不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳S-N曲线研究

第３９卷，第４期　２　０　１　４年８月　公　路　工　程　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３９，Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２　０　１　４　不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳Ｓ一／＼／曲线研究　夏晓慧　，宁夏元　（１．湖南交通职业技术学院，湖南长沙４１０１３２；　２．湖南省交通科学研究院，湖南长沙４１００１５）　［摘要】钢筋混凝土梁中钢筋腐蚀对疲劳的影响不容忽视，针对目前不同腐蚀下钢筋混凝土梁疲劳性能研　究较少的情况，介绍了４种疲劳寿命评估方法，并以名义应力疲劳寿命评估法为理论基础，对国内以前做的部分钢　筋混凝土梁疲劳试验结果进行了分析，采用应力幅作为钢筋混凝土梁的疲劳参数，取保证概率为９５％，拟合了４种　不同腐蚀下钢筋混凝土梁的疲劳Ｓ一Ⅳ曲线，并进行对比分析，可为相关研究提供一定的参考。　［关键词】腐蚀；钢筋混凝土；疲劳．ｓ一Ⅳ曲线　［中图分类号】Ｕ　４４８．３４　［文献标识码】Ａ　［文章编号］１６７４—０６１０（２０１４）０４—００６１—０３　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　Ｒａｔｅ　ｏｆ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｅａｍｓ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ—Ｎ　Ｃｕｒｖｅｓ　ＸＩＡ　Ｘｉａｏｈｕｉ　，ＮＩＮＧ　Ｘｉａｙｕａｎ　（１．Ｈｕｎａｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４　１　０　１　３２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕｎａｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００１５，Ｃｈｉｎａ）　・　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｉｎ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｉｇｎｏｒｅｄ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｌｅｓｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏ－　ｄｕｃｅｓ　ｆｏｕｒ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｎｏｍｉｎａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ，ｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙ　ｄｏｎｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｐａｒｔ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｓ　ａ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｔａｋｅｎ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ａ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　９５％，ｆｉｔｔｉｎｇ　ｆｏｕｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ－Ｎ　Ｃｕｒｖｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ－Ｎ　ｃｕｒｖｅｓ　０前言　１　疲劳寿命评估方法　随着近年来我国公路交通运输量的猛增和汽车　在进行工程结构疲劳寿命评估时，疲劳寿命估　超载事情的时有发生，钢筋混凝土梁的运营荷载往　算方法是理论基础。到目前，常用的疲劳寿命估算　往极大的超出了设计值，势必将对既有钢筋混凝土　方法有基于名义应力、局部应力应变、断裂力学和损　梁造成疲劳损伤。因此，及时发现钢筋混凝土桥梁　伤力学的疲劳寿命预测法　。　结构的疲劳损伤程度并进行检测维修加固这些梁就　１．１基于名义应力疲劳寿命预测法　显得非常重要了，否者将极大的缩短钢筋混凝土梁　基于名义应力疲劳寿命预测法是采用名义应力　的服役期，甚至有时还会照成巨大的人员伤亡和财　为控制参数，名义应力的疲劳Ｓ—Ｎ曲线常通过许多　产损失事故。这些事故在全球各国时有发生且有越　的实验回归得到，再经过统计分析可以得到不同荷　来越多的趋势。国内外研究表明　，钢筋混凝土　载下的名义应力，然后将各不同荷载下的名义应力　梁的疲劳损伤与其复合材料的疲劳损伤有关，在反　对结构造成的疲劳损伤累积起来预测结构的寿　复荷载作用下，钢筋混凝土梁的破坏形式常是因为　命　。这种采用试验为基础的方法比较可靠，本文　梁中钢筋的疲劳损伤破坏所引起。　的研究重点就是不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳　［收稿日期】２０１３—０８—０９　［基金项目］湖南省教育厅资助科研项目（１３Ｃ２６９）　．　［作者简介］夏晓慧（１９８２一），男，湖南武冈人，硕士，讲师，工程师，主要从事桥梁的设计和教学工作。　６２　公路工程　３９卷　抗力曲线（即．ｓ一Ⅳ曲线）。　１．２基于局部应力应变疲劳寿命预测法　数为２×１０　或５×１０。的应力幅作为常幅疲劳极　限，此应力幅　称为疲劳极限。然而也有试验表　基于局部应力应变疲劳寿命预测法是采用弹塑　性来分析局部应力应变的状态，然后用来预测整个　结构的寿命，主要应用于计算低周疲劳问题。钢筋　混凝土桥梁经常承受高周疲劳荷载，因此对钢筋混　明　，在低应力幅下，有些钢筋混凝土梁构件的循　环次数在ｌ０　和１０　之间时会发生疲劳破坏，所以　常采用钢筋疲劳ｓ一Ⅳ曲线不设截止线　，而是在循　环次数大于１Ｏ　后将曲线斜率在原有基础上加２，本　文也是如此处理的（见图１）。　凝土桥梁进行疲劳寿命预测时通常不采用基于局部　应力应变的疲劳寿命预测法。　１．３基于断裂力学疲劳寿命预测法　基于断裂力学疲劳寿命预测法主要研究裂纹在　结构中发生扩展、断裂的规律，结合裂纹形状、材料　疲劳性能，来进行疲劳寿命的预测。在实际工程中，　由于结构的受力状态往往相当复杂，分布应力的状　态对裂纹位置和起始状态均有极大影响，为了获得　复合型裂纹的扩展方式和起裂状态，建立较准确的　断裂判据尤为重要，但却十分困难。　１．４基于损伤力学疲劳寿命预测法　基于损伤力学疲劳寿命预测法是研究微裂纹和　微裂纹缺陷的发展对应力应变状态影响的科学，通　常采用损伤因子来说明结构的受损伤程度。在微观　和能量视角下，通过剖析疲劳产生发展的过程，认为　损伤发展是一种消耗能量且不可逆的过程。但由于　工程材料微观结构的影响，找不到合适的宏观上的　损伤演变方程，计算十分复杂，在工程上很少应用。　２钢筋疲劳　一Ⅳ曲线表达方法　钢筋的疲劳是由于在重复荷载作用下钢筋裂纹　的产生和扩展的结果，在以往对钢筋混凝土梁结构　疲劳试验数据进行分析时，常以最大应力作为钢筋　疲劳的参数。然而研究表明　］，钢筋应力比并非　钢筋混凝土梁的疲劳强度的主要影响因素。所以，　钢筋混凝土梁的疲劳Ｉｓ一Ⅳ曲线采用应力幅作为钢　筋疲劳的参数，具体如式（１）所示。　ｌｇＮ＝Ａ＋ＫｌｇＡｏ－－Ｉ－Ｃ　（１）　式中：Ｎ为疲劳破坏时的循环次数；Ａ为Ｓ一Ⅳ曲线　的截距；Ｋ为ｓ—Ｊ７、ｒ曲线的斜率；Ａｏ＂为外加应力幅　（Ｎ／ｒａｍ　）；Ｃ为循环次数的统计偏差。当Ｋ采用不　同数值时，表示钢筋混凝土梁所用钢筋具有不同的　保证概率，美国铁路工程师协会取　＝１．６４５，即以　９５％作为保证概率；欧洲钢结构协会取Ｏｔ＝２，即以　９７．７％作为保证概率。而根据我国相关规范，本文　取钢筋混凝土梁所用钢筋具有９５％的保证率。　根据有些国外标准，钢筋混凝土梁采用循环次　一ｌ　昌　吕　－　Ｚ　—　ｂ　司　馨　图１　钢筋疲劳Ｓ—Ｎ曲线示意图　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ—Ｎ　ｃｕｒｖｅ　ｄｉａｇｒａｍ　３不同腐蚀率下混凝土梁钢筋Ｓ一Ⅳ曲线方　程　收集文献［８—１１］等国内部分钢筋混凝土梁的　锈蚀数据建立不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的ｓ一Ⅳ　曲线方程。考虑到主筋锈蚀率７７对．ｓ—Ｊ７、ｒ曲线的影　响，将数据按主筋锈蚀率　的取值范围分为４组，依　次为Ａ（叼＝０）、曰（０＜ｒ／≤５％）、Ｃ（５％＜，７≤１０％）、　Ｄ（田＞１０％）。对这４组数据分别进行线性回归拟　合，结果见表１和图２所示。　表１　不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳Ｓ—Ｎ曲线方程　Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｎｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｒｅ　ｂ　ａｍｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ－Ｎ　ｃｕｒｖｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　从表１和图２可以看出：钢筋混凝土梁主筋的　锈蚀率越大越容易发生疲劳破坏。进行对比分析可　知：当发生低周疲劳破坏时，主筋锈蚀率．，７＞１０％与　主筋未锈蚀的钢筋混凝土梁相比，其疲劳破坏荷载　循环次数降低了６．８％；另外，主筋锈蚀率５％＜ｒ／≤　１０％与主筋未锈蚀的钢筋混凝土梁相比，应力幅越　大钢筋混凝土梁的疲劳破坏荷载循环次数降低越不　第４期　夏晓慧，等：不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳．ｓ一Ⅳ曲线研究　６３　后针对不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳破坏性　能，经综合分析目前部分钢筋混凝土梁的疲劳试验　结果，得到了不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳　Ｓ一Ⅳ曲线，并对结果进行了对比。鉴于现有研究不　…　・Ａ　Ｂ　Ｃ　同腐蚀率下钢筋混凝土梁疲劳性能的较少，该疲劳　５一Ⅳ曲线为线性是由回归拟合得到的，如何更为全　面地考虑钢筋混凝土梁的主筋、箍筋等的腐蚀率对　钢筋混凝土梁疲劳的影响还需日后深入研究。　［参考文献］　一一一…一…一Ｄ　循环次数Ⅳ　夏晓慧，刘小平，聂美春．腐蚀钢筋混凝土构件斜截面承载能　力分析［Ｊ］．公路工程，２０１２，３７（５）：７０—７２，９１．　［２］　宁夏元，栗小祜．等截面多跨连续梁桥ＬＲＢ减隔震效果分析　［Ｊ］．公路工程，２０１２，３７（６）：６９—７４，８Ｏ．　图２不同腐蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳　—ＪⅣ曲线　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓ—Ｎ　ＣＵｒｖｅｓ　明显，且比主筋锈蚀率０＜田≤５％的钢筋混凝土梁　的疲劳破坏荷载循环次数要高。当发生高周疲劳破　坏时，主筋是否发生锈蚀对疲劳破坏荷载循环次数　［３］　曾志斌，李之榕．普通混凝土梁用钢筋的疲劳Ｓ—Ｎ曲线研究　［Ｊ］．土木工程学报，１９９９，３２（５）：１０一ｌ４．　［４］　曹开胜．钢筋混凝土桥梁疲劳损伤分析研究［Ｄ］．大连：大连　理工大学，２０１２．　有显著影响，其影响使疲劳破坏荷载循环次数降低　了约８．０％；而主筋发生锈蚀时，其主筋锈蚀率对疲　劳破坏荷载循环次数的影响不明显。　已有研究表明¨　：因为少量的钢筋锈蚀物会将　钢筋混凝土梁中钢筋和混凝土之间的空隙进行填　充，这会增强二者间的粘结性能。若主筋锈蚀率不　超过１０％，箍筋的锈蚀率不超过５％时，钢筋混凝土　［５］　Ｘｉａ　Ｘｉａｏｈｕｉ，Ｘｉａ　Ｃｈｕｎｙａｎ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ［Ｃ】．Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，Ｍａｙ　２５，　２０１２一Ｍａｙ　２７，２０１２．　［６］　Ａｍａｚａｌｌａｇ　Ｃ．Ｇｅｒｅｙ　Ｊ　Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔ　Ｊ　Ｌ．Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｉｎｆｌｏｗ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆａｔｉｇｕｅ，１９９４，１６（０４）：２８７—２９３．　［７］　曾令宏，尚守平，万剑平，等．复合砂浆钢筋网加固桥梁构件　试验研究［Ｊ］．工业建筑，２００９，３９（２）：１１８—１２２．　［８］　易伟建，孙晓东．锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究［Ｊ］．　土木工程学报，２００７，４０（３）：６—１Ｏ．　梁的承载力不但没有降低，还有少许提高。这可以　用来解释主筋锈蚀率在５％＜田≤１０％与主筋未锈　蚀的钢筋混凝土梁相比，应力幅较大时钢筋混凝土　顾祥林．碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁疲劳　［９］　张伟平，宋力，性能试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（７）：４３—５Ｏ．　梁的疲劳破坏荷载循环次数降低不明显的现象。　［１Ｏ］　王海超，李云峰．荷载与环境的耦合作用对混凝土梁腐蚀疲　４结语　本文首先介绍了４种疲劳寿命预测的方法，然　［１１］　劳的影响［Ｊ］．工业建筑，２００８，３８（２）：７３—７５，８５．　胡超．锈蚀钢筋混凝土梁低周疲劳试验研究［Ｄ］．长沙：湖　南大学，２０１０．　（上接第２５页）　［４］　杨锐，王兆．碾压橡胶混凝土在工程中的应用研究［Ｊ］．混凝　土，２０１１（１２）：１３９—１４１．　④橡胶集料混凝土具有较好的塑性性能和耐　磨性能这是普通水泥混凝土不具备的优势，特别是　在道路路面中优势明显，是提高道路混凝土的耐久　性能的有效措施。　［５］　张涛．橡胶集料聚合物改性混凝土道路罩面材料的研究［Ｄ］．　武汉：武汉理工大学，２０ｌＯ．５：１７．　［６］　涂妮．掺废旧轮胎橡胶粉混凝土耐久性试验研究［Ｄ］．大连：　大连理工大学，２０１２．６：４３—４７．　　［７］　韩春翠．碾压橡胶混凝土力学性能研究［Ｄ］．天津：天津大学，［参考文献］　宋小金，何军，樊亮岩．沥青改性沥青路面性能研究［Ｊ］．公路　工程，２Ｏ１２（８）：９６—９９．　２００８，５：２８—３５．　［８］　董祥．碾压混凝土在道路建设中的应用及施工技术［Ｊ］．路基　工程，２００８（３）：１５—１７．　［２］　凌天清，李耀楠，李伟．橡胶颗粒对微表处性能的影响分析　［Ｊ］．公路工程，２０１１（４）：１７３—１８６．　［３］　江永奇．碾压橡胶混凝土配合比设计研究［Ｄ］．天津：天津大　学，２００７，５：１７—２１．　［９］　谢映怀．龙滩水电站左岸大坝碾压混凝土施工［Ｊ］．人民长江，　２００８（５）：２１—２２．　［１Ｏ］　杨发．碾压混凝土在高等级公路水泥路面基层中的路用性能　研究［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２００９，５：６４—６５．