許見(jiàn)超 吳潔瓊 刁波 石龍 王帥

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）橋梁結(jié)構(gòu)受到的車(chē)輛疲勞荷載水平一般較低，疲勞荷載水平約為0.4 時(shí)［1］會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生低載疲勞脆性破壞。沿海地區(qū)RC 梁結(jié)構(gòu)還受氯環(huán)境的腐蝕作用，外部環(huán)境中的氯離子通過(guò)疲勞裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部到達(dá)鋼筋表面，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，大大降低了結(jié)構(gòu)壽命。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。首先，已有研究證實(shí)配筋率是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要因素之一［2-3］。Tong 等［2］研究了低載疲勞作用下梁試件的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)提高H 型鋼配筋率會(huì)提高梁的疲勞強(qiáng)度。陳浩軍等［3］研究證明在疲勞荷載作用下，不同配筋率（0～1.946%）的混凝土梁會(huì)出現(xiàn)折斷破壞、彎拉破壞和剪壓破壞3 種破壞形式。其次，在疲勞加載過(guò)程中，裂縫開(kāi)展、殘余變形以及結(jié)構(gòu)耗散能量的情況都表征了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積情況［4-6］。Toumi等［4］研究了疲勞加載作用下混凝土的裂縫開(kāi)展情況，發(fā)現(xiàn)裂縫比靜力加載時(shí)更復(fù)雜，且試件內(nèi)部裂縫主路徑前端沒(méi)有不連續(xù)的微裂縫。Liu等［5］研究發(fā)現(xiàn)在疲勞加載過(guò)程中，疲勞荷載水平分別為0.6，0.7 和0.8 時(shí)，試件的殘余撓度累積現(xiàn)象明顯。Paskova 等［6］研究了素混凝土和纖維混凝土的疲勞性能（應(yīng)力水平為0.80～0.95），并根據(jù)荷載-撓度曲線計(jì)算了試件的耗散能量，發(fā)現(xiàn)耗散能量隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增多而增加，試件的耗能能力與疲勞壽命具有一致的變化規(guī)律。最后，在氯腐蝕環(huán)境下的疲勞加載方面，劉子鍵等［7］對(duì)鋼筋混凝土梁施加疲勞荷載20 萬(wàn)次后再進(jìn)行100 d 的氯腐蝕，通過(guò)靜力加載得到鋼筋混凝土梁的受彎承載力。研究發(fā)現(xiàn)其與未經(jīng)歷疲勞加載和氯腐蝕的梁試件相比，初始剛度、屈服荷載和極限荷載分別降低了51.8%，21.8%和15.1%。王海超等［8］對(duì)RC 梁在空氣環(huán)境、淡水環(huán)境和鹽水環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鹽水和疲勞荷載作用下RC 梁損傷加速，且鹽水中梁的疲勞壽命最短。RC 梁的損傷受配筋率的影響［9］，進(jìn)而會(huì)影響氯腐蝕作用下的鋼筋銹蝕。Wu 等［10］從RC 梁疲勞加載過(guò)程中宏觀變形量（應(yīng)變、剛度、振幅等）角度出發(fā)，分析了配筋率和氯腐蝕環(huán)境對(duì)RC 梁疲勞性能的影響，然而RC梁殘余變形和能量耗散情況尚不知曉。

為模擬沿海地區(qū)RC 梁的實(shí)際工作狀態(tài)，本文對(duì)不同配筋率的RC 梁試件先進(jìn)行疲勞加載，再進(jìn)行海水干濕循環(huán)，最后通過(guò)疲勞壽命試驗(yàn)測(cè)試其剩余疲勞壽命。從損傷累積的角度研究裂縫發(fā)展情況、殘余變形和耗散能量的變化，分析配筋率和疲勞-氯腐蝕綜合作用對(duì)RC梁疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

混凝土按C35 設(shè)計(jì)，縱筋選用φ14 的HRB400 鋼筋，箍筋選用φ10 的HPB300 鋼筋。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，本文梁試件的適筋-超筋界限配筋率為3.76%，分別在受拉區(qū)對(duì)稱(chēng)布置2根、3根和5根縱筋，得到配筋率r分別為1.06%，1.59%和2.91%的RC梁試件，均為適筋梁，且基本涵蓋了常用配筋率［11］。每種配筋率澆筑3 根試件（圖1），共9根。試件分為A，B，C 組，每組均包含3 種配筋率的梁試件各1根?；炷僚浜媳纫?jiàn)表1。

圖1 梁試件幾何尺寸及配筋情況（單位：mm）

表1 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

疲勞-氯腐蝕綜合作用試驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)混凝土齡期約為360 d，實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為43 MPa，縱筋屈服強(qiáng)度為450 MPa。試驗(yàn)加載布置見(jiàn)圖2，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)步驟如下：

圖2 試驗(yàn)加載布置

表2 試驗(yàn)參數(shù)

1）對(duì)A組梁試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)，配筋率為1.06%，1.59% 和2.91% 梁試件的靜力極限荷載分別為Fu1=120.0 kN，F(xiàn)u2=172.0 kN和Fu3=253.0 kN。

2）在大氣環(huán)境中直接對(duì)B 組梁試件進(jìn)行疲勞加載，測(cè)試其疲勞性能及壽命。Laman 等［12］發(fā)現(xiàn)當(dāng)疲勞荷載水平為0.2和0.3時(shí)，梁試件加載500萬(wàn)次時(shí)未發(fā)生疲勞破壞，故疲勞荷載上限取0.4 倍的靜力極限荷載。疲勞荷載下限取6.0 kN。橋梁交通荷載頻率約為5～10 Hz［13］，本文疲勞加載頻率取5.1 Hz。當(dāng)RC梁試件發(fā)生疲勞破壞或加載次數(shù)達(dá)到600 萬(wàn)次時(shí)，疲勞加載試驗(yàn)結(jié)束。

3）對(duì)C 組梁試件進(jìn)行疲勞-氯腐蝕綜合作用試驗(yàn)。①制造初始疲勞損傷，對(duì)梁試件進(jìn)行疲勞加載40 萬(wàn)次；②氯腐蝕，對(duì)梁試件進(jìn)行6 個(gè)月的NaCl 溶液干濕循環(huán)作用，每個(gè)干濕循環(huán)首先在NaCl 溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%，模擬海水）浸泡6 h 后在大氣環(huán)境中干燥42 h。③開(kāi)展剩余疲勞性能試驗(yàn)，對(duì)試件進(jìn)行疲勞加載直至破壞。

1.3 數(shù)據(jù)記錄

1）疲勞荷載。通過(guò)與疲勞試驗(yàn)機(jī)相連的荷載傳感器采集疲勞荷載，采集頻率20 Hz。

2）裂縫長(zhǎng)度。為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)展情況，加載前在梁試件側(cè)面每隔30 mm 高度畫(huà)水平參考線。疲勞加載過(guò)程中前10 萬(wàn)次每隔1 萬(wàn)次以及后續(xù)每隔10 萬(wàn)次卸載1次，并用卷尺測(cè)量記錄裂縫的長(zhǎng)度。

3）撓度。將3個(gè)位移傳感器分別布置在梁試件底部跨中以及2 個(gè)加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置采集撓度數(shù)據(jù)，采集頻率20 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 疲勞壽命

B 組和C 組梁試件的疲勞破壞均由鋼筋疲勞拉斷導(dǎo)致，疲勞壽命見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，B2，C2 梁試件的疲勞壽命均分別優(yōu)于B1，B3 及C1，C3 梁試件，即1.59%配筋率梁試件的疲勞壽命優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。此外，C組梁試件在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，其總計(jì)疲勞次數(shù)比B組對(duì)應(yīng)配筋率梁試件分別降低了78%，75%和66%，表明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞性能。

表3 疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果萬(wàn)

2.2 裂縫發(fā)展

梁試件疲勞加載過(guò)程中裂縫發(fā)展情況見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，對(duì)于B1，B3和C組發(fā)生疲勞破壞的梁試件，裂縫發(fā)展可分為3 個(gè)階段：快速發(fā)展階段（疲勞壽命的0～10%），穩(wěn)定發(fā)展階段（疲勞壽命的10%～80%）以及疲勞破壞階段。在穩(wěn)定發(fā)展階段，主裂縫的數(shù)量基本維持不變；進(jìn)入破壞階段，撓度突然加大，裂縫長(zhǎng)度陡增并迅速蔓延至梁頂部。

圖3 裂縫發(fā)展情況

2.3 損傷累積

2.3.1 荷載-撓度曲線

圖4 荷載-撓度曲線

每隔1 萬(wàn)次取1 個(gè)加卸載循環(huán)繪制梁試件的荷載-撓度曲線，見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，梁試件的撓度隨疲勞加載不斷增長(zhǎng)，即試件塑性變形不斷累積。此外，B3，C2和C3 梁試件在加載過(guò)程中出現(xiàn)0.4～0.6 mm 的撓度突增，原因是鋼筋的上下排布置及氯腐蝕鋼筋銹蝕的不均勻性導(dǎo)致受拉鋼筋疲勞損傷不同步，鋼筋之間的應(yīng)力重分布，則撓度突增。

2.3.2 殘余撓度

RC 梁試件在疲勞加載過(guò)程中的損傷累積表現(xiàn)為殘余撓度。根據(jù)每一個(gè)卸載曲線的卸載斜率可推算出荷載為0 時(shí)的撓度，即殘余撓度，見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)：①隨著疲勞加載次數(shù)的增加，B 組和C 組梁試件的殘余撓度呈3個(gè)階段變化，即快速發(fā)展、穩(wěn)定發(fā)展和疲勞破壞；②配筋率相同時(shí)，與B 組相比，C 組梁試件殘余撓度至少增加0.5 mm，說(shuō)明疲勞損傷和氯腐蝕綜合作用顯著加劇了RC 梁的疲勞損傷累積；③B3，C2 和C3梁試件的殘余撓度曲線存在突增，與其荷載-撓度曲線對(duì)應(yīng)。

圖5 殘余撓度曲線

2.3.3 耗散能量

加載曲線與卸載曲線包圍的面積為結(jié)構(gòu)耗散的能量，通過(guò)對(duì)每一次荷載循環(huán)的耗散能量求和可得到試件的總耗散能量。B1—B3，C1—C3 試件的耗散能量分別為52，110，80，20，28，24 kN·mm。對(duì)疲勞次數(shù)進(jìn)行歸一化處理，將N/Nf作為橫坐標(biāo)，其中，Nf為疲勞壽命，N為疲勞加載次數(shù)。梁試件耗散能量見(jiàn)圖6。

圖6 梁試件耗散能量

由圖6可知：①隨著疲勞加載次數(shù)的增多，耗散能量呈線性增長(zhǎng)。②B2，C2梁試件的耗能能力均分別優(yōu)于B1，B3 及C1，C3 梁試件，即1.59%配筋率梁試件的耗能能力優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。這與2.1 節(jié)配筋率對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律一致，說(shuō)明可能存在最優(yōu)配筋率使得梁試件疲勞性能及耗能能力最優(yōu)。③C 組梁試件在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，其耗散能量比B 組相應(yīng)配筋率的梁試件分別降低了62%，75%和70%，說(shuō)明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞耗能能力。

3 結(jié)論

1）疲勞加載過(guò)程中，梁試件彎曲裂縫和跨中殘余撓度的發(fā)展可分為快速發(fā)展、穩(wěn)定發(fā)展和疲勞破壞3個(gè)階段。

2）1.59%配筋率梁試件的疲勞壽命和耗能能力優(yōu)于1.06%和2.91%配筋率梁試件。

3）與疲勞單獨(dú)作用相比，在疲勞和氯腐蝕綜合作用下，梁試件的疲勞壽命和耗能能力大幅下降（降幅大于60%），說(shuō)明氯腐蝕作用顯著劣化了RC 梁的疲勞性能及耗能能力。