预应力混凝土梁疲劳可靠性及尺寸效应试验研究

2020-04-21 04:29周宏宇刘洪宇解咏平刘亚南

结构工程师 2020年1期

周宏宇刘洪宇解咏平刘亚南袁慧

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124；2河北地质大学勘查技术与工程学院，石家庄050031）

0 引言

为满足经济和时代发展的要求，铁路列车速度的提升将成为未来发展的必然趋势。已有的研究表明，列车对桥梁的竖向作用随车速的增加而增大［1-3］。因此，对于已建成的高铁桥梁，评估其在承受更大的反复疲劳荷载作用下的性能及可靠性的变化成为高速铁路发展的关键。合理有效地估计桥梁结构的可靠性，既能较为合理地评估结构的剩余使用寿命，又能为列车车速的提升空间提供一定的建议。经过一个多世纪的研究和发展，疲劳可靠性理论及其相应的算法在线性和非线性领域均取得了一定程度的发展［4-8］。然而，现有的大多数理论和方法仅仅考虑单一构件或者整个结构系统，对于尺寸效应可能产生的影响却少有考虑，无法准确获得模型与原型之间的联系，只能借鉴国内外已有的相关经验进行桥梁设计。

本文以京津城际高铁某一路段32 m 简支梁为试验原型，制作了3 根不同尺寸的预应力混凝土简支梁，分别对其开展疲劳试验研究，采集并记录试验数据，采用一次二阶矩法计算试件的疲劳可靠度［9-10］，对比不同尺寸试件的试验结果及计算结果，分析并总结疲劳可靠性的变化情况和尺寸效应对试件性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计了一批共3 根的后张法施工的预应力混凝土简支梁，这一批梁在截面尺寸和长度上存在差异，在试验梁中预留孔道用于铺设波纹管以便后期穿入预应力筋，在预应力筋锚固之后对预留孔道灌浆。试件按尺寸由小到大编号分别为TP1、TP2和TP3，试件尺寸及配筋情况如图1所示。

图1 简支梁配筋图（单位:mm）Fig.1 Simply supported beam reinforcement figure（Unit:mm）

非预应力筋采用HRB335 级，直径为10 mm；箍筋采用HPB300 级；预应力筋采用抗拉强度为1 860 MPa 的 1×7 的钢绞线，公称直径为 9.5 mm；混凝土强度为C50，其余参数见表1。

表1 试件设计参数Table 1 Specimen design parameters

1.2 试验方案及测点布置

试验借助北京工业大学结构工程实验中心的疲劳试验机开展。采用跨中单点加载的方式，通过作动器对试验梁施加集中荷载。疲劳加载下限取计算开裂荷载，鉴于工程背景的需要，疲劳上限参考国外高速铁路规范中的计算公式，即在考虑冲击系数的基础上将不同车速时的动位移转换成跨中集中荷载，加载方案见表2。

表2 加载方案Table 2 Loading scheme

在5 Hz 频率下采用变幅逐级加载的方式，当疲劳至 5 万次、10 万次、30 万次、50 万次、100 万次、150万次和200万次时开展静载试验。当疲劳加载次数达到设定次数，或试件已出现明显疲劳破坏特征时，停止疲劳加载，对试件开展静载破坏试验，测其疲劳剩余承载力。在不同的静载阶段，分别采集此时的钢筋和混凝土的应变、跨中挠度和裂缝宽度等数据，用于反映试件在整个疲劳过程中的损伤程度。

试验过程中主要采集载荷、混凝土应变、钢筋应变、试件竖向位移、弯曲变形等数据。其中混凝土和钢筋主要测点位置如图2、图3 所示；使用百分表测量试件竖向位移，布置如图4所示。

图2 钢筋应变片布置图Fig.2 Strain gauge layout of steel rebar

图3 混凝土应变片布置图Fig.3 Strain gauge layout of concrete

图4 百分表布置图Fig.4 Layout of dial indicator

2 试验结果及分析

2.1 试件最终破坏形态

图5 是三根试验梁最终破坏时的裂缝发展情况，试件失效时，预应力筋均未断裂，受拉区纵筋发生断裂后，试件承载能力迅速下降，裂缝迅速发展，产生1～2条沿截面贯通的主裂缝，其余裂缝均匀分布在主裂缝周围，受压区混凝土出现明显剥落，试件达到疲劳失效状态。

2.2 荷载-跨中挠度曲线分析

图5 试件最终破坏图Fig.5 Ultimate failure figure of specimen

图6 为三根试件在不同疲劳次数时的跨中荷载—挠度曲线；图7 为相同疲劳次数时的挠度发展对比曲线，因疲劳至 100 万次时，TP2 和 TP3 失效，故此处仅绘出疲劳次数为0万次、30万次和50万次时的对比曲线。从图6、图7 中可以分别看出，随着尺寸的增加，在即将发生疲劳破坏时，挠度值有明显的增大；在相同疲劳次数下，试件的挠度发展速度随尺寸的增加而增大；在同一荷载水平和疲劳次数下，跨中挠度随尺寸增加而减小。

图6 荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve

图7 挠度对比曲线Fig.7 Deflection curve of different sizes

图8 最终破坏挠度对比曲线Fig.8 Ultimate failure deflection curve of specimen

图8 为最终破坏时试件的挠度对比曲线。从图中可以看出曲线存在明显的峰值点和下降段，且曲线初始阶段斜率随尺寸增加而减小。试件达到疲劳失效状态时，所对应的挠度分别为7.4 mm、24.51 mm 和38.43 mm，即荷载峰值点所对应的挠度随尺寸增加而增大。疲劳破坏时，试件的挠度发展速率随尺寸的增加而渐趋平缓，且挠度增长速率随荷载的增加而不断减缓。

2.3 混凝土和钢筋应变曲线分析

图9 为三种尺寸试件在几次典型疲劳次数时受压区边缘混凝土荷载—应变曲线。从图中可以看出:混凝土应变的增长呈现两阶段发展趋势，随着疲劳次数的增加，受拉区混凝土开裂，试件弯曲变形增加，使得受压区混凝土应变随之较快增长；对于不同试件，对比三幅图可看出在相同荷载和疲劳次数时，混凝土压应变随尺寸增加而减小。

图9 受压区混凝土荷载—应变曲线Fig.9 Load-strain curve of compression concrete

图10 为临近破坏时试件受压区边缘混凝土荷载-应变对比曲线。在相同的荷载下，应变随尺寸增大而减小；曲线斜率随着尺寸增大而增大；试件失效时，混凝土的最大压应变随着尺寸的增大而减小。

选取简支梁受拉纵筋应变最大点绘制钢筋的实测拉应变曲线，如图11 所示。受疲劳过程的影响，TP1最大应变点处钢筋应变片在疲劳至150万次时失效，TP2和TP3钢筋应变片在疲劳至100万次时失效。

图10 最终破坏时混凝土的应变对比曲线Fig.10 Ultimate failure load-strain curve of concrete

图11 钢筋的实测拉应变曲线Fig.11 Load-strain curve of tensile steel rebar

从图中可看出:钢筋应变存在明显的两阶段发展趋势，即第一阶段应变增长较快，随后增长速度明显减慢。对于同一试件，因在不同的疲劳次数下钢筋的损伤不断累积，故曲线转折点所对应的荷载随疲劳的发展不断降低；对不同尺寸试件，疲劳次数相同的前提下，转折点所对应的荷载随尺寸增加而增大。

图12 为钢筋失效时的实测拉应变曲线。从图中可明显看出，曲线斜率随着尺寸的增加而增大，在同一荷载下，钢筋应变随尺寸增加而减小。

图12 最终破坏钢筋的应变对比曲线Fig.12 Ultimate failure load-strain curve of rebar

通过对试件开展最终静载破坏试验，可以看出:试件在破坏时，主裂缝已接近贯通截面，受压区混凝土部分剥落，而受拉钢筋在主裂缝截面已经断裂。有关文献［11-13］分析认为，在疲劳过程中，受拉钢筋截面上产生的微裂纹会不断扩展，使得有效截面面积不断下降，进而该点钢筋应力会随之增大，形成更不利的受力状态，当钢筋承受接近于其自身疲劳寿命的疲劳荷载作用次数时，钢筋将发生脆性疲劳断裂。