长期服役的高速公路空心梁板疲劳性能试验研究
时间：2022-12-04 16:10:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杜岩松，韩洪涛，郝朝伟，王明法，王鹏程
(1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；
2.山东高速集团有限公司建设管理分公司，山东 济南 250001；
3.交通运输部公路科学研究院 旧桥检测与加固技术交通运输行业重点实验室(北京)，北京 100088)
随着我国高速公路事业的不断发展，高速公路桥梁成为不可或缺的重要组成部分。随着技术不断更新，预应力技术广泛应用于土木工程领域，学者们也不断推进针对预应力混凝土构件的各项研究。预应力钢绞线除了承受主要的静荷载之外，还要承受源源不断的动荷载作用，日复一日的疲劳荷载作用会对预应力混凝土构件造成刚度退化以及变形增大等不可逆的损伤。
面对这一问题，国内外学者对桥梁疲劳性能的研究取得了一定的阶段性成果。邹兰林等[1]对采用能量耗散模拟分析预应力混凝土梁疲劳寿命的可行性进行了研究，指出动态预应力度低的混凝土梁,在疲劳开始阶段耗散能密度衰减更加迅速并更快到达疲劳稳定阶段,且疲劳稳定阶段持续时间更长。罗毅等[2]对湿热环境下预应力CFRP加固RC梁疲劳性能进行了数值分析，研究结果表明湿热环境会降低加固RC梁的疲劳性能，且提高CFRP的预应力度对梁预测寿命的影响呈现多种情况。于明浩等[3]对钢绞线局部锈断混凝土梁疲劳性能试验进行了研究分析，指出不同锈断位置的预应力混凝土梁的静载和疲劳性能均有不同程度降低，当锈断位置处于梁端时，钢绞线与混凝土形成二次锚固效应，对保证梁的刚度具有积极作用。肖顺等[4]对实腹式型钢混凝土梁疲劳破坏模式以及机理进行了研究，指出纯钢梁受剪疲劳强度具有远比其张开型的正截面受弯疲劳强度高的特性,这也同样体现在SRC梁内部钢梁的疲劳性能上；
内部钢梁正截面受弯疲劳破坏是整个SRC梁疲劳破坏的标志。周宏宇等[5]开展了考虑尺寸效应影响的预应力混凝土梁疲劳受弯刚度退化研究，指出多级变幅疲劳加载试验下预应力混凝土梁刚度退化和混凝土损伤发展具有类似规律。
基于以上研究发现，文献[6-11]中都指出了共同问题，即大多数试验是在基于缩尺构件条件下进行的，而对于实际工程中的钢筋混凝土构件，因其复杂的非线性和非均质问题，使得缩尺构件很难呈现出实际问题。此外，对于服役多年的空心梁板桥的研究也相对较少。所以本研究的主要研究对象为服役21 a的旧桥梁板，而国内试验主体主要为新构件，钢筋混凝土经过长时间的车辆荷载、化学反应以及环境因素的影响，其结构性能早已与新构件产生了较大的区别，例如混凝土保护层已发生不可忽略的碳化、材料出现不可逆风化、因细微裂缝导致钢绞线与周围混凝土黏结力的变化等[12-16]，所以本次研究为了与实际情况相吻合，所采用的为高速公路服役超过20 a的预应力空心梁板。
1.1 试验目的
本研究通过选取4片跨径10 m的预应力钢筋混凝土梁板，分别在4种疲劳荷载作用下，获得梁板的相关技术指标，主要试验目的如下：
(1)对梁板在不同循环次数下的挠度、应变进行测试，获得梁板挠度、应变随循环次数的变化规律。
(2)分析梁板在疲劳荷载作用下的外观破坏发展现象，包括裂缝的开裂、发展及钢筋的破坏。通过外观破坏发展现象结合内力、挠度等测试结果，获得梁板疲劳破坏发展机理。
(3)通过梁板疲劳寿命和荷载幅值关系，回归拟合得出10 m跨径预应力梁板疲劳寿命计算公式。
1.2 试件尺寸
本研究选取外观状况良好的4片10 m梁板开展试验，这4片梁均采用抗拉强度为1 860 MPa的预应力钢绞线。试验梁具体尺寸和钢筋截面见表1和图1。
表1 试验梁钢筋尺寸Tab.1 Dimensions of reinforcement of test beam
图1 梁板截面和钢筋截面(单位：cm)Fig.1 Beam slab section and reinforcement section(unit: cm)
1.3 试验内容
按照现行规范[17-18]对试验梁板进行低周荷载试验，测量单板在高应力幅值循环加载下的结构响应，评价单板的耐久性(疲劳寿命)。
(1)结构力学计算
根据公路-Ⅰ级荷载标准，采用结构分析软件进行建模分析，评价不同应力幅值作用下的耐久性(疲劳寿命)。
(2)试验荷载确定
根据设计图纸计算其理论弯矩承载力为Mmax，试验荷载上限分别取0.7Mmax，0.8Mmax，0.9Mmax，1.0Mmax，试验荷载下限取0.2Mmax，加载频率为2 Hz，循环加载直至梁板破坏。
(3)测试截面与测点布设
梁板最不利荷载位置位于自身的中段部分，依据此受力特点，对其中段进行疲劳测试评定截面，并依据试验数据(如力、位移、加载次数)对其梁板疲劳特性进行分析，试验布置见图2。
图2 试验布置Fig.2 Test layout
(4)加载方法
本试验采用MTS完成，试验照片如图3所示。
图3 加载和采集示意图Fig.3 Schematic diagrams of loading and acquisition
试验荷载下限取0.2Mmax，上限分别取0.7Mmax，0.8Mmax，0.9Mmax，1.0Mmax，将这4种荷载幅值分别施加在1#～4#梁板上，每片梁计划循环300万次，每循环1万次暂停试验观测并记录梁板的挠度、应变及裂缝开展状况，直到完全破坏为止。荷载加载制度如图4所示。
图4 荷载加载制度Fig.4 Load loading regime注：图中X表示倍数(0.2Mmax～0.7Mmax).
按照现行规范[17-18]对试验梁板进行抗弯承载能力极限状态验算，依据公式有：
γ0Md≤Mu，
(1)
(2)
验算结果见表2。
表2 旧桥梁板抗弯承载力验算结果Tab.2 Checking result of flexural bearing capacity of old bridge beam slab
3.1 试验现象描述
典型疲劳破坏图如图5所示。根据图5可知，梁板破坏形态为纯弯破坏，梁体彻底破坏，混凝土出现剥落，裂缝由梁底部贯穿到顶部，底部破坏严重，预应力钢绞线出现裸露现象，且底部伴随纵向裂缝，说明梁板在受到疲劳荷载作用下内部钢筋出现滑移状况，预应力钢筋作用下，各裂缝之间距离大体相同。
图5 典型疲劳破坏Fig.5 Typical fatigue failure
随循环次数增加,梁板裂缝延伸态势如图6所示。根据图6可知，试验梁跨中截面顶部混凝土随着疲劳荷载不断施压，其应变越来越大。刚开始应变的变化幅度不大，梁顶破坏现象不明显，后期应变不断累积增大，达到疲劳上限，混凝土破坏特征显现，裂缝随之越来越多，宽度越来越大。荷载幅值越大裂缝出现得越突然，且裂缝较大，所用循环次数越来越少。
图6 梁板随循环次数增加裂缝延伸态势图Fig.6 Crack extension situation diagram of beam slab varying with increase of cycles注：图中裂缝标识的数字为循环次数(万次)；
梁体网格尺寸10 cm×10 cm；
粗线条间距1 m。
图6 (续)Fig.6 (Continued)
3.2 试验数据分析
图7 荷载循环次数-应变曲线Fig.7 Curves of load cycles vs. strain
荷载循环次数-应变曲线如图7所示。根据图7可知，在0.7Mmax幅值下的1#梁板最大应变值为1 372.6，最大疲劳耐受度为200万次；
0.8Mmax幅值下的2#梁板最大应变值为1 383.1，最大疲劳耐受度为102万次；
0.9Mmax幅值下的3#梁板最大应变值为1 265.4，最大疲劳耐受度为48万次；
1.0Mmax幅值下的4#梁板最大应变值为1 214.9，最大疲劳耐受度为21万次。4块梁板破坏时的最大应变值相差不大，但是0.7Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度与0.8Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度比值为200/102=1.96倍，两者幅值的比值为0.8/0.7=1.14倍；
0.7Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度与0.9Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度比值为4.17倍，两者幅值的比值为1.29倍；
0.7Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度与1.0Mmax幅值下的梁板最大疲劳耐受度相差较大，两者幅值仅相差1.42倍，而最大疲劳耐受度却相差9.52倍。通过上述3组数据可以看出，疲劳耐受度不是随荷载幅值增加而呈线性降低，幅值相差倍数-疲劳耐受度相差倍数具体如图8所示。
图8 幅值相差倍数-疲劳耐受度相差倍数Fig.8 Amplitude difference multiple vs. fatigue tolerance difference multiple注：幅值相差倍数表示0.7与0.8、0.7与0.9、0.7与1.0，3者节点为突出显示；
疲劳耐受度相差倍数表示0.7幅值下的疲劳耐受度与0.8幅值下的疲劳耐受度比值，同理另外2个为0.7与0.9幅值下的疲劳耐受度比值以及0.7与1.0幅值下的疲劳耐受度比值。
荷载循环次数-挠度曲线如图9所示。根据图9可知，0.7Mmax～1.0Mmax幅值下的梁板最大挠度分别为181.6,176.7,182.1 mm以及184.3 mm，由此可知4块梁板完全破坏时的挠度浮动范围较小。
图9 荷载循环次数-挠度曲线Fig.9 Curves of load cycles vs. deflection
通过对试验结果进行拟合，得出10 m跨径旧桥预应力空心梁板疲劳寿命与应力幅值的回归拟合计算公式，拟合曲线见图10。
N=758.5-77.4×ln(M+10.6)，
(3)
式中，N为循环次数；
M为梁板疲劳荷载值。
图10 荷载-循环次数拟合曲线Fig.10 Fitting curves of load vs. cycles
图11 有限元实体模型Fig.11 Finite element solid model
4.1 模型建立
有限元实体模型具体见图11，模型钢筋单元采用T3D2 truss单元进行模拟，纵筋和箍筋采用perfect-bond连接方式；
混凝土单元采用缩减积分单元且考虑沙漏能的C3D8R实体单元进行模拟。钢筋嵌入到混凝土单元采用Embedded嵌入方式，将钢筋最终嵌入混凝土里面，与其形成一个整体，此次模型未考虑钢筋粘结滑移状态。根据计算机性能以及考虑计算精确度，将混凝土单元划分为100 mm的六面体，将钢筋单元划分为45 mm的六面体，边界条件模拟普通的简支梁。加载方式与实际试验相同。
4.2 试验与数值模拟结果对比分析
模拟最大荷载的过程中，混凝土应变云图详见图12。混凝土最大应变试验与数值模拟结果对比分析如图13所示。
根据图13(a)可知，在有限元软件ABAQUS疲劳模拟分析中幅值为0.7Mmax下的1#梁板最大疲劳耐受度为223.5万次，相较于试验数据200万次来看，两者比值为0.895，比值接近1，说明差距较小；
模拟最大应变值为1 476.5，试验最大应变值为1 372.6，两者差距较小；
从线形上来看，模拟数据和试验数据在前期循环次数较少时，应变值变化幅度较小，而后期随着循环次数的增加，混凝土梁板刚度退化，其应变值增大幅度较为明显。综合图表数据来看，模拟数据与试验数据较为吻合，进而真实反映出梁板在循环次数不断增加下的刚度退化形式。
根据图13(b)可知，在有限元软件ABAQUS疲劳模拟分析中幅值为0.8Mmax下的2#梁板最大疲劳耐受度为110.5万次，而试验数据为102万次，两者差距不大；
模拟最大应变值为1 558.6，试验最大应变值为1 383.1，两者悬殊较小；
而从线形上来看，试验数据在1 200～1 300微应变区间出现增幅较大的现象，随后降低是由于应力重分布导致。而模拟数据在这一区间依旧较为平顺，主要原因是有限元模拟中未考虑钢筋黏结滑移状况，而真实试验中钢筋是存在与混凝土之间黏结滑移状况的。其他区间增长趋势较为吻合。
图12 混凝土应变云图Fig.12 Nephograms of concrete strain
图13 混凝土最大应变试验与数值模拟结果对比Fig.13 Comparison of maximum strain test result and numerical simulation result of concrete
根据图13(c)可知，在有限元软件ABAQUS疲劳模拟分析中幅值为0.9Mmax下的3#梁板最大疲劳耐受度为58万次，试验数据为48万次，两者差距仅为10万次。但是其模拟最大应变值与试验最大应变值的差距较大，达到了425.5。这是因为有限元模拟中未考虑混凝土损坏后会出现剥落现象，梁板顶部受压，根据混凝土本构关系可知，混凝土受压彻底破坏后，继续加压其抗压强度不降反升，此种情况正可解释上述数据悬殊较大的原因。
根据图13(d)可知，在有限元软件ABAQUS疲劳模拟分析中幅值为1.0Mmax下的4#梁板最大疲劳耐受度为35.6万次，试验数据为21万次，两者差距较小。但是其模拟最大应变值与试验最大应变值差距依旧较大，其原因与图13(c)同理。
本研究以某高速公路改扩建工程为依托，对服役多年的高速公路预应力钢筋混凝土空心梁板进行疲劳性能分析，主要结论如下：
(1)由上述相关数据可知，不同幅值下的梁板破坏时挠度以及应变值上下浮动小，但是其疲劳寿命相差较大，这说明荷载幅值的增大不会影响破坏时的挠度和应变值，只对疲劳寿命有影响。
(2)裂缝发展由梁底部向上延伸，并在破坏阶段贯穿顶部。当梁板疲劳破坏时梁顶混凝土首先被压碎，然后受拉区破坏，属于典型的脆性破坏。
(3)试验梁中段顶部混凝土随着疲劳荷载不断施压,其应变越来越大，刚开始应变的变化幅度不大，梁顶破坏现象不明显，后期应变不断累积增大，混凝土破坏特征显现。随着荷载幅值的变大，挠度和应变的增长速度也变快，疲劳寿命减小。
(4)通过10 m空心梁板在不同应力幅值下的疲劳试验，根据试验结果拟合得出10 m空心梁板疲劳寿命与应力幅值相关的计算公式。
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