鐵路橋梁高強鋼筋疲勞性能試驗研究

趙泳茗

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

1 引言

近年來，隨著交通運輸事業的不斷發展，鐵路橋梁的建造速度越來越快，同時使用的高強鋼筋亦逐漸增加[1～5]。然而，相關工程技術人員對高強鋼筋的疲勞性能認識仍非常有限，因此，開展高強鋼筋的疲勞性能研究顯得十分必要和迫切。為此，本文將以HRB400鋼筋為案例，對其常幅疲勞SN曲線進行研究。

2 試驗方案

2.1 加載設備

本文試驗在牽引動力國家重點實驗室開展，主要應用高頻試驗機和電液伺服材料試驗機。其中，高頻疲勞機的頻率范圍為80～100 Hz，可滿足不同直徑高強鋼筋的疲勞試驗。

2.2 加載方案

在本次疲勞試驗中，HRB400高強鋼筋試件的制作長度取值為350 mm，加載方法采用改進的升降法，該方法在當標準偏差已知的情況下只需要較少試樣。在試驗過程中，加載最大應力為300 MPa，最小為120 MPa，應力比為0.4。

3 夾持段處理方法

3.1 套薄鋁管

本方法夾持段處理過程中夾持段長度控制在5 cm，嵌套鋁管與高強鋼筋外徑保持一致，同時要確保薄鋁管與試件有輕微擠壓，進而防止因加載時二者之間的相對移動而影響試驗結果。采用套薄鋁管方式處理夾持段試驗如圖1所示。

圖1 套薄鋁管處理夾持段試驗

如圖1b所示，在夾持段套薄鋁管時，高強鋼筋的疲勞斷裂位置出現在夾持段內部。這是由于HRB400鋼筋的夾持處受到擠壓后更容易引發疲勞破壞。

3.2 去肋

試驗過程中，在夾持段進行去肋處理時，分別采取3種方案：（1）去肋光滑處理夾持段鋼筋；（2）將夾持段處理為螺紋形式；（3）將夾持段進行銑扁處理。以上3種去肋處理方法如圖2所示。

圖2 夾持段去肋方法

基于試驗結果，銑扁處理是相對比較有效的去肋方法。原因為去肋光滑處理和螺紋處理的方法會對夾持段產生嚴重的削弱作用，而銑扁處理能夠確保夾持一側以外的鋼筋面積不變，此時夾持面積將大大增大，使得應力集中減弱，成功率較高。

綜上，套薄鋁管屬于硬處理的方式，此方式會對鋼筋肋表面及根部產生損傷，容易誘使鋼筋肋表面和根部位置首先出現損傷而產生疲勞破壞。因此，本文在開展鐵路橋梁高強鋼筋疲勞性能試驗時采用去肋的銑扁處理方法。

4 高強鋼筋疲勞試驗結果分析

S-N曲線一般用于表征材料或構件的疲勞性能，故統稱“疲勞性能曲線”。本文在分析高強鋼筋的疲勞性能時均采用雙對數雙折線模型，即logS-logN模型，系指坐標系中橫、豎坐標均采用的對數。

HRB400，DN16 mm高強度鋼筋的疲勞試驗結果如表1所示，其中斜線段數據有8個點，1 000萬次數據點有5個。在雙對數坐標系下分別進行雙斜線段的數據進行處理后的S-N曲線如圖3所示。

圖3 HRB400,DN16 mm鋼筋高頻疲勞試驗中值S-N曲線（應力比0.4）

表1 HRB400,DN16 mm鋼筋疲勞試驗結果

基于試驗結果，本文中采用雙對數雙斜線模型對HRB400，DN16 mm高強鋼筋的中值S-N曲線模型進行擬合，方程具體如下：

根據圖3可知，HRB400，DN16 mm高強鋼筋的應力有效取值范圍為120～180 MPa，疲勞極限應力為120 MPa。此外，由疲勞試驗得出的擬合方程所獲得的200萬次疲勞強度與現有的試驗數據比較相近，說明試驗數據具有較高的可靠性。

5 結論

本文對直徑為16 mm的HRB400高強鋼筋開展疲勞性能試驗，研究了高強鋼筋的常幅疲勞S-N曲線。基于研究結果，得到如下結論：

1）銑扁處理方法夾持段時成功率相對于套薄鋁管方法更高，原因為后者對鋼筋肋產生的損傷會加劇疲勞破壞。

2）雙對數雙折線模型能夠有效地刻畫HRB400高強鋼筋的疲勞性能，與疲勞試驗數據吻合度較好。