疲勞荷載作用下部分預應力混凝土梁殘余性能試驗研究*

韓基剛

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 公路橋梁診治技術交通運輸行業研發中心， 沈陽 110166)

0 概述

部分預應力混凝土(Partially Prestressed Concrete, PPC)結構已廣泛應用于中小跨徑橋梁工程中[1]。隨著橋梁運營年限的增長及車輛荷載尤其重載交通的往復作用影響，結構性能必將發生退化，甚至在正常服役期內出現超出規范限值的變形和裂縫寬度，危及橋梁運營安全。既有試驗研究結果表明：在遠小于極限荷載作用下，對于帶裂縫工作的PPC梁，均存在發生疲勞破壞的可能[2]。

近年來，國內外學者開展了大量的PPC梁疲勞試驗，主要研究集中在破壞形態、最大荷載作用下的結構變形和裂縫寬度、受拉鋼筋應力狀態及疲勞后結構靜力性能上[3-5]。少量研究表明：疲勞荷載作用后，梁體存在無法恢復的結構變形(應變)，即殘余變形(應變)[6-8]。文獻[6]結合6根PPC疲勞試驗結果，將PPC梁跨中變形分為殘余變形和瞬時變形，并擬合出殘余變形經驗公式，但其影響因素尚不清楚；文獻[7]證實了PPC梁受壓區混凝土存在殘余應變，其大小與應力水平和循環荷載作用下的累積變形密切相關。事實上，基于應變協調條件，當受壓區混凝土產生殘余應變時，受拉鋼筋必將產生相應應變。然而，早期研究由于受測試方法的限制，未獲得鋼筋殘余應變的疲勞全過程變化特征，且在進行PPC結構疲勞分析時，常忽略其影響，進而低估了鋼筋的實際應力[8]。由此可見，我國目前對疲勞荷載作用后的PPC梁殘余性能的研究才剛剛起步，對其影響因素尚缺乏了解，故應進行相關研究，積累足夠的試驗資料。

大量疲勞試驗結果表明，PPC梁的疲勞破壞起始于非預應力鋼筋，顯然其殘余應變將直接影響梁的疲勞壽命[3]；而殘余變形則是結構整體剛度的反映，可作為衡量結構抗疲勞性能的重要指標。與此同時，考慮到疲勞荷載作用過程中，殘余應變(變形)的變化較為穩定且易于監測；本文從疲勞荷載作用后的PPC梁殘余性能入手，開展8根PPC梁的疲勞性能試驗，并預埋抗疲勞性能優越的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)傳感器實時監測梁內受拉鋼筋的應變變化，重點分析梁體殘余變形和非預應力鋼筋殘余應變的變化規律及其影響因素，以期為橋梁疲勞設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本次共開展8根PPC模型梁疲勞性能試驗，所有梁均在同一時刻澆筑。圖1為梁體具體外形尺寸及配筋形式。

圖1 試驗梁設計和加載設置

為研究配筋率對PPC梁殘余性能的影響，將其分為兩組(H1和H2組)，其中H1組梁預應力和非預應力鋼筋被布置于同一高度，以獲得疲勞荷載作用過程中不同類型受拉鋼筋的應變變化差異。每組選取1根作為參考梁(S1和S2梁，S代表靜載)，進行靜載性能試驗，其余試驗梁按照荷載水平不同分別進行等幅疲勞性能試驗，以確定其對PPC梁殘余性能的影響。

所有試驗均采用1 000kN的MTS系統，并通過分配梁進行兩點對稱加載，疲勞加載波形為正弦波，相關加載參數設置如表1所示。

混凝土抗壓強度及加載參數 表1

1.2 試驗材料

試驗梁采用商品混凝土，設計強度等級為C50，實測抗壓強度如表1所示；預應力鋼筋采用1860級7股鋼絞線，預應力單側張拉，控制應力為1 302MPa；非預應力鋼筋采用直徑為14mm和16mm的HRB400級鋼筋，屈服強度分別為442，413MPa。

1.3 測試方法

鋼筋和混凝土的應變均采用FBG傳感器進行量測。為驗證其有效性，電阻應變式傳感器(Resistance Strain Gauge，RSG)也被布設在與FBG測點相近的混凝土及受拉鋼筋表面處，其中混凝土FBG及RSG傳感器布設于跨中梁頂緣處，鋼筋測點布設位置如圖2所示。

圖2 受拉鋼筋FBG與RSG傳感器測點布置/mm

試驗開始前，在試驗梁的跨中及加載點截面處安放4個位移計(跨中2個，兩側加載點各1個)，測定梁體的豎向變形，同時在兩端支座截面處各安放1塊百分表，用于確定支座沉降。

試驗過程中，在達到預先設定的循環次數后卸載至零，測定殘余變形(應變)值，并進行一次加載至最大荷載水平的靜力試驗，期間觀測梁豎向變形、受力鋼筋及混凝土應變變化情況，以及裂縫延伸及擴展情況。

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態及疲勞壽命

圖3為H1F-0.6試驗梁的典型疲勞破壞形態。臨近疲勞破壞前，梁底混凝土開始出現零星剝落，最終破壞起始于梁受彎區“某一主裂縫”處的非預應力鋼筋疲勞斷裂。其他疲勞試驗梁均表現出與此試驗梁一致的破壞形態，見表2。由表2可知，在最小荷載水平(Fmin/Fu)不變的情況下，隨著最大荷載水平的提高，梁疲勞壽命顯著降低；同一荷載水平下，因配筋率的不同，H2組梁的疲勞壽命均高于H1組梁。

圖3 PPC梁典型疲勞破壞特征

表2 試驗測試結果

2.2 鋼筋應力重分布

在進行梁內鋼筋應變分析前，需校對發生疲勞斷裂時第一根鋼筋所對應的主裂縫位置，并以距該裂縫最近的FBG傳感器應變實測值作為有效讀數，文中應變均以拉為正，壓為負。

因篇幅所限，圖4僅給出了由FBG和RSG實測H1F-0.4梁和H2F-0.6梁受拉鋼筋應變幅隨循環次數的全過程變化曲線。從試驗結果來看，在RSG破壞之前，兩者具有較好的一致性，且在疲勞加載過程中，FBG傳感器的存活率和穩定性顯著優于RSG，其他試驗梁均表現出與此試驗梁相同的特征，由此驗證了FBG傳感器的長期可靠性。

圖4 鋼筋應變幅隨循環次數變化曲線

由圖4也可看出，對于不同類型受拉鋼筋同高度布置的H1組梁，其應變幅增長規律并不一致，這主要由于鋼筋與混凝土之間的粘結性能和退化機理不同以及鋼筋彈性模量的差異，導致在疲勞加載過程中，兩類鋼筋之間產生了應力重分布。該分布特性可通過預應力和非預應力鋼筋的應變幅值比表征。表3給出了各疲勞試驗梁的應變幅值比，由表3可知，在最后一次疲勞加載過程中，實測H1組梁的應變幅值比為0.710～0.721，對于H2組梁，其幅值比達0.609～0.637，該結果與文獻[9]實測結果較為接近。由此表明，疲勞荷載引起的鋼筋應力重分布使得非預應力鋼筋的應力進一步增大。

預應力和非預應力鋼筋幅值比對比 表3

2.3 非預應力鋼筋殘余應變

圖5，6分別為通過靜載試驗得到的H1F-0.4和H2F-0.4梁非預應力鋼筋和上緣混凝土荷載-應變曲線。由圖可知，從整個循環過程來看，加卸載過程中荷載-應變曲線呈現出疏-密-疏的特點，即曲線環包面積先由大變小，后趨于平緩，臨近破壞階段再逐漸變大；在各預定次數下的循環加載結束后，上緣混凝土和非預應力鋼筋均出現了無法恢復的殘余應變。

圖5 H1F-0.4梁荷載-應變對比曲線

圖6 H2F-0.4梁荷載-應變對比曲線

結合本文試驗及既有研究結果，對于非預應力鋼筋，其殘余應變產生原因可歸結為：1)因受壓區混凝土存在殘余應變，為保持應變協調性，受拉鋼筋亦產生相應的應變；2)鋼筋周圍混凝土形成無法閉合的微裂縫，導致鋼筋產生了約束變形[10]；3)鋼筋應力重分布使非預應力鋼筋應力進一步增大，進而加劇了微裂縫擴展，間接導致鋼筋約束變形增大。

圖7給出了非預應力鋼筋殘余應變與疲勞循環比(n/Nf)的關系曲線。由圖可知，在疲勞荷載作用過程中，殘余應變近似符合“三階段”發展規律，表現為應變初始增長—應變增長緩慢且穩定—應變顯著增大。破壞前，殘余應變可達315～425με。對于配筋率低且荷載水平高的H1F-0.6梁，其殘余應變顯著高于其他試驗梁，這主要因為在疲勞加載過程中，梁內非預應力鋼筋過早發生屈服，致使其產生了附加塑性應變。對于其他疲勞試驗梁，各根非預應力鋼筋的殘余應變實測值較為接近，且離散性較小，表明在鋼筋不發生屈服的情況下，該殘余應變受配筋率和荷載水平的影響并不顯著，而主要與鋼筋周圍混凝土微裂縫閉合情況和受壓區混凝土疲勞損傷程度密切相關，該損傷可由混凝土殘余應變表征[11]。

圖7 非預應力鋼筋殘余應變隨循環次數變化關系

2.4 殘余變形

圖8給出了荷載-跨中變形對比曲線，因篇幅所限，僅以H1F-0.4，H2F-0.4梁為例。圖中可見，在第1次靜力加卸載階段，疲勞試驗梁與參考梁的荷載-跨中變形曲線變化趨勢較為一致，且在卸載后，存在無法恢復的殘余變形，其產生原因可歸結為疲勞加載過程中產生無法閉合的梁體裂縫所致；從整個循環過程來看，其加卸載過程曲線呈現出與鋼筋和混凝土一致的變化趨勢；此外，隨著循環次數的增加，殘余變形隨之增大。

圖8 荷載-跨中變形對比曲線

圖9為殘余變形與疲勞循環比(n/Nf)的關系曲線。由圖可知，其變化規律可近似劃分為三個階段。第一階段，變形發展較快，但增長速率逐漸降低，該階段約占疲勞壽命的20%左右；第二階段，變形增長速率變化較為穩定，基本呈現出線性變化規律，該階段約占疲勞壽命的60%；第三階段，梁體變形發展較快，最終導致梁很快進入破壞階段，最后一次靜載試驗前，實測殘余變形約占最大變形的10%～19%。

圖9 殘余變形隨循環次數變化曲線

從圖中也可看出，在最小荷載水平不變的情況下，隨著最大荷載水平的提高，殘余變形顯著增大；在同一荷載水平下，H1組試驗梁殘余變形高于H2組梁，由此表明，殘余變形大小與荷載水平和配筋率密切相關。

3 結論

(1)疲勞荷載可導致預應力和非預應力鋼筋之間產生應力重分布，兩者應變幅值比約在0.62～0.7之間，這將進一步增大非預應力鋼筋應力水平。

(2)梁體殘余變形、非預應力鋼筋殘余應變均呈現出典型的疲勞破壞“三階段”變化規律：初始快速增長—增長緩慢且穩定—顯著增大直至破壞。

(3)梁體殘余變形大小受荷載水平和配筋率影響較為顯著，表現為最大荷載水平越高，殘余變形越大；配筋率越高，殘余變形越小。臨近破壞階段，殘余變形約占最大變形的10%～19%。

(4)非預應力鋼筋殘余應變與鋼筋周圍混凝土微裂縫閉合情況和受壓區混凝土疲勞損傷程度密切相關，破壞前，殘余應變可達315～425με。