混凝土路面及相關構件受到的循環荷載作用相對增大，從而使其破壞的進度加快。現階段，我國要求高質量建設。所以，研究影響鋼筋混凝土面板的疲勞特性以及混凝土疲勞壽命的變化規律，討論其安全問題及改善措施等，對現代工程來說很重要。本文研究混凝土疲勞特性的目的主要是為了了解影響混凝土疲勞特性的因素，以便采取措施來提高混凝土結構疲勞壽命、探求反復應力同混凝土疲勞壽命之間存在的定量關系同時建立混凝土的疲勞方程，以便估計混凝土結構的疲勞壽命[3]。

1 荷載與混凝土板變形關系

鋼筋混凝土板承受反復荷載時，其剛度隨循環次數的增加而減少的。對由于混凝土與荷載的關系，分析其中的原因主要有兩個[4]：（1）在反復荷載下，混凝土內部損傷增加，變形逐漸增加，殘余變形的存在導致變形模量的變化，變形模量（E）的下降伴隨著整個疲勞過程；（2）拉區混凝土疲勞開裂及變形模量的變化使中和軸位置發生了變化，從而使構件截面的慣性矩（I）發生變化。下面進行鋼筋混凝土板的應力、應變與荷載循環次數的關系的研究。

混凝土立方體抗壓強度的彈性模量依據公式見1；抗壓強度的計算公式見式2，計算精度約為0.1MPa，其劈裂抗拉強度的計算公式見式1-3，計算精度約為0.01MPa。由公式（2）和公式（3）確定公式（1）中的混凝土強度等級fcu，k，從而得出變形模量。

（1）混凝土立方體抗壓強度的彈性模量依據公式2。

E=（1）

式中：

E——混凝土的彈性模量

fcu，k——混凝土的強度等級

（2）100mm×100mm×100mm非標準試件抗壓強度（8）：

fcu=0.95（2）

式中：

fcu——混凝土立方體抗壓強度（MPa）

E——壓力最大荷載（N）

A——試件受壓面積（mm2）

（3）100mm×100mm×100mm非標準試件劈裂抗拉強度（3）：

fts=0.85=0.541（3）

式中：

fts——混凝土立方體劈裂抗拉強度（MPa）F——壓力最大荷載（N）

A——試件受壓面積（mm2）

荷載水平S的確定：

S=（4）

Mk=（5）

式中：

S——荷載水平

M——疲勞上限荷載

Mk——靜力使用荷載

Mu——極限承載荷載

基于上列公式，結合實驗分析得：隨著荷載的增大，混凝土的變形模量降低，開裂速度加快。而且受拉區混凝土率先達到破壞荷載，失去工作能力，此時，板試件荷載主要由鋼筋承擔，表明試驗進入第二階段[5]（疲勞破壞分為三個階段[6]：一階段為混凝土破壞，二階段為鋼筋屈服，三階段結構發生破壞）。

2 荷載與受力鋼筋應變關系

因為鋼筋疲勞斷裂主要由剩余截面面積N決定，于是在此我們用鋼筋有效面積的減少量作為鋼筋損傷量度。在疲勞加載過程中，有效面積隨疲勞次數的增大而逐漸減少，因此會導致鋼筋應力逐漸增大。循環加載下鋼筋有效面積A如6所示。

2012年，朱勁松，閆廣鵬等[7]通過ABAQUS建模及實橋驗證，得出適用于多級加載下鋼筋混凝土受彎構件變形鋼筋疲勞壽命與鋼筋疲勞應力幅Δσ的關系式如7所示。

lgN=14.7806-3.7928lg（Δσ/MPa）（7）

式中：

As—鋼筋初始面積K—疲勞荷載分級數NM—第M級疲勞荷載作用總次數

xM—第M級疲勞荷載已作用次數fu—鋼筋極限抗拉強度

σ—第M級疲勞荷載作用下鋼筋最大應力

3 試件剛度分析

隨著荷載的循環次數的增加，混凝土的變形模量降低，中和軸下移，截面慣性矩增大，混凝土和鋼筋的應力減小，其應變增大，構件剛度降低。我們通過板試件抗彎剛度減低系數來反映構件剛度的變化情況：

θf=（8）

式中：

θf——剛度減低系數δd——疲勞荷載上限值對應沖切試驗中的撓度值

δf——疲勞荷載上限值對應靜力試驗中的撓度值

撓度隨荷載的增大而增大，且增大的較快，板的剛度卻降低更快。因此得出結論：應力水平是影響板疲勞壽命的主要因素，應力水平越大，板疲勞壽命就越小。且應力水平的輕微降低可能導致板試件疲勞壽命成倍數增長。

本文了解了影響混凝土疲勞特性的因素及其規律，有利于為提高混凝土結構疲勞壽命采取有效措施，為探求混凝土疲勞壽命及其相關問題的研究提供參考。

4 結論

（1）隨著交通荷載的增大，混凝土的變形模量降低，開裂速度加快。當受拉區混凝土率先達到破壞荷載，失去工作能力時，板試件荷載主要由鋼筋承擔，表明試驗進入第二階段，鋼筋應變隨應力增長速度加快增大。

（2）隨著荷載循環次數的增加，混凝土的變形模量降低，混凝土和鋼筋的應力減小、應變增加，構件剛度降低。

【參考文獻】

[1]王春生，吳全友，繆文輝.鋼筋混凝土橋面板疲勞壽命評估[J].長安大學學報（自然科學版），2013，33（2）：50-55.

[2]張偉麗.水工混凝土疲勞損傷特性研究[J].人民黃河， 2013（12）：133-135.

[3]王國榮，陳林燕，趙敏，等.壓裂泵閥箱疲勞壽命影響因素的研究[J].石油機械，2013，41（1）：59-63.

[4]李志勇，董城，鄒靜蓉，et al. 路基含水量對水泥混凝土路面疲勞壽命的影響分析[J].中外公路， 2015（6）：41-46.

[5]魏亞.混凝土路面板早期開裂疲勞壽命預測[J].清華大學學報（自然科學版），2014（8）：983-986.

[6]楊秋寧，侯占修，毛明杰.輪荷載疲勞試驗機在混凝土板構件研究中的應用[J].建筑技術與應用，2011.12.

[7]朱勁松，閆廣鵬.鋼筋混凝土橋面板疲勞數值分析方法[J].中國公路學報，2012，25（01）：59-66.