/馬路鋼筋混凝土疲憊試驗及耐久性探討?馬路鋼筋混凝土疲憊試驗及耐久性探討馬路鋼筋混凝土疲憊試驗及耐久性探討樊素(四川建筑職業技術學院結構技術中心，四川德陽618000)[摘要]隨著馬路服役年限的增加，馬路鋼筋混凝土梁疲憊破壞已在工程領域引起重視。首先建立了馬路橋梁車輛荷載模型，然后以中小跨徑馬路橋梁三路居橋為例，結合ANSYS9.0軟件驗算了算例橋梁的疲憊應力，最終結合超載問題以及實際運營荷載已不滿意規范要求現狀，對馬路橋梁進行了試驗探討，通過縱筋腐蝕梁等幅疲憊試驗得出結論：各個試驗梁極限循環次數大幅度下降，已經接近甚至小于200萬次，表明我國中小跨徑馬路橋梁耐久性大大降低，存在潛在的平安事故問題。[關鍵詞]車輛荷載模型；疲憊應力；等幅疲憊試驗0引言我國對跨河、跨海橋梁進行了大量的探討，然而僅有少量試驗對馬路橋梁的應力水平、疲憊水平進行探討，馬路橋梁作為馬路交通的瓶頸，在運營平安方面具有特別重大的意義。自上世紀以來，鋼筋混凝土橋梁因其造價經濟，制造簡潔等諸多優點，在中小跨徑馬路橋梁設計中得到了廣泛的應用。在我國馬路通車里程中，鋼筋混凝土馬路橋梁約占據總橋梁數的80%，因此鋼筋混凝土馬路橋梁在馬路工程中占據著特別重要的地位，其設計、施工、養護等流程都特別重要。鋼筋混凝土馬路橋梁地位如此之重，卻也存在著兩個特別突出的平安問題：①車輛對橋梁的承載實力要求越來越高；②隨著服役時間的增長，其承載實力漸漸減小且發生疲憊破壞的可能性日益增大。假如這兩個問題不能得到有效的解決，必定會導致交通事故發生。引起馬路橋梁承載力下降的因素有很多，主要包括材料自身特性、不良環境侵蝕以及長期汽車荷載作用。在長期的汽車荷載作用下，橋梁結構內部易引起損傷積累，使得橋梁發生疲憊破壞。因此本文有針對性的選取了常見的典型中小跨度馬路橋梁，進行實際運營荷載下的耐久性探討，已期提高馬路橋梁的耐久性，進而提高馬路的運用壽命。本文首先建立了馬路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑馬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憊應力，通過模型和計算可知在小跨徑馬路橋梁荷載問題中，活荷載所占比重較高，存在較大的疲憊破壞潛在風險；并且由于我國超載問題較為嚴峻，雖然算例橋梁的設計荷載滿意規范要求，但是在實際運營荷載狀況下已不滿意規范要求，并不能將200萬次作為馬路橋梁的疲憊破壞界限，因此對馬路橋梁進一步進行試驗探討，通過縱筋腐蝕梁等幅疲憊試驗可知各個試驗梁極限循環次數大幅度下降，表明我國中小跨徑馬路橋梁存在很大的平安事故風險。1馬路車輛疲憊荷載模型的建立在實際工程中，馬路橋梁的應力水平往往確定了馬路的運用耐久性，我國對跨河、跨海橋梁進行了大量的探討，然而僅有少量試驗對馬路橋梁的應力水平、超載水平進行探討，因此本文有針對性地選取了常見的典型中小跨度馬路橋梁，進行實際運營荷載下的耐久性探討，以期提高馬路橋梁的耐久性，進而提高馬路的運用壽命。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37.9m，寬度4.8m，橋跨組合10m+14.96m+10m，始建于1982年，并于2008年進行修理，修理后上部結構實行裝配式鋼筋混凝土T梁，中心間距1.6m，其基本概況見表1，圖1。1.1荷載模型及參數設計依據我國現行《馬路橋涵通道設計規范》(JTGD60—2004)，一般實行車道荷載和車輛荷載兩種形式，車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，依據馬路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，車道荷載和車輛荷載用于橋梁的靜力計算，針對車輛動力效應，須要引入沖擊數來對靜力效應調整(見圖2)。表1三路居橋鋼筋混凝土基本概況Table1Thebasicsituationofthreeroadbridgeofreinforcedconcrete橋梁名稱跨徑/m截面形式荷載等級車道數橋梁寬度/m梁高/m主梁片數混凝土等級縱筋數量及等級三路居橋14.96T梁馬路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Figure1Threeroadbridgegirdersectionandspanstructurereinforcementchart圖2馬路1級車道荷載模型Figure2Loadmodelof1gradehighway由于橋梁結構和車輛荷載相互作用會產生荷載變幅，因此要考慮恒荷載和活荷載的組合效應。在設計基本組合中，依據《馬路橋涵通用設計規范》(JTGD60—2004)，恒荷載標準值組合系數取1.2，活荷載標準值組合系數取1.4。針對疲憊荷載組合，查閱美國AASHTO規范可知，AASHTO規范將疲憊極限狀態并列于承載實力極限狀態以及正常運用極限狀態提出，疲憊荷載組合中僅僅考慮了0.75的活荷載組合系數。依據我國《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)指出，在疲憊荷載驗算中荷載應取標準值，吊車荷載需乘以動力系數，依據我國《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)，針對干脆承受動力荷載結構，荷載標準值不乘以動力系數。綜合上述規范可知，在各個荷載組合方法中，疲憊極限狀態設計并未獨立出來，因此結合馬路橋梁實際問題，考慮到汽車荷載沖擊效應明顯，本文實行《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)中的組合方法，對汽車荷載考慮沖擊系數μ，詳細組合方法如表2所示。表2荷載組合方式及參數Table2Loadcombinationmodeandparameters荷載組合組合名稱組合系數恒荷載活荷載組合1設計基本組合1.21.4組合2疲憊組合11+μ沖擊系數μ依據《馬路橋涵通用設計規范》(JTGD60—2004)，依據公式(1)、式(2)計算：橋梁基頻：(1)沖擊系數：μ=0.1767lnf-0.0157(2)因此，得到三路居橋梁的沖擊系數如表3所示。表3三路居橋梁基頻和沖擊系數Table3bridgefundamentalfrequencyandimpactfactor序號l/mE/(N·mm-2)Ic/m4A/m2mc/(kg·m-1)f/Hzμ1153×1030.02450.48312565.340.281.2ANSYS軟件實體建模在ANSYS軟件中，梁一般實行桿單元模型，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，另一端制作節點約束三個轉動自由度，梁體和制作節點剛性連接并保持位移和協調變形條件。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Figure3Threeroadbridgesuperstructuremodel1.3馬路鋼筋混凝土橋梁疲憊應力計算結合上述荷載模型以及參數設計，采納ANSYS9.0軟件進行結構的疲憊驗算，其中疲憊驗算依據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)，主要計算方法如公式(3)～式(6)所示：等效截面參數：(3)(4)鋼筋應力幅：(5)混凝土最大壓應力：(6)在上述公式中:b表示等效截面腹板寬度，表示受壓翼緣有效寬度，mm；αfE表示鋼筋彈性模量和混凝土疲憊彈性模量比值；x0表示等效截面受壓區高度，mm；If0表示等效截面慣性矩，mm4；表示受拉區、受壓區鋼筋面積，mm2；Mfmax、Mfmin表示疲憊荷載產生最大、最小彎矩,N*mm；表示鋼筋疲憊應力幅值和混凝土最大壓應力限值。結合上述車道好荷載模型和疲憊驗算公式，實行ANSYS9.0軟件進行計算，最終得到算例橋梁的疲憊應力值如表4所示。表4算例橋梁疲憊應力計算結果以及規范限值Table4Resultsoffatiguestresscalculationandstandardlimit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:標準疲憊荷載下橋梁的縱向鋼筋應力幅較小，距離《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)鋼筋疲憊應力幅值尚有肯定平安儲備，在表4中，設計荷載和實際調查下的縱向鋼筋應力幅值分別接近118、123MPa，依據朱紅兵試驗得出的一般鋼筋疲憊壽命S—N曲線可知，設計荷載水平下的極限循環次數分別為268萬次和243萬次，調查荷載應力下的極限循環次數為157萬次和124萬次。依據規范選定200萬次作為疲憊破壞界限，可知算例橋梁滿意疲憊驗算試驗。通過上述疲憊應力的驗算可知算例橋梁滿意設計荷載應力規范要求，然而在實際運營荷載下已不滿意規范要求，因此并不能完全確定是否橋梁在200萬次循環界限時發生疲憊破壞，為此需進一步進行鋼筋混凝土疲憊試驗，獲得相應應力水平下的極限循環次數，進而對馬路橋梁結構進行更精確的疲憊壽命評估。2鋼筋混凝土梁疲憊試驗2.1試驗梁原材料和結構設計實行C40混凝土，一般硅酸鹽水泥，粗骨料為連續級配官平卵石，最大粒徑31.5mm，細骨料為渭河細沙，細度模數為2.0，砂率為38%。鋼筋實行HRB400熱軋帶肋鋼筋，實測屈服強度為440MPa，極限抗拉強度610MPa；混凝土實測抗壓強度為43.2MPa。試驗梁長2.7m，計算跨度2.4m，梁寬150mm、高300mm，其配筋構造如圖4所示。圖4試驗梁配筋構造Figure4Structureoftestbeamreinforcement2.2銹蝕方案本文實行快速通電銹蝕方案，將試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Figure5Corrosionofwetsaltsand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，銹蝕實行梁體沿縱向鋼筋鋼筋裂縫限制，以0.1、0.3、0.6、1.0mm為裂縫寬度等級，當裂縫寬度達到0.6mm后再進行疲憊試驗測試。2.3疲憊試驗加載和測試方案采納西安建筑科技高校YAW—5000型微機限制電液伺服壓力試驗機，整個加載系統如圖6所示。圖6疲憊試驗加載系統Figure6loadingsystemoffatiguetest結合圖6可知：實行三分點靜力加載方式以位移限制，加載速度總體設置為0.05mm/min，不同階段加載速度如表5所示。接下來要明確測試內容并進行疲憊試驗測點布置，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50mm粘貼混凝土應變片，應變片技術參數如表6所示。表5靜力試驗各階段加載速率Table5Loadingrateateachstageofstatictest加載階段預加載預加載～McrMcrMconMu荷載區間0～5Mcr5～0.8Mcr0.8～1.2Mcr0.8～1.2Mcon0.8～Mu加載速率/(mm·min-1)0.20.2表6鋼筋、混凝土應變片技術參數Table6Technicalparametersofsteelbarandconcretestraingauge型號電阻值/Ω靈敏系數柵長×柵寬BX120-5AA120±0.1%2.12±1.3%5×3BX120-80AA120±0.1%2.12±1.3%80×32.4測試結果分析通過上述試驗方案，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，獲得限制荷載實測值和第一節理論計算值對比關系如表7所示。表7靜力試驗限制荷載計算值和實測值Table7Thecalculatedandmeasuredvaluesofstaticloadtest荷載下限荷載上限S1S2極限承載力水平應力5鋼筋應力/MPa100200220鋼筋應變/με50010001100限制荷載設計值/kN4275.882.8144限制荷載實測值/kN43.972.579.6177.6實測值和計算值誤差/%4.54.351.1623.3跨中位移實測值/mm6.799.4510.0632.28從圖7中可以看出:試驗梁先后經驗了彈性階段、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：各限制荷載實測值和計算值基本吻合，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Figure7Loaddisplacementcurveofstaticloadtest接下來對試驗鋼筋混凝土梁實行等幅疲憊試驗，記錄疲憊循環過程中縱向鋼筋應力改變狀況，通過應變片和動態應變儀連接，采集到的試驗梁疲憊循環過程中縱向鋼筋應力改變狀況如圖8、表8所示。圖8試驗梁縱向鋼筋應力隨循環次數改變規律Figure8Thevariationofstresswithcycletimesoftestbeam結合圖8和表8可知：在疲憊試驗加載初期，縱筋應力幅值保持平穩，和設計階段幅值基本接近，表明試驗限制達到了預期目的，在RCBPLL—1梁中，隨著循環次數的接著增加，縱筋應力上峰值和下峰值保持穩定，直到破壞邊緣上峰值和下峰值增大了2.5%～16.1%，表明梁體內部發生了明顯的疲憊損傷，而在梁RCBPLL———250291.8141.3150.5100270.3123.0147.3179185.683.8101.8182174.539.1135.33結論本文首先建立了馬路橋梁車輛荷載模型，并選取中小跨徑馬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憊應力，通過模型和計算可知在小跨徑馬路橋梁荷載問題中，活荷載所占比重較高，為50%～60%，因此存在較大的疲憊問題；并且由于我國超載問題較為嚴峻，雖然算例橋梁的設計荷載滿意規范要求，但是在實際運營荷載狀況下已不滿意規范要求，并不能將200萬次作為馬路橋梁的疲憊破壞界限，因此需對馬路橋梁進一步進行試驗探討，獲得相應應力水平下的極限循環次數。通過縱筋腐蝕梁等幅疲憊試驗可知各個試驗梁極限循環次數大幅度下降，已經接近甚至小于200萬次，表明我國中小跨徑馬路橋梁存在潛在的平安事故問題，需受到廣泛的重視以免發生交通事故。[參考文獻][1]晏富洋.馬路橋梁疲憊試驗二維荷載譜探討[D].重慶:重慶交通高校,2013.[2]任偉平.鋼橋整體節點疲憊性能試驗和探討[D].成都:西南交通高校,2004.[3]周泳濤,翟輝,鮑衛剛,等.馬路橋梁標準疲憊車輛荷載探討[J].馬路,2009(12):21-25.[4]肖赟.預應力混凝土梁超載疲憊剛度退化試驗探討[D].北京:北京交通高校,2014.[5]何武超.公軌兩用斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固區足尺模型疲憊試驗探討[D].上海:同濟高校,2007.[6]潘鵬,李全旺,周怡斌,等.某馬路大橋車輛荷載調查和局部疲憊分析[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化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.[9]馬靜.水泥穩定冷再生基層瀝青路面疲憊壽命探討[D].沈陽:沈陽建筑高校,2011.[10]A.dePannemaecker,S.Fouvry,M.Brochu,J.Y.Buffiere.IdentificationofthefatiguestressintensityfactorthresholdfordifferentloadratiosR:FromfrettingfatiguetoC(T)fatigueexperiments[J].InternationalJournalofFatigue,2016,82.[11]AdamNiesony,MichaB?hm.Frequency-domainfatiguelifeestimationwithmeanstresscorrection[J].InternationalJournalofFatigue,2016.[12]AyeThantHtoo,YukioMiyashita,YuichiOtuska,YoshiharuMutoh,ShigeoSakurai.Variationoflocalstressratioanditseffectonnotchfatiguebehaviorof2024-T4aluminumalloy[J].InternationalJournalofFatigue,2016.[13]J.Toribio,M.Lorenzo,D.Vergara,L.Aguado.ResidualStressRedistributionInducedbyFatigueinCold-DrawnPrestressingSteelWires[J].ConstructionandBuildingMaterials,2016.[14]XiaolongLiu,ChengqiSun,YoushiHong.Facetedcrackinitiationcharacteristicsforhigh-cycleandvery-high-cyclefatigueofatitaniumalloyunderdifferentstressratios[J].InternationalJournalofFatigue,2016.TheResearchonDurabilityandFatigueTestofHighwayReinforcedConcreteFANSu(SichuanCollegeofArchitectureTechnologyStructureTechnologyCenter,Deyang,Sichuan618000,China)Abstract：Withtheincreaseoftheservicelifeoftheroad,thefatiguedamageofthereinforcedconcretebeamhasbeenpaidattentiontointheengineeringfield.Wesetupthehighwaybridgevehic