樊　素

(四川建筑職業(yè)技術學院 結構技術中心， 四川 德陽　618000)

?

公路鋼筋混凝土疲勞試驗及耐久性研究

樊素

(四川建筑職業(yè)技術學院 結構技術中心， 四川 德陽618000)

隨著公路服役年限的增加，公路鋼筋混凝土梁疲勞破壞已在工程領域引起重視。首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，然后以中小跨徑公路橋梁三路居橋為例，結合ANSYS 9.0軟件驗算了算例橋梁的疲勞應力，最后結合超載問題以及實際運營荷載已不滿足規(guī)范要求現(xiàn)狀，對公路橋梁進行了試驗研究，通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗得出結論：各個試驗梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬次，表明我國中小跨徑公路橋梁耐久性大大降低，存在潛在的安全事故問題。

車輛荷載模型； 疲勞應力； 等幅疲勞試驗

0　引言

我國對跨河、跨海橋梁進行了大量的研究，然而僅有少量試驗對公路橋梁的應力水平、疲勞水平進行研究，公路橋梁作為公路交通的瓶頸，在運營安全方面具有十分重大的意義。自上世紀以來，鋼筋混凝土橋梁因其造價經(jīng)濟，制造簡單等諸多優(yōu)點，在中小跨徑公路橋梁設計中得到了廣泛的應用。在我國公路通車里程中，鋼筋混凝土公路橋梁約占領總橋梁數(shù)的80%，因此鋼筋混凝土公路橋梁在公路工程中占據(jù)著非常重要的地位，其設計、施工、養(yǎng)護等流程都十分重要。

鋼筋混凝土公路橋梁地位如此之重，卻也存在著兩個非常突出的安全問題： ①車輛對橋梁的承載能力要求越來越高； ②隨著服役時間的增長，其承載能力逐漸減小且發(fā)生疲勞破壞的可能性日益增大。如果這兩個問題不能得到有效的解決，必然會導致交通事故發(fā)生。引起公路橋梁承載力下降的因素有許多，主要包括材料自身特性、不良環(huán)境侵蝕以及長期汽車荷載作用。在長期的汽車荷載作用下，橋梁結構內(nèi)部易引起損傷積累，使得橋梁發(fā)生疲勞破壞。

因此本文有針對性的選取了常見的典型中小跨度公路橋梁，進行實際運營荷載下的耐久性研究，已期提高公路橋梁的耐久性，進而提高公路的使用壽命。本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋為算例，結合ANSYS9.0軟件驗算了三路居橋梁的疲勞應力，通過模型與計算可知在小跨徑公路橋梁荷載問題中，活荷載所占比重較高，存在較大的疲勞破壞潛在風險；并且由于我國超載問題較為嚴重，雖然算例橋梁的設計荷載滿足規(guī)范要求，但是在實際運營荷載狀況下已不滿足規(guī)范要求，并不能將200萬次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此對公路橋梁進一步進行試驗研究，通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗可知各個試驗梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，表明我國中小跨徑公路橋梁存在很大的安全事故風險。

1　公路車輛疲勞荷載模型的建立

在實際工程中，公路橋梁的應力水平往往決定了公路的使用耐久性，我國對跨河、跨海橋梁進行了大量的研究，然而僅有少量試驗對公路橋梁的應力水平、超載水平進行研究，因此本文有針對性地選取了常見的典型中小跨度公路橋梁，進行實際運營荷載下的耐久性研究，以期提高公路橋梁的耐久性，進而提高公路的使用壽命。本文選取正在服役的三路居橋作為中小跨徑橋梁的代表，該橋為三跨簡支鋼筋混凝土橋梁，全長37.9 m，寬度4.8 m，橋跨組合10 m+14.96 m+10 m，始建于1982年，并于2008年進行維修，維修后上部結構采取裝配式鋼筋混凝土T梁，中心間距1.6 m，其基本概況見表1，圖1。

1.1荷載模型及參數(shù)設計

根據(jù)我國現(xiàn)行《公路橋涵通道設計規(guī)范》(JTG D60 — 2004)，一般采取車道荷載與車輛荷載兩種形式，車道荷載由均布荷載與集中荷載組成，按照公路1級水平，結合影響線最不利荷載方式來計算結構的荷載效應。車輛荷載用于橋梁局部加載效應計算，車道荷載與車輛荷載用于橋梁的靜力計算，針對車輛動力效應，需要引入沖擊數(shù)來對靜力效應調整(見圖2)。

表1 三路居橋鋼筋混凝土基本概況Table1 Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete橋梁名稱跨徑/m截面形式荷載等級車道數(shù)橋梁寬度/m梁高/m主梁片數(shù)混凝土等級縱筋數(shù)量及等級三路居橋14.96T梁公路1級14.80.753C30頂4?28底12?28

圖1　三路居橋主梁跨中斷面及構造配筋圖Figure 1　　　　Three road bridge girder section and span structure reinforcement chart

圖2　公路1級車道荷載模型Figure 2　Load model of 1 grade highway

由于橋梁結構與車輛荷載相互作用會產(chǎn)生荷載變幅，因此要考慮恒荷載與活荷載的組合效應。在設計基本組合中，根據(jù)《公路橋涵通用設計規(guī)范》(JTG D60 — 2004)，恒荷載標準值組合系數(shù)取1.2，活荷載標準值組合系數(shù)取1.4。針對疲勞荷載組合，查閱美國AASHTO規(guī)范可知，AASHTO規(guī)范將疲勞極限狀態(tài)并列于承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)提出，疲勞荷載組合中僅僅考慮了0.75的活荷載組合系數(shù)。根據(jù)我國《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010 — 2010)指出，在疲勞荷載驗算中荷載應取標準值，吊車荷載需乘以動力系數(shù)，根據(jù)我國《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017 — 2003)，針對直接承受動力荷載結構，荷載標準值不乘以動力系數(shù)。綜合上述規(guī)范可知，在各個荷載組合方法中，疲勞極限狀態(tài)設計并未獨立出來，因此結合公路橋梁實際問題，考慮到汽車荷載沖擊效應明顯，本文采取《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010 — 2010)中的組合方法，對汽車荷載考慮沖擊系數(shù)μ，具體組合方法如表2所示。

表2 荷載組合方式及參數(shù)Table2 Loadcombinationmodeandparameters荷載組合組合名稱組合系數(shù)恒荷載活荷載組合1設計基本組合1.21.4組合2疲勞組合11+μ

沖擊系數(shù)μ根據(jù)《公路橋涵通用設計規(guī)范》(JTGD60 — 2004)，按照公式(1)、式(2)計算：

橋梁基頻：

(1)

沖擊系數(shù)：

μ=0.176 7lnf-0.015 7

(2)

因此，得到三路居橋梁的沖擊系數(shù)如表3所示。

表3 三路居橋梁基頻與沖擊系數(shù)Table3 bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序號l/mE/(N·mm-2)Ic/m4A/m2mc/(kg·m-1)f/Hzμ1153×1030.02450.48312565.340.28

1.2ANSYS軟件實體建模

在ANSYS軟件中，梁一般采取桿單元模型，結合三路居橋梁的簡支梁形式，只需在梁一端節(jié)點處約束三個轉動自由度以及一個沿軸線方向的線自由度，另一端制作節(jié)點約束三個轉動自由度，梁體與制作節(jié)點剛性連接并保持位移與協(xié)調變形條件。所建好的實體模型如圖3所示。

圖3　三路居橋上部結構實體模型Figure 3　Three road bridge superstructure model

1.3公路鋼筋混凝土橋梁疲勞應力計算

結合上述荷載模型以及參數(shù)設計，采用ANSYS 9.0軟件進行結構的疲勞驗算，其中疲勞驗算根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010 — 2010)，主要計算方法如公式(3)～式(6)所示：

等效截面參數(shù)：

(3)

(4)

鋼筋應力幅：

(5)

混凝土最大壓應力：

(6)

結合上述車道好荷載模型與疲勞驗算公式，采取ANSYS 9.0軟件進行計算，最終得到算例橋梁的疲勞應力值如表4所示。

表4 算例橋梁疲勞應力計算結果以及規(guī)范限值Table4 Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit計算荷載跨徑/mMfmaxMfminσfs,maxσfs,minΔσfs[Δσfs]σfc,max[σfc]設計荷載15.00950.10460.29206.7299.80105.91120.169.1613.24標準荷載15.00806.52460.29175.1599.8074.34103.877.1314.26調查荷載15.001028.51460.29224.0399.80123.22125.2510.1813.24

結合表4可知: 標準疲勞荷載下橋梁的縱向鋼筋應力幅較小，距離《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010 — 2010)鋼筋疲勞應力幅值尚有一定安全儲備，在表4中，設計荷載與實際調查下的縱向鋼筋應力幅值分別接近118、123 MPa，根據(jù)朱紅兵試驗得出的普通鋼筋疲勞壽命S—N曲線可知，設計荷載水平下的極限循環(huán)次數(shù)分別為268萬次與243萬次，調查荷載應力下的極限循環(huán)次數(shù)為157萬次與124萬次。根據(jù)規(guī)范選定200萬次作為疲勞破壞界限，可知算例橋梁滿足疲勞驗算試驗。通過上述疲勞應力的驗算可知算例橋梁滿足設計荷載應力規(guī)范要求，然而在實際運營荷載下已不滿足規(guī)范要求，因此并不能完全確定是否橋梁在200萬次循環(huán)界限時發(fā)生疲勞破壞，為此需進一步進行鋼筋混凝土疲勞試驗，獲取相應應力水平下的極限循環(huán)次數(shù)，進而對公路橋梁結構進行更準確的疲勞壽命評估。

2　鋼筋混凝土梁疲勞試驗

2.1試驗梁原材料與結構設計

采取C40混凝土，普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級配官平卵石，最大粒徑31.5 mm，細骨料為渭河細沙，細度模數(shù)為2.0，砂率為38%。鋼筋采取HRB400熱軋帶肋鋼筋，實測屈服強度為440 MPa，極限抗拉強度610 MPa；混凝土實測抗壓強度為43.2 MPa。試驗梁長2.7 m，計算跨度2.4 m，梁寬150 mm、高300 mm，其配筋構造如圖4所示。

圖4　試驗梁配筋構造Figure 4　Structure of test beam reinforcement

2.2銹蝕方案

本文采取快速通電銹蝕方案，將實驗梁放置在濕鹽砂中，以濕鹽砂為導電介質，形成電解回路如圖5所示。

圖5　濕鹽砂銹蝕方案Figure 5　Corrosion of wet salt sand

在通電銹蝕期間，定時向濕鹽砂澆入飽和鹽水并覆蓋棕墊減緩濕鹽砂水分蒸發(fā)，銹蝕采取梁體沿縱向鋼筋鋼筋裂縫控制，以0.1、0.3、0.6、1.0 mm為裂縫寬度等級，當裂縫寬度達到0.6 mm后再進行疲勞試驗測試。

2.3疲勞試驗加載與測試方案

采用西安建筑科技大學YAW — 5000型微機控制電液伺服壓力試驗機，整個加載系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　疲勞試驗加載系統(tǒng)Figure 6　loading system of fatigue test

結合圖6可知： 采取三分點靜力加載方式以位移控制，加載速度總體設置為0.05 mm/min，不同階段加載速度如表5所示。

接下來要明確測試內(nèi)容并進行疲勞試驗測點布置，主要測試混凝土應變、純彎鋼筋應變以及跨中撓度，在兩根主筋跨中位置分別粘貼應變片，梁跨中頂面以及地面各粘貼一個混凝土應變片，梁跨中位置兩側面間隔50 mm粘貼混凝土應變片，應變片技術參數(shù)如表6所示。

表5 靜力試驗各階段加載速率Table5 Loadingrateateachstageofstatictest加載階段預加載預加載～McrMcrMconMu荷載區(qū)間0～5Mcr5～0.8Mcr0.8～1.2Mcr0.8～1.2Mcon0.8～Mu加載速率/(mm·min-1)0.50.50.20.20.2

表6 鋼筋、混凝土應變片技術參數(shù)Table6 Technicalparametersofsteelbarandconcretestraingauge型號電阻值/Ω靈敏系數(shù)柵長×柵寬BX120-5AA 120±0.1%2.12±1.3% 5×3BX120-80AA120±0.1%2.12±1.3%80×3

2.4測試結果分析

通過上述實驗方案，對試驗梁進行靜力加載試驗，獲得梁的荷載—位移曲線如下圖7所示，獲得控制荷載實測值與第一節(jié)理論計算值對比關系如表7所示。

表7 靜力試驗控制荷載計算值與實測值Table7 Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷載下限荷載上限S1S2極限承載力水平應力0.250.50.55鋼筋應力/MPa100200220鋼筋應變/με50010001100控制荷載設計值/kN4275.882.8144 控制荷載實測值/kN43.972.579.6177.6 實測值與計算值誤差/%4.54.351.16 23.3 跨中位移實測值/mm6.799.4510.06 32.28

從圖7中可以看出: 試驗梁先后經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強化階段以及局部緊縮階段，為典型的適筋梁破壞。結合表7可知：各控制荷載實測值與計算值基本吻合，除梁的極限承載力差別較大，實測值教計算值超出23.3%。

圖7　靜載試驗荷載-位移曲線Figure 7　Load displacement curve of static load test

接下來對試驗鋼筋混凝土梁采取等幅疲勞試驗，記錄疲勞循環(huán)過程中縱向鋼筋應力變化情況，通過應變片與動態(tài)應變儀連接，采集到的試驗梁疲勞循環(huán)過程中縱向鋼筋應力變化情況如圖8、表8所示。

圖8　試驗梁縱向鋼筋應力隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Figure 8　The variation of stress with cycle times of test beam

結合圖8與表8可知： 在疲勞試驗加載初期，縱筋應力幅值保持平穩(wěn)，與設計階段幅值基本接近，表明試驗控制達到了預期目的，在RCBPLL — 1梁中，隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，縱筋應力上峰值與下峰值保持穩(wěn)定，直到破壞邊緣上峰值與下峰值增大了2.5%～16.1%，表明梁體內(nèi)部發(fā)生了明顯的疲勞損傷，而在梁RCBPLL — 2中，縱筋上峰值與下峰值出現(xiàn)了下降趨勢，這可能是由于應變片粘貼位置發(fā)生偏移，使得測試應力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

表8 縱向鋼筋動態(tài)應力隨循環(huán)次數(shù)變化情況Table8 Thedynamicstressoflongitudinalreinforce-mentwiththechangeofcycletimes梁循環(huán)次數(shù)/萬次最大值/MPa最小值/MPa幅值/MPa11187.685.4102.22190.083.0107.05192.481.4111.010200.489.4111.050195.6103.092.6RCBPLL—1100198.894.2104.6150196.492.6103.8200190.091.099.0250189.286.2103.0280197.285.4111.81227.9113.4114.62238.3130.9107.45222.498.2124.210244.7126.1118.6RCBPLL—250291.8141.3150.5100270.3123.0147.3179185.683.8101.8182174.539.1135.3

3　結論

本文首先建立了公路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑公路橋梁三路居橋為算例，結合ANSYS9.0軟件驗算了三路居橋梁的疲勞應力，通過模型與計算可知在小跨徑公路橋梁荷載問題中，活荷載所占比重較高，為50%～60%，因此存在較大的疲勞問題；并且由于我國超載問題較為嚴重，雖然算例橋梁的設計荷載滿足規(guī)范要求，但是在實際運營荷載狀況下已不滿足規(guī)范要求，并不能將200萬次作為公路橋梁的疲勞破壞界限，因此需對公路橋梁進一步進行試驗研究，獲取相應應力水平下的極限循環(huán)次數(shù)。

通過縱筋腐蝕梁等幅疲勞試驗可知各個試驗梁極限循環(huán)次數(shù)大幅度下降，已經(jīng)接近甚至小于200萬次，表明我國中小跨徑公路橋梁存在潛在的安全事故問題，需受到廣泛的重視以免發(fā)生交通事故。

[1]晏富洋.公路橋梁疲勞試驗二維荷載譜研究[D].重慶:重慶交通大學,2013.

[2]任偉平. 鋼橋整體節(jié)點疲勞性能試驗與研究[D].成都:西南交通大學,2004.

[3]周泳濤,翟輝,鮑衛(wèi)剛,等.公路橋梁標準疲勞車輛荷載研究[J]. 公路,2009(12):21-25.

[4]肖赟. 預應力混凝土梁超載疲勞剛度退化試驗研究[D].北京:北京交通大學,2014.

[5]何武超. 公軌兩用斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固區(qū)足尺模型疲勞試驗研究[D].上海:同濟大學,2007.

[6]潘鵬,李全旺,周怡斌,等.某公路大橋車輛荷載調查與局部疲勞分析[J]. 土木工程學報,2011(05):94-100.

[7]陳強，劉靈勇，周先雁.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的力學性能試驗[J].森林工程，2015，31(1)：112-117.

[8]宋曉東，張文學.瀝青混凝土路面物理除冰雪加熱功率優(yōu)化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.

[9]馬靜. 水泥穩(wěn)定冷再生基層瀝青路面疲勞壽命研究[D].沈陽:沈陽建筑大學,2011.

[10]A. de Pannemaecker,S. Fouvry,M. Brochu,J.Y. Buffiere. Identification of the fatigue stress intensity factor threshold for different load ratios R:From fretting fatigue to C(T) fatigue experiments[J]. International Journal of Fatigue,2016,82.

[12]Aye Thant Htoo,Yukio Miyashita,Yuichi Otuska,Yoshiharu Mutoh,Shigeo Sakurai. Variation of local stress ratio and its effect on notch fatigue behavior of 2024-T4 aluminum alloy[J]. International Journal of Fatigue,2016.

[13]J. Toribio,M. Lorenzo,D. Vergara,L. Aguado. Residual Stress Redistribution Induced by Fatigue in Cold-Drawn Prestressing Steel Wires[J]. Construction and Building Materials,2016.

[14]Xiaolong Liu,Chengqi Sun,Youshi Hong. Faceted crack initiation characteristics for high-cycle and very-high-cycle fatigue of a titanium alloy under different stress ratios[J]. International Journal of Fatigue,2016.

The Research on Durability and Fatigue Test of Highway Reinforced Concrete

FAN Su

(Sichuan College of Architecture Technology Structure Technology Center, Deyang,Sichuan 618000, China)

With the increase of the service life of the road, the fatigue damage of the reinforced concrete beam has been paid attention to in the engineering field. We set up the highway bridge vehicle load model, Then with small and medium span highway bridge road bridge for example, combined with calculation of ANSYS 9.0 software the numerical bridge as example the fatigue stress, finally overload problem and the actual operating load has not meet the specification requirements of the situation, and the experimental study is carried out on the highway bridge, through the corrosion of longitudinal reinforcement beam fatigue test, a conclusion is drawn: for each test beam limit cycles is greatly reduced, is close to or even less than 200 million times, indicating that China's small and medium span highway bridge durability greatly reduced, there are potential safety problems.

vehicle load model； fatigue stress； constant amplitude fatigue test

2016 — 04 — 18

樊素(1983 — )，女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：結構工程。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)04 — 0274 — 05