折线配筋先张梁的疲劳受力性能试验研究

折线配筋先张梁的疲劳受力性能试验研究

为了解决后张法施工中孔堵塞、砂浆压不真实、结构耐久性差、传统直线织物横截面形状小等问题，中国铁路部门对折叠后张的结构进行了设计改进，并对24m的绿色铁路线t梁进行了应用。为了提高道路桥梁的耐用性，我们在道路上完全采用预埋混凝土的制备工艺，提高了道路桥梁的货架期。近年来，国内科学家对其静载性能进行了一些研究，但对其累累性能没有研究。在服务期，桥梁的结构不仅继承了荷载的作用，而且还继承了重复负荷的作用。它的抗疲劳损伤的积累会减少，结构功能会退化或失败。因此，有必要研究折叠后张力梁的疲劳性能。本文以2根折线配筋先张梁及1根后张法预应力混凝土对比梁的等幅疲劳试验为基础,研究折线配筋先张梁的疲劳破坏特征及疲劳受力性能,分析疲劳加载对钢筋应力应变、裂缝及挠度的影响,探讨疲劳加载对试验梁静载承载力的影响.1公路桥梁工程施工阶段性能试验方案试验梁截面尺寸均为b×h=200mm×400mm,梁长l=7500mm,计算跨度l0=7200mm.试验梁中预应力钢筋均采用2根1860级的7股钢绞线,非预应力钢筋均采用HRB500级钢筋(试验测得其屈服强度为507.4MPa),其中折线配筋先张梁XPB-5,XPB-6采用折线形布筋,后张法预应力混凝土梁HPB-4采用抛物线形布筋.混凝土均按C60配合比配置,水泥、水、砂、石、粉煤灰、减水剂的质量密度之比为470∶700∶1020∶145∶95∶10,试验时测得其立方体抗压强度为71.5～82.4MPa.制作过程中,试验梁的钢绞线、HRB500级受力钢筋表面均贴有电阻应变片,以量测施工阶段和试验阶段钢筋应力应变.折线配筋先张梁尺寸见图1.考虑到配筋和加载的对称性,梁沿跨度方向仅画出一半.根据公路桥梁工程的特点,疲劳荷载弯距下限值Mmin可取自重(包括桥面铺装层及相关永久设施自重)弯矩,疲劳荷载弯距上限值Mmax可取桥梁按持久状况正常使用极限状态计算的弯矩,即Mmax=Mmin+ΔM,ΔM为桥面车辆等荷载产生的弯矩.对XPB-6和HPB-4取Mmin=0.2Md,Mmax=0.6Md,Md为按桥梁规范计算的7.5m矩形梁承载能力弯矩设计值.此外,为比较不同ΔM值对疲劳性能的影响,对XPB-5取Mmin=0.25Md,Mmax=0.90Md,ΔM=0.65Md.等幅疲劳试验采用图1所示的跨中单点加载,并按正弦波加载,疲劳试验加载方案见表1,其中f为加载频率.试验过程中荷载循环至1×104,5×104,1×105,2×105,5×105,1×106,1.5×106,2×106次后暂停,卸荷稳定后测量残余挠度及应变,并进行一次加载至Mmax的静载试验,量测各级荷载下的应变、挠度及裂缝宽度.2试验结果与分析2.1试验结果见表1试验梁XPB-6,HPB-4分别在荷载循环4000～5000次出现疲劳裂缝,其中XPB-6的疲劳裂缝仅出现在加载点下方,裂缝数量较少;而HPB-4的疲劳裂缝分布在全跨范围内,数量较多.随荷载循环次数的增加,原有裂缝宽度逐渐增大,并逐渐向梁顶开展,同时出现许多新的疲劳裂缝.图2为试验梁最大裂缝宽度(d)和刚度比(α)随荷载循环次数(N)变化情况.随着疲劳加载次数的增加,混凝土内部微裂缝损伤不断积累与发展,经历微裂缝形成阶段、稳定发展阶段和不稳定(破坏)阶段.其在宏观上体现为裂缝宽度的“三阶段”变化规律,即加载初期增长迅速、加载中期变化不大趋于稳定和加载后期迅速增大.增大试验梁XPB-5荷载幅值(Mmin=0.25Md,Mmax=0.9Md),非预应力钢筋应力幅值Δσs达到180MPa.荷载循环次数N=3.81×105次时,加载点下方1根非预应力钢筋发生疲劳断裂.这是因为相对于预应力钢筋而言,非预应力钢筋处于较不利的位置,其应力变化相对较大,而且承受拉-压交变作用.疲劳加载过程中试验梁的刚度不断退化,在5×104～2×105次前刚度降低明显,5×105次后刚度退化速率基本稳定.同时,在相同的应力幅值(Mmin=0.2Md,Mmax=0.6Md)和相同循环次数条件下,XPB-6的刚度退化速率明显小于后张梁HPB-4.根据本文及文献试验结果可知,第N次疲劳荷载作用下跨中总挠度fN由残余挠度frN和荷载挠度fLN组成.残余挠度frN=−0.06221+(0.016862+0.2507lgN)(Mmax/(McrβEρ),(1)frΝ=-0.06221+(0.016862+0.2507lgΝ)(Μmax/(ΜcrβEρ),(1)式中:βE=Es/Ec,Es和Ec分别是非预应力钢筋及混凝土的弹性模量;ρ=(As+Ap)/(bh0)为配筋率,As和Ap为非预应力钢筋和预应力钢筋面积,h0为截面有效高度;Mcr为开裂弯矩.荷载挠度fLN可利用统计方法在静载挠度的基础上乘以增大系数得到.只考虑循环次数N的影响,根据试验结果得fLN=(0.9083+0.069lgN)γMmaxl20/B‚(2)fLΝ=(0.9083+0.069lgΝ)γΜmaxl02/B‚(2)式中:γ为挠度系数;B为梁刚度.因此,可得总挠度计算公式fN=frN+fLN‚(3)fΝ=frΝ+fLΝ‚(3)将计算得到试验梁的总挠度值fN与实测值对比,其均值μ=1.017,方差σ=0.067,变异系数δ=0.066.当荷载循环到1×104～5×104次时,XPB-6非预应力钢筋的应变增加较快,5×104～2×106次时,钢筋的应变增加不明显;2×106次后,钢筋的应变随荷载的增大仍然比较稳定.各试验梁中预应力钢绞线应变变化规律与此类似.当荷载循环小于5×104次时混凝土先张梁XPB-6梁顶面混凝土压应变增加较快;当荷载循环大于5×104次后混凝土压应变增加逐渐减缓,并趋于稳定.后张梁HPB-4中的非预应力钢筋应变、钢绞线应变和混凝土压应变等随荷载循环次数的变化规律与折线配筋先张梁基本相同.2.2非预应力钢筋的疲劳力学试验梁XPB-6和HPB-4经疲劳作用2.5×106次后未发生疲劳破坏,随后对其进行静载破坏试验,得到其剩余静承载力矩分别为256.6kN·m和269.9kN·m,是现行桥梁规范计算值的1.38倍和1.42倍.说明疲劳加载对其剩余承载力几乎没有影响,这与已有的成果是一致的.疲劳加载与疲劳过程中钢筋硬化有一定的关系,易伟建等研究表明,在疲劳应力的作用下非预应力钢筋存在不同程度的硬化,其屈服强度相应提高.图3是静载试验时弯矩M随非预应力钢筋应变增量Δεs的变化情况.从中可看出,经2.5×106次疲劳加载后非预应力钢筋仍能够屈服,有明显的塑性变形且为未发生断裂.试验梁的弯矩与跨中挠度(r)的关系曲线见图4,随着荷载的增大,试验梁经历重新开裂、非预应力钢筋屈服、强化等阶段,最终发生弯曲破坏,表现为受拉非预应力钢筋屈服后,受压区混凝土被压碎.破坏时,梁跨中挠度约为150mm(计算跨度l0/50),说明前期的疲劳加载对其延性影响较小.由以上分析可得:a.由于非预应力钢筋处于较不利的位置且应力变化较大,因此折线配筋先张梁的疲劳破坏模式类似于一般部分预