預應力混凝土梁疲勞可靠性及尺寸效應試驗研究

2020-04-21 04:29:44周宏宇劉洪宇解詠平劉亞南

結構工程師 2020年1期

周宏宇劉洪宇解詠平劉亞南袁慧

（1.北京工業大學建筑工程學院，北京100124；2河北地質大學勘查技術與工程學院，石家莊050031）

0 引言

為滿足經濟和時代發展的要求，鐵路列車速度的提升將成為未來發展的必然趨勢。已有的研究表明，列車對橋梁的豎向作用隨車速的增加而增大［1-3］。因此，對于已建成的高鐵橋梁，評估其在承受更大的反復疲勞荷載作用下的性能及可靠性的變化成為高速鐵路發展的關鍵。合理有效地估計橋梁結構的可靠性，既能較為合理地評估結構的剩余使用壽命，又能為列車車速的提升空間提供一定的建議。經過一個多世紀的研究和發展，疲勞可靠性理論及其相應的算法在線性和非線性領域均取得了一定程度的發展［4-8］。然而，現有的大多數理論和方法僅僅考慮單一構件或者整個結構系統，對于尺寸效應可能產生的影響卻少有考慮，無法準確獲得模型與原型之間的聯系，只能借鑒國內外已有的相關經驗進行橋梁設計。

本文以京津城際高鐵某一路段32 m 簡支梁為試驗原型，制作了3 根不同尺寸的預應力混凝土簡支梁，分別對其開展疲勞試驗研究，采集并記錄試驗數據，采用一次二階矩法計算試件的疲勞可靠度［9-10］，對比不同尺寸試件的試驗結果及計算結果，分析并總結疲勞可靠性的變化情況和尺寸效應對試件性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計了一批共3 根的后張法施工的預應力混凝土簡支梁，這一批梁在截面尺寸和長度上存在差異，在試驗梁中預留孔道用于鋪設波紋管以便后期穿入預應力筋，在預應力筋錨固之后對預留孔道灌漿。試件按尺寸由小到大編號分別為TP1、TP2和TP3，試件尺寸及配筋情況如圖1所示。

圖1 簡支梁配筋圖（單位:mm）Fig.1 Simply supported beam reinforcement figure（Unit:mm）

非預應力筋采用HRB335 級，直徑為10 mm；箍筋采用HPB300 級；預應力筋采用抗拉強度為1 860 MPa 的 1×7 的鋼絞線，公稱直徑為 9.5 mm；混凝土強度為C50，其余參數見表1。

表1 試件設計參數Table 1 Specimen design parameters

1.2 試驗方案及測點布置

試驗借助北京工業大學結構工程實驗中心的疲勞試驗機開展。采用跨中單點加載的方式，通過作動器對試驗梁施加集中荷載。疲勞加載下限取計算開裂荷載，鑒于工程背景的需要，疲勞上限參考國外高速鐵路規范中的計算公式，即在考慮沖擊系數的基礎上將不同車速時的動位移轉換成跨中集中荷載，加載方案見表2。

表2 加載方案Table 2 Loading scheme

在5 Hz 頻率下采用變幅逐級加載的方式，當疲勞至 5 萬次、10 萬次、30 萬次、50 萬次、100 萬次、150萬次和200萬次時開展靜載試驗。當疲勞加載次數達到設定次數，或試件已出現明顯疲勞破壞特征時，停止疲勞加載，對試件開展靜載破壞試驗，測其疲勞剩余承載力。在不同的靜載階段，分別采集此時的鋼筋和混凝土的應變、跨中撓度和裂縫寬度等數據，用于反映試件在整個疲勞過程中的損傷程度。

試驗過程中主要采集載荷、混凝土應變、鋼筋應變、試件豎向位移、彎曲變形等數據。其中混凝土和鋼筋主要測點位置如圖2、圖3 所示；使用百分表測量試件豎向位移，布置如圖4所示。

圖2 鋼筋應變片布置圖Fig.2 Strain gauge layout of steel rebar

圖3 混凝土應變片布置圖Fig.3 Strain gauge layout of concrete

圖4 百分表布置圖Fig.4 Layout of dial indicator

2 試驗結果及分析

2.1 試件最終破壞形態

圖5 是三根試驗梁最終破壞時的裂縫發展情況，試件失效時，預應力筋均未斷裂，受拉區縱筋發生斷裂后，試件承載能力迅速下降，裂縫迅速發展，產生1～2條沿截面貫通的主裂縫，其余裂縫均勻分布在主裂縫周圍，受壓區混凝土出現明顯剝落，試件達到疲勞失效狀態。

2.2 荷載-跨中撓度曲線分析

圖5 試件最終破壞圖Fig.5 Ultimate failure figure of specimen

圖6 為三根試件在不同疲勞次數時的跨中荷載—撓度曲線；圖7 為相同疲勞次數時的撓度發展對比曲線，因疲勞至 100 萬次時，TP2 和 TP3 失效，故此處僅繪出疲勞次數為0萬次、30萬次和50萬次時的對比曲線。從圖6、圖7 中可以分別看出，隨著尺寸的增加，在即將發生疲勞破壞時，撓度值有明顯的增大；在相同疲勞次數下，試件的撓度發展速度隨尺寸的增加而增大；在同一荷載水平和疲勞次數下，跨中撓度隨尺寸增加而減小。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

圖7 撓度對比曲線Fig.7 Deflection curve of different sizes

圖8 最終破壞撓度對比曲線Fig.8 Ultimate failure deflection curve of specimen

圖8 為最終破壞時試件的撓度對比曲線。從圖中可以看出曲線存在明顯的峰值點和下降段，且曲線初始階段斜率隨尺寸增加而減小。試件達到疲勞失效狀態時，所對應的撓度分別為7.4 mm、24.51 mm 和38.43 mm，即荷載峰值點所對應的撓度隨尺寸增加而增大。疲勞破壞時，試件的撓度發展速率隨尺寸的增加而漸趨平緩，且撓度增長速率隨荷載的增加而不斷減緩。

2.3 混凝土和鋼筋應變曲線分析

圖9 為三種尺寸試件在幾次典型疲勞次數時受壓區邊緣混凝土荷載—應變曲線。從圖中可以看出:混凝土應變的增長呈現兩階段發展趨勢，隨著疲勞次數的增加，受拉區混凝土開裂，試件彎曲變形增加，使得受壓區混凝土應變隨之較快增長；對于不同試件，對比三幅圖可看出在相同荷載和疲勞次數時，混凝土壓應變隨尺寸增加而減小。

圖9 受壓區混凝土荷載—應變曲線Fig.9 Load-strain curve of compression concrete

圖10 為臨近破壞時試件受壓區邊緣混凝土荷載-應變對比曲線。在相同的荷載下，應變隨尺寸增大而減小；曲線斜率隨著尺寸增大而增大；試件失效時，混凝土的最大壓應變隨著尺寸的增大而減小。

選取簡支梁受拉縱筋應變最大點繪制鋼筋的實測拉應變曲線，如圖11 所示。受疲勞過程的影響，TP1最大應變點處鋼筋應變片在疲勞至150萬次時失效，TP2和TP3鋼筋應變片在疲勞至100萬次時失效。

圖10 最終破壞時混凝土的應變對比曲線Fig.10 Ultimate failure load-strain curve of concrete

圖11 鋼筋的實測拉應變曲線Fig.11 Load-strain curve of tensile steel rebar

從圖中可看出:鋼筋應變存在明顯的兩階段發展趨勢，即第一階段應變增長較快，隨后增長速度明顯減慢。對于同一試件，因在不同的疲勞次數下鋼筋的損傷不斷累積，故曲線轉折點所對應的荷載隨疲勞的發展不斷降低；對不同尺寸試件，疲勞次數相同的前提下，轉折點所對應的荷載隨尺寸增加而增大。

圖12 為鋼筋失效時的實測拉應變曲線。從圖中可明顯看出，曲線斜率隨著尺寸的增加而增大，在同一荷載下，鋼筋應變隨尺寸增加而減小。

圖12 最終破壞鋼筋的應變對比曲線Fig.12 Ultimate failure load-strain curve of rebar

通過對試件開展最終靜載破壞試驗，可以看出:試件在破壞時，主裂縫已接近貫通截面，受壓區混凝土部分剝落，而受拉鋼筋在主裂縫截面已經斷裂。有關文獻［11-13］分析認為，在疲勞過程中，受拉鋼筋截面上產生的微裂紋會不斷擴展，使得有效截面面積不斷下降，進而該點鋼筋應力會隨之增大，形成更不利的受力狀態，當鋼筋承受接近于其自身疲勞壽命的疲勞荷載作用次數時，鋼筋將發生脆性疲勞斷裂。