钢筋混凝土梁的疲劳性能研究

钢筋混凝土梁的疲劳性能研究

0重复荷载作用钢筋混凝土结构和预制混凝土结构通常主要承受沉降的影响，但实际设计中有许多结构，如桥梁、悬索桥和海洋平台。除了静载功能外，它还经常承受重复周期负荷的作用。随着这些经常承受重复荷载作用结构应用的日益广泛,以及高强混凝土、高强钢筋的广泛应用,许多构件处于高应力状态下工作,使得混凝土结构的疲劳成为不可忽视的问题。梁作为混凝土结构中最基本的构件,许多学者对其疲劳性能已做了大量的研究。本文对国内外钢筋混凝土梁的疲劳性能的研究现状进行了回顾和分析,以求对钢筋混凝土梁的疲劳性能有进一步的了解。1疲劳试验和循环次数类似于钢筋混凝土梁的普通静载试验,钢筋混凝土梁的疲劳试验同样包括正截面受弯试验和斜截面抗剪试验。由于疲劳试验的特点,根据循环次数的多少又可分为低周疲劳试验和高周疲劳试验;根据重复荷载的特征可分为等幅疲劳试验和变幅疲劳试验。表1列出了国内外一些学者做的疲劳试验,从中可以看出,在钢筋混凝土梁疲劳性能研究方面,混凝土的强度等级已从C15到C70;既有一般混凝土,也有纤维混凝土和预应力混凝土;梁的截面形式有普通的矩形梁,也有T形薄腹梁;加载方式既有三分点加载,也有两分点弯曲加载。2钢筋混凝土支架的疲劳和破坏2.1钢筋混凝土试件疲劳破坏形态清华大学的李秀芬等通过对11片混凝土简支梁的静载和等幅疲劳荷载试验,分析研究了受弯构件的疲劳特性,给出了受压区混凝土应力、纵向受拉钢筋应力的计算方法以及钢筋的疲劳强度设计取值,得到了作为控制梁的疲劳承载能力极限状态的S-N曲线,并提出高强混凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下正截面疲劳设计方法。根据试验结果得出的主要结论有:按静载设计的适筋梁,正截面抗弯疲劳破坏均为纵向受拉钢筋的疲劳断裂。钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下,正截面平均应变仍然符合平截面假定,受压区混凝土的应力分布可采用三角形应力分布;需要对受压区混凝土的弯曲变形模量进行折减。通过对11片梁中首先疲劳断裂的钢筋应力及对应的疲劳次数取对数进行线性回归统计,得出梁内受拉钢筋的S-N关系方程为:logΝ=21.710-6.451logσmax-2.880log(1-ρ)(1)logN=21.710−6.451logσmax−2.880log(1−ρ)(1)式中,N为疲劳循环次数,σmax为钢筋的最大应力值,ρ为应力比,ρ=σmin/σmax。通过试验结果可知,随疲劳荷载作用次数的增加,梁的挠度和混凝土应变增大,疲劳变形模量降低。由统计计算可得,高强混凝土的弯曲变形模量Eb为受压弹性模量Ec的0.875倍,即:Eb=0.875Ec(2)Eb=0.875Ec(2)疲劳变形模量降低系数的回归方程为:γf=0.982-0.027logΝ(3)γf=0.982−0.027logN(3)根据以上两式可得疲劳变形模量为:Efb=(0.86-0.024logΝ)Ec(4)Efb=(0.86−0.024logN)Ec(4)陈浩军等在钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态方面也进行了研究。对不同配筋率的钢筋混凝土简支梁(550mm×150mm×150mm)进行了等幅疲劳荷载试验研究,试验试件共60片梁,试件配筋率分别为0%,0.29%,0.487%,0.934%和1.946%。试验结果表明:钢筋混凝土试件疲劳破坏包括钢筋疲劳破坏和混凝土疲劳破坏。钢筋疲劳破坏以受拉钢筋拉断为标志;混凝土疲劳破坏又包括试件斜截面疲劳破坏和受压区混凝土压碎疲劳破坏。影响疲劳破坏形式的因素包括:配筋率、剪跨比、试件截面特性和材料特性等。对于不同配筋率的情况,定义了一个界限配筋率μc:当配筋率小于界限配筋率μc时,试件呈弯拉破坏;当配筋率大于界限配筋率μc时,试件呈剪压破坏。同时根据不同的配筋情况也给出了相应的疲劳方程:当μ<μc时,S=0.9490+0.1586μ-(0.1131-0.0190μ)lgΝ(5)S=0.9490+0.1586μ−(0.1131−0.0190μ)lgN(5)当μ≥μc时,S=0.9671-0.0935lgΝ(6)S=0.9671−0.0935lgN(6)在国外,TienS.Chang和ClydeE.Kesler进行了部分钢筋混凝土梁的疲劳试验,主要结论为:重复荷载的应力水平将决定疲劳破坏的形态,低应力水平的重复荷载将导致弯曲疲劳破坏,以钢筋的疲劳断裂为标志;高应力水平的重复荷载将导致剪切疲劳破坏。从国内外对钢筋混凝土梁疲劳破坏形态研究的情况可以看到,钢筋混凝土梁的配筋率是影响破坏形态的关键因素,对于在实际工程中使用的适筋梁,是由钢筋的疲劳断裂起控制作用,破坏形态是正截面抗弯疲劳破坏。当梁的配筋率增大时,梁的疲劳破坏形态将转变为斜截面混凝土疲劳破坏或受压区混凝土压碎疲劳破坏。国外的部分学者认为疲劳荷载的应力水平对钢筋混凝土梁疲劳破坏的形态有一定的影响,这方面有待进一步研究。2.2斜截面弯压疲劳破坏机理许多承受重复荷载的梁,往往同时配有箍筋和弯起钢筋,所以对于同时配有箍筋和弯起钢筋的钢筋混凝土梁,其斜截面疲劳性能是其疲劳性能的一个重要方面。李惠民和顾传霖通过30片T形梁(其中21片梁腹筋只配箍筋,另外9片梁同时配有箍筋和弯筋)在重复荷载作用下的试验研究和分析,提出了考虑混凝土抗剪作用的斜截面疲劳强度的计算方法及腹筋疲劳破坏的判别条件。试验结果表明,剪跨比λ≤1.0的梁,经重复加载后沿斜截面的破坏为斜压疲劳破坏。剪跨比λ≥1.5的梁经重复加载后沿斜截面的破坏为剪压疲劳破坏。在重复荷载作用下,腹筋应力不断提高,腹筋所分担的剪力不断增大,相应地混凝土所分担的剪力不断减小。因此,在重复荷载作用下,斜截面发生疲劳破坏,通常都是因腹筋先疲劳破坏而引起的。同时试验结果表明,与斜裂缝相交的各腹筋的应力是很不均匀的,总是最不利的腹筋首先疲劳断裂。SusantoTeng等进行了12片钢筋混凝土深梁的疲劳试验,在试验中研究了3种不同配箍形式的深梁,分别为不配箍、垂直配箍和斜向配箍。试验结果表明,不同的配箍形式对钢筋混凝土梁的疲劳性能有显著的影响,与其它两种配箍形式相比,斜向配箍的钢筋混凝土深梁有最高的疲劳强度,而且梁的变形和裂缝长度都比较小,试验结果同样验证了疲劳荷载的应力幅值越大,则构件的疲劳寿命越短。通过总结国内外学者的研究可以看到,斜截面发生疲劳破坏通常都是由箍筋的疲劳断裂引起的,所以配箍率将显著影响钢筋混凝土梁的斜截面疲劳性能,而且不同的配箍形式的钢筋混凝土梁疲劳性能也有明显的差别。3影响钢筋混凝土梁疲劳性能的因素3.1混合料增强混凝土的疲劳性能混凝土发生疲劳破坏是一个损伤累积的过程。在混凝土材料中加入一些掺合料,如粉煤灰、磨细矿渣和纤维等,可以减少混凝土初始缺陷,在损伤累积过程中抑制裂缝的产生和发展,从而提高混凝土梁的力学性能。高强混凝土和高性能混凝土的应用已非常广泛,清华大学李秀芬等进行的便是高强混凝土梁的疲劳性能试验,试验结果表明,在正常配筋条件下,高强混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲劳性能。在普通混凝土材料中加入钢纤维同样可以显著地提高混凝土的疲劳性能。一些学者对局部高密度钢纤维混凝土的弯曲疲劳性能进行了研究,试验结果表明,局部高密度钢纤维混凝土有漫长的疲劳寿命,疲劳寿命高于素混凝土以及同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土。根据“等效疲劳寿命”的概念,建立了考虑存活率的P-lgS-lgN双对数疲劳方程:当失效概率P′=0.05时,P-lgS-lgN方程为:lgS=0.0149-0.03422(1-R2)lgΝ(7)lgS=0.0149−0.03422(1−R2)lgN(7)当失效概率P′=0.5时,P-lgS-lgN方程为:lgS=0.03204-0.03084(1-R2)lgΝ(8)lgS=0.03204−0.03084(1−R2)lgN(8)混杂纤维的加入同样可以大大改善混凝土材料的弯曲疲劳性能和疲劳寿命,但对抗压疲劳性能提高不明显。其中碳纤维对提高材料的抗弯疲劳性能起了主要作用,单一聚丙烯纤维对抗弯疲劳性能的提高作用很有限,两种纤维对混杂纤维增强混凝土抗弯疲劳性能的贡献表现为正的混杂效应,同时,在一定掺量范围内,抗弯疲劳性能的改善程度随混杂纤维掺量的增加而呈递增的趋势。根据试验结果得到混杂纤维增强混凝土的疲劳寿命方程如下:{S=A-BlgΝA=0.901+10.8Vcf+2.78VpfB=0.064+1.24Vcf+0.276Vpf(9)⎧⎩⎨⎪⎪S=A−BlgNA=0.901+10.8Vcf+2.78VpfB=0.064+1.24Vcf+0.276Vpf(9)式中,Vcf、Vpf分别为碳纤维和聚丙烯纤维的体积百分率。TarigAhmed等进行了16片梁的疲劳试验,其中8片梁的混凝土进行了碱性硅酸盐反应处理,另外8片梁为普通混凝土梁,对试验结果进行比较,分析碱性硅酸盐反应对混凝土梁疲劳性能的影响,试验结果表明,碱性硅酸盐反应可以显著地增强梁的抗剪性能,同时可以增加梁的寿命。由此可见,材料对钢筋混凝土梁的疲劳性能影响是非常大的,在混凝土材料中加入掺合料或进行一些处理可以显著地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能,所以当结构对疲劳性能要求比较高时,从材料层面上着手不失为比较好的方法。3.2不同结构形式对梁的疲劳性能的影响3.2.1梁的挠度与梁的疲劳强度预应力混凝土梁包括全预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁。研究表明:对于全预应力混凝土梁(即截面不出现拉应力的情况),疲劳荷载对其疲劳性能影响很小,主要表现在对变形的影响很小;而对于不允许出现裂缝和允许出现裂缝的部分预应力混凝土梁,疲劳荷载对其变形有明显的影响。影响疲劳荷载作用下变形增加的主要因素是截面的应力状态,即截面下边缘拉应力的情况。定义预应力度λ来反映该项影响:λ=Μ0/Μ(10)λ=M0/M(10)式中,M0为截面消压弯矩,M为使用荷载产生的弯矩。研究结果表明,预应力度λ越大,梁的挠度增量较小;预应力度λ越小,梁的挠度增量较大,所以对于承受疲劳荷载作用的部分预应力梁,预应力度不宜太低。由于一般的部分预应力混凝土梁都是允许带裂缝工作的,所以斜裂缝的存在使箍筋的工作处于严峻的情况,很容易发生疲劳荷载作用下的斜截面受剪破坏。部分学者的研究表明,部分预应力混凝土梁的破坏过程基本上都是在重复荷载作用下,梁的内力发生重分布,箍筋应力随荷载作用次数的增加逐渐增大,受力最大的首先疲劳断裂,剩余的箍筋和混凝土不足以继续承受疲劳上限剪力,最终剩余的箍筋达到屈服强度而被拉断,所以,类似于普通钢筋混凝土梁发生斜截面疲劳破坏的情况,可以认为,部分预应力混凝土梁的斜截面疲劳破坏是由箍筋的疲劳断裂引起的,第1根箍筋的疲劳断裂是梁达到斜截面疲劳极限状态的标志。A.M.Ozell和E.Ardaman进行了8片先张法预应力钢筋混凝土梁的疲劳试验,试验结果表明,预应力筋的疲劳断裂是梁疲劳破坏的原因,在疲劳加载的前期,梁的变形很小,但随着加载次数的增加,在加载后期梁的挠度有显著的增大;在疲劳试验过程中,支座处没有出现剪切裂缝,说明是梁的正截面疲劳破坏起控制作用。3.2.2混凝土梁的加固刚度和静载试验粘钢加固是一种常用的加固混凝土梁的方法,大量研究已经表明,粘钢加固可以大幅度提高钢筋混凝土梁的静载强度,对于其疲劳性能,国内外部分学者也做了许多研究。国内其他一些学者的研究也表明,当粘钢补强方法适当时,加固梁较对比梁的疲劳性能有明显提高,其裂缝产生时间也显著地延长。在通常情况下,混凝土原梁在重复荷载作用下,其疲劳破坏均发生在跨中的纯弯段上;而经粘钢补强的加固梁,则常因为梁端剪力区补强方式不够妥善,而使疲劳破坏多发生在梁端附近弯剪作用区,且多在沿45°的主拉应力方向。经粘钢补强后的加固梁的刚度都有明显的提高,混凝土梁正截面加固底部钢板对加固梁刚度的提高起了主要作用,底部钢板厚度越大,刚度提高越多。ByungHwanOh等人同样研究了粘钢加固钢筋混凝土梁的静载和疲劳性能,试验中考虑了钢板厚度、锚固层厚度和剪跨比等因素的影响。疲劳试验的结果表明,粘钢加固后梁的疲劳力学性能有显著的增强,承受同样次数的疲劳荷载后,加固后的梁与未加固的梁相比,其变形有大幅度的下降。通过总结国内外研究结果可以看到,粘钢加固对钢筋混凝土梁疲劳性能影响较大,加固后的梁疲劳性能有显著的增强,不仅开裂延迟而且疲劳强度也获得提高。4混凝土梁疲劳性能(1)钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态主要包括正截面疲劳破坏和斜截面疲劳破坏。决定疲劳破坏形态的关键因素是配筋率,当配筋率小于界限配筋率时为正截面弯拉破坏,当配筋率大于界限配筋率时为斜截面剪压破坏。箍筋对梁的斜截面疲劳性能有显著的影响,斜向配箍的钢筋混凝土梁具有较高的疲劳强度。(2)外掺纤维可以显著地提高混凝土梁的疲劳性能。掺入钢纤维、聚丙烯纤维的混凝土表现出比普通混凝土更好的疲劳性能,特别是表现在弯曲疲劳性能的提高,但疲劳强度和疲劳寿命的提高程度与纤维的掺量有密切的关系;当同时掺入碳纤维和聚丙烯纤维时,由