钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验研究.pdf
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1、第 7卷第 3期 2 0 1 0年 6月 铁道科学与工程学报 J 0URNAL OF RAI L WAY S CI ENCE AND ENGI NEERI NG V o 1 7 N O 3 J u n e 2 0 1 0 钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验研究 蒋丽忠, 伍振字, 吴忠河, 朱红兵 ( 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 : 对 6 根 大比例钢筋混凝土空心梁进行静载和疲 劳性能试验研 究, 每根 梁取 不 同荷载幅度 , 研 究不 同疲 劳次数 下梁 受压 区混凝土和 受拉 区的钢 筋的应 变、 梁的跨 中挠度 以及裂缝发展情况 , 得到不 同的
2、疲劳荷载应 力幅作 用下钢 筋混凝 土空 心梁的疲劳寿命; 根据试验结果拟合得到钢筋混凝土空心梁疲劳荷载作用下的s一 曲线, 为由钢筋混凝土空心梁构成的 桥梁结构寿命预测提供依据。对钢筋混凝土空心梁疲劳破坏后的钢筋进行静力学性能试验研究, 了解钢筋混凝土空心梁 疲 劳破 坏后钢筋力学性能的退化情况。 关键词 : 钢筋混凝土空心梁; 疲劳试验; 疲劳累积损伤; 疲劳寿命 中图分类号: T U 3 7 5 4 ; T U 3 9 8 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 0 6 0 5 E x p e r i me n t a l s
3、 t u d y o n f a t i g u e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e h o l l o w b e a ms J I ANG L i z h o n g , WU Z h e n y u, WU Z h o n g h e , Z HU Ho n g b i n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h
4、 a n g s h a 4 1 0 0 7 5 , C h i n a ) Abs t r a c t : S t a t i c l o a d i n g a n d f a t i g u e t e s t s we r e d o n e o n 6 r e i n f o r c e d c o n c r e t e h o l l o w b e a ms wi t h e a c h o f t h e m u n d e r d i f f e r e n t l o a d r a n g e s t h e c o n c r e t e s t r a i n i
5、n t h e c o mp r e s s i o n z o n e a n d t h e s t e e l s t r a i n i n t h e t e n s i o n z o n emi d s p a n d e f l e c t i o n a n d c r a c k d e v e l o p me n t u n d e r d i f f e r e n t f a t i g u e t i me s we r e s t u d i e dt h e s e r v i c e l i f e u n d e r d i fi e r e n t f
6、a t i g u e l o a d r a n g e s wa s i n v e s t i g a t e d T he d a t a o b t a i n e d u n d e r f a t i g u e l o a d i n g i n t o S N c u r v e s we r e f i t t e d Th e s e p r o v i d e d t h e b a s i s f o r t h e l i f e p r e di c t i o n o f b r i d g e s t h a t a r e ma d e b y r e i
7、n f o r c e d c o n c r e t e h o Ho w b e a ms Af t e r t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e h o l l o w b e a m S f a t i gu e f a i l u r e,s t a t i c t e s t s o n s o me o f t h e f a t i gu e d s t e e l b a r s we r e c a r r i e d o u t t o g e t a n o v e r a l l u n d e r s t a n d i
8、 ng o n t h e me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e d e g r a d a t i o n o f t h e s t e e l b a rs Ke y wo r ds: r e i nfo r c e d c o n c r e t e h o l l o w be a ms ;f a t i g u e t e s t ;c u mu l a t i v e f a t i gu e d a ma g e;f a t i g u e l i f e 钢筋混凝土结构通常主要承受静载作用 , 但在 实际工程中, 还有许多结构如桥梁、
9、 吊车梁等结构, 除了承受静载作用外 , 还因为承受重复循环荷载作 用而发生疲劳破坏。结构的疲劳特性十分复杂 , 准 确地识别出结构或者构件是否损伤 , 确定损伤的位 置和程度 , 预测其疲劳寿命 , 这对于结构 的整体安 全性具有十分重要的意义。 姚国文等 对钢筋混凝土简支梁 的疲劳性 能、 材料性能对疲劳性能的影响、 随机变幅疲劳荷载 谱等进行了研究。然而, 大部分试验研究对象都是 矩形截面或者 T型截面梁, 对空心梁的相关研究则 很少且大部分试验都是承载力不高或应力幅范围不 够大, 对大尺寸大荷载的模型或者实际构件的试验 加载很少见文献报道。在此 , 本文作者对 6根大尺 寸钢筋混凝土空
10、心梁进行静载和疲劳试验研究, 研 究不同疲劳次数下梁受压区混凝土和受拉区的钢筋 的应变 、 梁的跨中挠度以及裂缝发展情况, 对不同的 疲劳荷载应力幅下的疲劳寿命进行探讨。 1 钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验 试验设计 6根矩形截面空心梁 , 其中包括一根 进行静载试验的对 比梁( 编号为 L O ) 和 5根进行动 载试验的试验梁( 编号为 L 1 L 5 ) , 梁全长 4 0 m, 跨度 3 8 m, 梁截 面尺寸为 b X h=6 0 0 m m x 5 0 0 m m, 截面示意 图见图 1 。混凝土设计强度等级为 C 2 5 , 纵筋和弯起钢筋采用直径为 2 0 m m 的 级 筋,
11、箍筋和架立筋采用直径为 8 mm的 I 级筋 。梁 收稿 日期 : 2 0 0 9一l O一2 O 基金项目: 交通部西部交通科技资助项 目( 2 0 0 6 3 1 8 0 0 0 1 9 ) 作者简介 : 蒋丽忠 ( 1 9 7 1一) , 男 , 湖南衡 山人 , 教授, 博士生导师 , 从事钢 一混凝土组合结构设计理论 与应用研究 第 3期 蒋丽忠 , 等 : 钢筋混凝土空心梁疲劳 陛能试验研究 7 的尺寸及截面配筋示 意图见 图 1 。实测的钢筋受 拉纵筋实测屈服强度为 4 2 9 MP a , 极限抗拉强度为 5 9 8 MP a 。箍筋屈服强度为 3 6 4 MP a , 极 限
12、抗 拉强 度 为 4 9 9 M P a 。 在试验梁的跨 中横断面 的两侧混凝土表面 5 个不 同高度处共粘贴 1 0个电阻应变片 ; 钢筋应变 片分别布置在加载点 内侧附近钢筋上 , 每根钢筋布 置 2片 ; 在 2个支座处 、 2个加 载点处 以及纯弯段 跨中各布置 1 个大量程百分表 , 以观测试验梁在静 载及疲劳加载时的挠度 ; 各测点布置见 图2 。 ( a ) 纵截面示意图 ; ( b ) 横截面示意图 单位 : m m 图 l 试验 梁截 面示意 图 Fi g 1 S e c t i o n a l v i e w o f e x p e r i me n t a l b e
13、a m 1 t 杓 礁壅 童 =七 朔腌堕塞 、 丰 L 照 单位 : mm 图 2试件构造 图 Fi g 2 Co n fig ur a t i o n o f s p e c i me ns 静载试验采取分点分级加载 , 疲劳试验采取正 弦波加载 , 频率 为 24 H z 。疲劳试 验在 P MS一 5 0 0数显式液压脉动试验机 上进行 。先分级加载 至疲劳荷载上限, 然后卸载 , 再施加静 载到疲劳荷 载上限 , 反复 2次。然后 , 以频率 2 4 Hz 进行疲 劳试验。疲劳荷载下限取为 0 1 5 0 2 M ( M 为 静力极限荷载) 。疲劳荷载上限分别取为 0 5 0 M ,
14、 0 5 5 M 0 5 7 7 M 0 6 0 M 当疲劳次数达到 1万 、 5万 、 2 O万 、 6 0万 、 1 0 0万 、 1 5 0万 、 2 0 0万 次 时 , 停 止 疲劳荷载 , 采用静力加载方法逐级加载至疲劳荷载 上限 , 逐级量测混凝土和钢筋 的应变 、 梁的挠度和 裂缝宽度等力学性能指标。 2 钢筋混凝土空心梁疲劳试验结果 与分析 2 1 试验 过程 静载试验梁 L o发生 了典型的适筋破坏 , 极 限 承载力为 5 2 0 k N。通过静载试验得到梁空心的极 限承载能力确定疲劳试验的加载制度 , 也同时用来 作为疲劳试验的对 比梁。钢筋混凝 土空心梁疲劳 性能试验
15、测得的各等幅疲劳试验梁的疲劳寿命 以 及破坏情况如表 1 所示 。 表 1 试验参数及结果 Ta b l e 1 S p e c i me n p a r a me t e r s a n d t e s t r e s u l t s 试验梁 的破坏均是 以钢筋疲劳断裂为标志 , 钢 筋混凝土梁的疲劳破坏与普通静载受弯破坏的主 要区别有 以下几点 : 普通静载受弯破坏属于延性破 坏 , 有一定的屈服点 , 而疲劳破坏则是脆性破坏 , 钢 筋疲劳断裂前无 明显征兆 ; 普通静载拉断时钢筋断 面有明显颈缩现象 , 钢筋有一定 的伸长率 , 而疲劳 破坏的钢筋则是 突然断裂, 截面较平滑 , 无颈
16、缩现 象( 如图 3所示 ) 。 图 3 疲 劳钢筋断裂面 Fi g 3 Fr a c t u r e pl a n e o f f a t i g u e s t e e l r e i n f o r c e 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 6 月 ( a ) 试验装置 ; ( b ) 试件破坏 图4疲劳试验照片 Fi g 4 Ph o t o o f f a t i g u e t e s t 2 2 挠度结果及其分析 循环初期 , 挠度增加速度很快 , 在中期趋于缓 和, 到临近破坏时挠度增加速度再次稍微变快 , 每 根梁疲劳破坏时的最大跨中挠度都与静载破坏时
17、 的挠度比较接近。 图 5所示为循环次数为 5万次和 1 0 0万次下 各梁的跨中挠度 一荷载曲线。由图5可以看出: 梁 在寿命中期刚度变化不明显 , 跨中挠度的增加更多 是来 自于残余挠度的贡献。当构件承受的应力幅 比较大时 , 挠度增加也较大 , 这说明在高应力幅下, 构件的刚度降低更快 ; 在荷载循环初期, 不同应力 幅下的梁的挠度区分不是特别明显, 但随着荷载循 环次数的增加 , 应力幅越大, 挠度增加越快 , 各条荷 载挠度曲线间隔越来越大。 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 跨中挠度 mm 2 4 6 8 l O l 2 l 4 跨中挠度 mm ( a ) 5万次各梁
18、的跨 中挠度曲线 ; ( b ) 1 0 0万次各梁的跨 中挠度曲线 图 5 5万次和 1 0 0万次各梁的荷栽 一挠度曲线 F i g 5 L o a dd e fl e c t i o n c u r v e s o f b e a ms 2 3 混凝 土应 变结 果及 其分析 图 6所示典型梁 I 2和 I J 5梁在不 同疲劳荷载 循环次数后所测 的静力加载时混凝土受压区应变。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 z 2 0 0 1 5 0 挺 l 0 o 5 O 0 3 0 o 2 5 0 2 0 o Z 暴1 5 0 惺 1 0 0 5 O O 7 5 0 65 0 5 5 0 4
19、 5 0 3 5 0 2 5 0 1 5 0- 5 0 受压区混凝土平均应变 0o 一9 o ( ) 一 7 o 0 5 o o 一 3 0 o l O 0 受压区混凝土平均应变 0 o ( a ) L 2受压区混凝土应变曲线 ; ( b ) L 5受压区混凝土应变曲线 图 6 L 2和 L 5受压 区混凝 土荷载 一应变曲线 F i g 6 L o a d s t r a i n c u r v e s o f c o mp r e s s e d c o n c r e t e 由试验结果可知: 随疲劳循环次数增加 , 零载 下截面应变量持续增加 , 特别是疲劳循环次数大 1 万次时, 总
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