多环境腐蚀作用下钢筋混凝土梁疲劳损伤模型.pdf
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1、第 3 6卷第 7期 2 0 1 4年 7月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI L W AY S 0C I E TY Vo 1 3 6 No 7 J u l y 2 0 1 4 文章 编 号 :1 0 0 1 8 3 6 1 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 9 6 0 5 多环境腐蚀作用下钢筋混凝土梁疲劳损伤模型 陈梦成 凯, 秦 臻 , 谢 力 ( 华东交通 大学 土木建筑学 院,江西 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 : 地铁 、 轻轨等城市轨道交通混凝土结构常处在杂散 电流 、 氯 离子 与疲劳荷 载共 同作 用下服 役。针对这种 典型
2、服 役条 件下 钢 筋混凝 土疲 劳损伤行 为 , 开展了 3 O V杂散 电流 与 3 5 氯离子多环境腐蚀作用下钢筋混凝土梁 四点弯曲疲劳试验研究 。基于弯 曲疲劳模量退化 , 建立用于这种典型服役条件下钢筋 混凝 土梁 的非线性疲 劳寿命预测 和疲劳 累积损 伤模 型 。研究 结果表 明 : 杂散 电流和氯离子多环境腐蚀对钢筋混凝土梁疲劳损伤影响显著 , 且疲劳荷载越 大影响越 大 。损伤过 程分初 始损伤 、 累积损 伤和 失效 破 坏等 3 个 阶段 , 破坏时无征兆 。本文所建立 的非线性疲 劳损伤模 型可描述这一损伤演化趋势 , 预测 结果 与实测值 吻合较好 。 关键词 : 钢
3、筋混凝土梁 ; 杂散 电流 ; 氯离子 ; 疲劳损伤 ; 损 伤模 型 中图分类号 : T U3 7 5 1 : T G1 7 4 3 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 1 2 0 1 4 0 7 0 1 6 Fa t i g u e Da ma g e M o d e l o f Re i n f o r c e d Co nc r e t e Be a ms u n d e r M u l t i - e nv i r o nme nt a l Co r r o s i o n CHE N Me n g c h e
4、n g, W ANG Ka i , QI N Z h e n, XI E Li ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ,Ea s t Chi n a J i a o t o n g Uni v e r s i t y,Na nc h a n g 3 3 0 01 3,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Su c h s u bwa y a n d l i g ht r a i l a s ur b a n r a i l t r a ns i t ,c o nc
5、 r e t e s t r u c t ur e s of t e n s e r v i c e i n t he c o u pl i n g a c t i on s o f s t r a y c u r r e nt ,c hl o r i d e i o ns a nd f a t i g ue l o a d Ac c o r d i ng t o t he f a t i gue b e h a v i or s of t he r e i nf or c e d c o n c r e t e ( RC)be a m s ,t h e f ou r p oi nt f l
6、e xur e f a t i gu e e x pe r i m e n t a l i nv e s t i g a t i o n o f t he RC be a m s u nd e r m ul t i e nv i r o n me n t c o r r o s i o n o f s t r a y c u r r e n t( 3 0 V)a n d c h l o r i d e i o n s( 3 5 )wa s c a r r i e d o u t Th e n o n l i n e a r f a t i g u e l i f e p r e d i c t
7、 i on a nd f a t i g ue a c c um u l a t i on d a m a ge mod e l s us e d f o r t he RC be a m s u nd e r t he m u l t i e nv i r o nm e nt a l c o r r os i on we r e e s t a bl i s he d b a s e d o n t he f a t i gu e m o du l us d e g r a d a t i o n The r e s u l t s s ho w a s f ol l o ws :The m
8、 u l t i e n v i r o nm e nt a l c o r r o s i on of s t r a y c u r r e nt a nd c h l o r i de i on s ha s i m p o r t a nt i nf l u e nc e o n t he f a t i gue da m a g e o f RC b e a ms a nd t he i nf l u e nc e i s g r e a t e r wi t h f a t i g ue l oa d s i nc r e a s e; t he d a m a ge p r oc
9、 e s s c a n be d i v i d e d i nt o i ni t i a l d a m a ge s t a g e,a c c umul a t i on da ma ge s t a ge a n d f a i l u r e s t a ge;t h e f a i l ur e o c c ur s s u dd e n l y wi t h ou t a n y s i gns b e f o r e h a nd;t h e no nl i n e a r f a t i gu e d a m a ge mo de l s c a n d e s c r
10、i b e t he da ma g e de v e l o pm e nt o f t he RC be a m s u nd e r t h e m ul t i e n v i r o nm e nt al c or r o s i on a nd t h e pr e d i c t i o ns a r e i n go o d a gr e e m e nt wi t h t he e xp e r i m e nt a l r e s u l t s Ke y wo r d s:r e i n f o r c e d c on c r e t e be a m ;s t r a
11、 y c ur r e n t ;c hl o r i d e i on s;f a t i gu e da ma g e;d a m a ge m o de l 钢筋混凝土是现代土木建筑结构主要构件形式 , 钢筋锈蚀是造成其耐久性退化 的主要 因素。发展地 铁、 轻轨等城市轨道交通 已成为缓解 日益繁重城市交 通压力的最有效措施之一。地铁 、 轻轨等城市轨道交 通运营过程中常有杂散电流产生, 引发钢筋锈蚀并迫 收稿 日期: 基金 项 目 第一作者 通讯作者 2 O 1 3 一 O 4 1 5 ; 修 回E l 期 :2 o 1 4 - 1 O 一 1 3 : 国 家 重 点 基 础 研 究
12、发 展 计 划 ( 9 7 3 计 划 ) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ; 国 家 自然 科 学 基 金 ( 5 1 0 0 2 0 5 0 , 5 0 9 6 8 0 0 6 ) ;江西 省 重 点 科技 支 撑计 划 ( 2 0 09 BGA0 0 5 0 0 ) 陈梦成( 1 9 6 2 一) , 男 , 江西高安人 , 教授 , 博士。 E ma i l :c mc j o b 1 6 3 t o m 王凯( 1 9 7 5 ) , 男 , 河南信 阳人 , 副教授 , 博士。 E ma i l :wk l a b 1 6 3 c o rn 使服役环境中氯离
13、子加速向钢筋表面迁移 , 从而严重 影响其轨道混凝土结构疲劳性能l_ 】 。目前人们对一般 杂散电流或氯离子腐蚀条件下的混凝土结构疲劳性能 已进行了研究_ 2 。 , 取得了一定进展 。但对杂散电流与 氯离子共存这种多环境腐蚀作用下的混凝土结构疲劳 性能研 究较 少 。 本文在对杂散电流与氯离子共存多环境腐蚀作用 下钢筋混凝土梁开展四点弯 曲疲劳试验 的基础上 , 重 点讨论其疲劳损伤演变规律 , 建立相应的疲劳损伤模 型 , 为现 代城 市轨道 交 通 钢筋 混 凝 土 结 构 疲 劳 服役 寿 命评估提供理论依据。 王 第 7期 陈梦成 等 : 多环境腐 蚀作 用下钢筋混凝土梁疲 劳损 伤
14、模 型 1 腐蚀作用 下疲 劳试 验 1 1钢筋 混凝 土 梁 试验在华东交通大学结构实验室实施 。钢筋混凝 土梁构件按适筋梁设计 , 尺寸 1 0 0 mm1 6 0 mm1 2 0 0 mm。主筋采 用 1 2 HR B 3 3 5螺 纹钢 筋 , 架力 筋 和 箍 筋采 用 6 HP B 2 3 5 光 圆钢 筋 , 箍 筋 间距 8 0 mm。试 验梁配筋图见 图 1 。主筋 、 架力筋的屈服强度实测值 分别为 4 9 7 3、 4 2 1 1 MP a , 抗 拉强度分别为 6 2 1 2 、 5 8 3 5 MP a 。混 凝 土保 护层 厚度 2 0 mm。构 件浇 筑成 型前
15、, 2 根主筋一端各引出 1 根长约 2 m 电源导线 , 并 在 与 主 筋 相交 位 置 处 的箍 筋 上 套 上 一 截 长 约 1 5 mm 的塑料 绝缘 管 。 2 图 1 试 验梁 构造 示意 图 ( 单位: m m) 构 件混凝 土 按 C 4 0设 计 , 水 泥 、 砂 、 石 子 、 水 的 配 合比为 1:1 3 5: 2 5 1: 0 3 5 , 选用 4 2 5级普通硅酸 盐水 泥 , 南 昌产 5 2 5 mm 石灰 岩 碎 石 , 赣 江 中砂 ( 细 度模数 2 7 6 ) , 拌合用水为 自来水 。外 加剂为江苏建 筑科学研究 院产 P C A I型聚羧酸高效
16、 减水剂 , 减水 率 2 6 8 。参照 G B T5 0 1 0 7 2 0 1 0 混凝 土强度检验 评定 标 准 4 , 测 得 此 混 凝 土 2 8 d抗 压 强 度 为 5 1 0 M Pa。 1 2试 验 装置 图 2是 模拟 多 因 素腐 蚀 环 境 下 疲 劳 试 验 系 统 , 其 中 MTS疲劳试验机产 自长春试验机厂 。所有疲劳试 验均在 四点弯曲疲劳荷载作用下完成 , 试验梁支座 间 距 1 0 0 0 mm。 ( a )MT s疲 劳 试 验 机 ( b )加 载 不 总 图 图 2 多因素腐蚀环境下疲劳试验系统 1 3试 验方 法 钢筋混凝土试验梁 自然养护 9
17、 0 d后 , 置于加速腐 蚀箱中。加 速腐蚀 箱 由特制 防腐 钢箱 、 电解质 溶液 ( 3 5 Na C 1 ) 和不锈钢板构成 。电解质溶液液面与试 验 梁 主筋 中轴线 横 向水 平 面齐 平 , 见 图 2 ( b ) 。试 验梁 主筋用 作 阳极 , 不锈 钢板 用作 阴极 , 并 分别用 导线 与杂 散电流模拟仪正负极连接 , 形成模拟杂散电流回路 , 模 拟 杂散 电流 大小 为 3 0 V。 疲劳荷载采 用正 弦波形式 施加 。加载频 率 2 5 Hz , 载荷 比R一0 1 0 。荷载水平 r定义为试验最大载 荷与构件静 态极限承 载力 比值。本 文荷载水平 r为 0 6
18、 、 0 7 、 0 8 。每个荷载水 平下 的疲劳构件个数至少 为 3个 。试验结果取 3根平行试验梁的平均试验值。 疲劳循环次数、 作动器下降位移等 由试验机 自带 附属 装置 采集 , 构 件跨 中挠 度 由 Y HD一 5 0动 态 挠度 仪 自动 采集 。 2 疲劳 损伤模 型 2 1疲劳模 量模 型 由于 刚度变 化 明显 、 易测 , 因此 常用 刚度 变化 表征 复合材料疲劳损 伤 5 。HwANG l 6 。 等最先采用这种 方法建立基 于疲 劳刚度变化 的复合材料疲 劳损 伤模 型 。 复合 材料 静 态 弹性 模 量 常用 应 力 一 应 变关 系 曲线 的切 线斜 率
19、即应 力 与应 变 比值 定 义 , 因 此疲 劳 模 量 也 可定义为一定循环次数 时的应力与应变比值。假定 试验 梁疲 劳初 始 静态模 量 为 , 疲劳 试验 过 程 中某 一 循环次数 时瞬态疲 劳模 量用一经验幂 函数 An 描 述 , 则 其 疲劳 模量 退化 规 律为 E( )一 Eo An ( 1 ) 式 中 : A 和 C是 与 杂散 电流 强 度 、 氯 离子 浓 度 、 疲 劳 荷 载水 平 等相关 的试验 参数 。 2 2腐 蚀环 境 下 四点 弯 曲疲 劳损伤 模型 观察杂散电流与氯离子共存多环境腐蚀作用下试 验梁 四点弯曲疲劳破坏形态发现 , 试验梁荷载作用点 附
20、近区域 混凝 土 被压 碎 , 整 个 破 坏 形 式 表 现 为受 拉 区 钢筋 没 有 明显 预 兆 的 突 然脆 性 断 裂 。 因此 , 用 疲 劳 模 量建 立杂 散 电流 与氯 离子 共存 多环境 腐蚀 作用 下钢 筋 混凝土梁 四点弯曲疲劳损伤模型。 静力学四点弯曲荷载作用下试验梁受力见图 3 。 图 3 试验梁四点弯曲受力简图 参照文献E 8 3 , 试验梁跨 中最大挠度 d 为 d 一 d M+ d Q一 几U山 9 8 铁 道 学 报 第 3 6卷 3 f 2 _( 1 -a ) + (2) 式中: d 为弯曲荷载引起的跨 中挠度 ; d Q是剪切荷载 引起 的跨 中挠度
21、; P为所 施加 荷载 ; z 为支 座 间距 ; a为 荷载 加载 点间距 ; E1 弯 曲刚度 ; G A 剪切 刚度 。 疲 劳荷 载作 用下 , 试验 梁跨 中瞬态 最大 挠度 为 ( 1- a + (3 ) 式中: ( E ) 为等效 弯曲刚度 ; ( G A) 为等效剪 切 刚 度 。 假定试验梁跨中挠度主要 由弯矩控制 , 则式(3) 可 改写 为 ) 兰 。 (4) 因此 , 可得到试验梁瞬态弯曲疲劳刚度 兰 3 l ( 1 -a (5 ) 将杂散电流与氯离子共存多环境腐蚀作用下 r z 0 8试 验梁 疲劳 循 环次 数 时跨 中瞬 态最 大 挠度 d ( ) 实 测值 代入
22、式 (5) , 计 算 得到 的疲 劳模 量 衰减 变化 曲线 见 图 4 。 3 皿 】 R 鲁 钟 疲 劳 循 环 次数 比 n N f 图 4 腐蚀环境下试验梁疲劳模量衰减变化 曲线 由图 4可知 , 腐蚀环境下钢筋混凝土梁疲 劳模量 变化规律具有非线性。腐蚀环境下试验梁四点弯曲疲 劳模量 退化 可描 述为 j E ( ) 一 E 。 一 0 ( 6 ) I r、 J 【 E( ) 一E 。 一ET ( ) 0 Nf 式中: N r 为试验梁破坏 时循 环次数 ; E ( ) 为腐蚀环 境下某一疲劳循环次数 时瞬态疲劳模量 , 并可用二 阶多项式进行拟合 ET( n )一a 0 + a
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- 环境 腐蚀 作用 钢筋混凝土 疲劳 损伤 模型
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