華建民,鄒小波,王劍越,曹 暉,李正良

(重慶大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

高速鐵路復(fù)雜箱形截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究

華建民a,b,鄒小波a,王劍越a,曹 暉a,b,李正良a,b

(重慶大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

以武廣高鐵武漢站36 m跨復(fù)雜箱形截面預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁為原型,制作4個(gè)1/6縮尺模型,其中1個(gè)模型加入13%的高分子聚合物膠乳,通過(guò)靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),考察了復(fù)雜箱梁在正常使用和超過(guò)設(shè)計(jì)值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及聚合物對(duì)箱梁疲勞性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段箱梁控制截面底部的最大和最小應(yīng)力值確定的加載幅值作用下,200萬(wàn)次加載后表明模型的疲勞壽命滿足要求,并且對(duì)后期高幅值加載下的疲勞性能沒(méi)有影響,聚合物的加入對(duì)模型的疲勞性能沒(méi)有負(fù)面影響。

疲勞;復(fù)雜箱梁;縮尺模型;聚合物

鋼筋混凝土構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的疲勞性能一直是研究者關(guān)注的問(wèn)題。各國(guó)學(xué)者對(duì)規(guī)則截面(矩形或者T形)鋼筋混凝土梁的疲勞性能做了大量的試驗(yàn)研究。李秀芬等[1]通過(guò)對(duì)11片混凝土簡(jiǎn)支梁的靜載和等幅疲勞荷載試驗(yàn),分析研究了受彎構(gòu)件的疲勞特性,得到了作為控制梁的疲勞承載能力極限狀態(tài)的S-N曲線,并提出了高強(qiáng)混凝土受彎構(gòu)件在等幅疲勞荷載作用下正截面疲勞設(shè)計(jì)方法。羅許國(guó)[2]、宋旭明[3]等對(duì)摻有高性能粉煤灰的混凝土鐵路橋梁和粉煤灰預(yù)應(yīng)力混凝土梁在重復(fù)荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行了研究。李子奇[4]、童谷生[5]、呂宏奎[6]、Heffernan[7]、Larson[8]等對(duì)碳纖維布增強(qiáng)的鋼筋混凝土梁的疲勞性能進(jìn)行了研究,表明碳纖維布可以較大地提高鋼筋混凝土梁的疲勞性能?？讘椡綶9]、吳云泉[10]在討論混凝土疲勞壽命概率分布的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了載荷與壽命關(guān)系的試驗(yàn)研究,得到了P-S-N曲線。馮秀峰和宋玉普[11-12]研究了隨機(jī)變幅疲勞荷載下預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞壽命疲勞和疲勞荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁中鋼筋應(yīng)力的重分布。Roller和Russell[13]最近進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土梁的疲勞試驗(yàn)。Konstantinos等[14]對(duì)鋼纖維布增強(qiáng)的混凝土構(gòu)件的疲勞性能進(jìn)行了研究,表明鋼纖維布能顯著地提高混凝土構(gòu)件的疲勞性能。

上述已有的疲勞試驗(yàn)采用的構(gòu)件截面規(guī)則,配筋簡(jiǎn)單。高速鐵路復(fù)線橋梁的截面一般都非常復(fù)雜,加之高速運(yùn)營(yíng)的列車,給鐵路橋梁的疲勞性能帶來(lái)了新的問(wèn)題。該文以武廣高鐵武漢站鐵路橋的復(fù)雜截面箱梁為原型,進(jìn)行大比例縮尺模型的疲勞試驗(yàn),考察箱梁在正常使用和超過(guò)設(shè)計(jì)值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及為增大阻尼添加高分子聚合物對(duì)混凝土疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

武廣高鐵武漢站鐵路橋?yàn)?0條復(fù)線橋,每條復(fù)線除中間3跨為剛構(gòu)外,其余均為箱形預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁。箱梁跨度36 m,寬15.5 m,高5.08m?？缰械湫徒孛鏋閱蜗?室(即5個(gè)孔洞),上部為槽形(中部為復(fù)線軌道,兩側(cè)為站臺(tái)),底部為圓弧形,見(jiàn)圖1?？拷ё糠纸孛婵锥粗饾u變小,截面底部從圓弧逐漸變平。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁圖

以該箱梁為原型,制作1/6模型4個(gè),其中1個(gè)用于靜載試驗(yàn),編號(hào)為S-1;其余3個(gè)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),編號(hào)分別為F-1、F-2和F-3。模型在幾何形狀上盡量與原型保持一致,但為了減小制作難度,在支座部分進(jìn)行了局部簡(jiǎn)化。4個(gè)模型混凝土的配比與原型一樣為C50,其中F-3另外添加羧基丁苯膠乳(聚灰比為0.13)。模型的普通鋼筋采用直徑為8mm的Q235級(jí)光圓鋼筋,預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1 860 MPa,公稱直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。模型跨中截面如圖2所示。

F-3在拆模后,下部圓弧部分靠近底部?jī)蓚?cè)各約10 cm寬度范圍的混凝土沿縱向脫空,支座部分混凝土也有少量空洞,后經(jīng)修補(bǔ)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)采用10個(gè)20 t油壓千斤頂加載。疲勞試驗(yàn)采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī),由硬件集裝箱和系統(tǒng)軟件FlexTest GT 2部分組成,可實(shí)現(xiàn)加載和監(jiān)控的自動(dòng)化。

靜載和疲勞試驗(yàn)均采用三分點(diǎn)加載的方案,通過(guò)橫向和縱向分配梁將作動(dòng)器施加的荷載傳遞到模型長(zhǎng)度的三分點(diǎn)位置,見(jiàn)圖3。圖中還示意了測(cè)試撓度的百分表布置。

圖3 模型梁加載位置和百分表布置

模型的頂部和底部均布置混凝土應(yīng)變片,底部縱向普通鋼筋上布置鋼筋應(yīng)變片。鋼筋和混凝土的應(yīng)變和模型的撓度等數(shù)據(jù)均通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)3560-D、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集箱YE2902和程控靜態(tài)應(yīng)變儀YE2530T自動(dòng)高速采集和儲(chǔ)存,采樣頻率可達(dá)10 kH z。

F-1采用超過(guò)設(shè)計(jì)荷載,即0.5倍極限承載力為加載幅值的上限。F-2分2階段進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。第1階段試驗(yàn)用于研究箱梁在正常使用情況下的疲勞性能,為了模擬箱梁的實(shí)際受力且考慮試驗(yàn)的方便,加載幅值的取值根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段箱梁控制截面底部的最大和最小應(yīng)力值來(lái)確定,加載次數(shù)為200萬(wàn)次;第2階段試驗(yàn)的加載幅值同F(xiàn)-1,考察前期低幅值加載對(duì)后期高幅值加載疲勞性能的影響。F-3的加載幅值同F(xiàn)-1,考察為了增大結(jié)構(gòu)阻尼而在混凝土中摻入聚合物后箱梁的疲勞性能。

S-1的荷載從0級(jí)開(kāi)始,以10 t為1級(jí)分級(jí)加載至極限荷載140 t(計(jì)算值),靠近估計(jì)的開(kāi)裂荷載(60 t)前荷載級(jí)數(shù)適當(dāng)加密以觀察受拉區(qū)混凝土應(yīng)變的發(fā)展;截面開(kāi)裂后,在每一加載間隔內(nèi)借助放大鏡量測(cè)裂縫寬度和長(zhǎng)度。

F-1、F-2和F-3的疲勞加載幅值和加載頻率見(jiàn)表1。

表1 疲勞加載幅值和加載頻率

3 試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果

S-1的破壞屬于受彎破壞,由該靜載試驗(yàn)的結(jié)果可以得到其余模型的極限荷載和開(kāi)裂荷載的參考值。當(dāng)荷載加到60 t時(shí),裂縫開(kāi)始出現(xiàn),主要集中在模型底部加載點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域;當(dāng)荷載增加至147 t時(shí),模型變形突然加大,下表面混凝土持續(xù)掉落,荷載無(wú)法繼續(xù)增加。因此確定模型的極限承載力為147 t。

F-2在0～45 t靜載循環(huán)后,沒(méi)有裂縫出現(xiàn),接著以0～45 t的低幅值加載200萬(wàn)次后,模型的基頻和撓度與疲勞試驗(yàn)前相比,基本上沒(méi)有變化。

F-1和F-3在疲勞試驗(yàn)的前20萬(wàn)次加載中裂縫的長(zhǎng)度沒(méi)有發(fā)展,寬度的增量也比較小;20萬(wàn)次到50萬(wàn)次加載之間,除裂縫的寬度和長(zhǎng)度均有所增加外,數(shù)量也相應(yīng)增加,受拉區(qū)混凝土以粉末狀不斷脫落;最后混凝土剝落處的普通鋼筋發(fā)生斷裂,模型疲勞破壞。F-2的第2階段試驗(yàn),即高幅值加載下,裂縫的發(fā)展和撓度的變化情況與F-1和F-3類似。各模型疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于F-3存在缺陷,后面的分析將其結(jié)果作為參考。

表2 模型疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

4.1 靜載試驗(yàn)分析

圖4為S-1跨中截面普通縱向鋼筋應(yīng)變值隨荷載的變化曲線。由圖可知,當(dāng)荷載小于65 t時(shí),鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)平緩,應(yīng)變和荷載近似呈線性關(guān)系,模型在這個(gè)階段處于線性工作狀態(tài)。當(dāng)荷載超過(guò) 65 t后,受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂,中性軸上移,模型上表面壓區(qū)混凝土線應(yīng)變?cè)龇哟?普通鋼筋應(yīng)變值陡增。此后,隨荷載的增加鋼筋的應(yīng)變?cè)龇?5 t以前大得多。

圖4 S-1跨中截面普通縱向鋼筋應(yīng)變曲線

4.2 疲勞試驗(yàn)分析

4.2.1 正常使用情況下模型疲勞性能分析 圖4為F-2第1階段不同疲勞加載次數(shù)后,靜載循環(huán)中跨中下部普通縱向鋼筋應(yīng)變曲線。對(duì)于全預(yù)應(yīng)力混凝土梁,在比較低的正常使用荷載作用下,混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力,截面最大與最小應(yīng)力之差,即應(yīng)力幅Δσp=σpmax-σpmin很小(一般30～50MPa),材料的疲勞強(qiáng)度較高。由圖5可見(jiàn),在各疲勞加載次數(shù)之后,鋼筋應(yīng)變?cè)陟o載循環(huán)內(nèi)的變化趨勢(shì)是基本相同的,考慮到構(gòu)件的抗疲勞性能與荷載水平密切相關(guān),試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明保持模型為全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的低幅值疲勞加載對(duì)模型受力性能的影響很小。

圖6為在第1階段50萬(wàn)次和第2階段50萬(wàn)次疲勞加載后,0～45 t靜載循環(huán)下F-2的撓度對(duì)比。在加載次數(shù)相同的情況下,高幅值加載比低幅值加載導(dǎo)致模型的疲勞損傷大得多,表現(xiàn)為相同靜載下?lián)隙雀?并且隨荷載的增加撓度增加的幅度更大。頻率識(shí)別的結(jié)果也顯示,高幅值加載后模型的基頻降低,而低幅值加載下模型的基頻基本保持不變。因此,箱梁在正常使用情況下,其疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖5 F-2各靜載循環(huán)中縱向鋼筋應(yīng)變曲線

圖6 F-2不同幅值50萬(wàn)次加載后靜載循環(huán)中撓度隨荷載變化曲線

4.2.2 高幅值加載下模型的疲勞性能分析 圖7是不同加載次數(shù)后靜載循環(huán)中F-1跨中撓度隨荷載變化的曲線?？梢?jiàn),隨疲勞次數(shù)的增加,相同靜載下跨中撓度相應(yīng)變大,但50萬(wàn)次內(nèi)撓度變化趨勢(shì)大概一致。臨近破壞時(shí),模型的撓度增加很快。

圖7 F-1各靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化曲線

圖8是F-3在不同加載次數(shù)后靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化的曲線。在40萬(wàn)次內(nèi),不同加載次數(shù)下的撓度變化趨勢(shì)基本相同。隨著疲勞次數(shù)的增加,撓度的變化趨勢(shì)同F(xiàn)-1。

4.2.3 對(duì)比分析 圖9為F-1、F-2和F-3模型在荷載幅值為10～75 t,50萬(wàn)次加載后靜載循環(huán)中跨中上表面混凝土應(yīng)變對(duì)比情況。通過(guò)圖9可以看到,無(wú)論是加聚合物的模型F-3還是經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次低幅值疲勞加載后的模型F-2,在高幅值加載50萬(wàn)次后,模型上表面混凝土應(yīng)變?cè)谝淮戊o載循環(huán)內(nèi)的曲線基本一致。另外對(duì)比圖7和圖8可知,F-1和F-3在各靜載循環(huán)中撓度隨荷載變化基本一致。

圖8 F-3各靜載循環(huán)中跨中撓度隨荷載變化曲線

圖9 靜載循環(huán)中跨中上表面混凝土應(yīng)變對(duì)比

圖10為疲勞破壞以后,3個(gè)模型在靜載循環(huán)中跨中撓度的對(duì)比?？梢?jiàn),F-1和F-2的撓度曲線非常接近。F-3的變形要小一些,說(shuō)明其破壞后的剛度比其余2個(gè)模型更好。

圖10 疲勞破壞后靜載循環(huán)中跨中撓度對(duì)比

表1給出的各模型的疲勞壽命雖然有差異,特別是F-3比F-1的疲勞次數(shù)少了近15萬(wàn)次,但考慮到F-3存在缺陷,再結(jié)合以上分析可以說(shuō)明,加了聚合物的模型與普通混凝土模型的疲勞性能沒(méi)有大的區(qū)別。試驗(yàn)摻加的羧基丁苯膠乳聚合物是一種高分子材料,它的摻入改變了普通混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在混凝土內(nèi)部形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),破壞了原有的無(wú)機(jī)物體系之間的離子鍵,而在一定的摻量下所加入的聚合物與無(wú)機(jī)物體系間所形成的離子鍵、氫鍵、范德華力及互交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)力尚不足以彌補(bǔ)所損失的鍵力,通常使抗壓強(qiáng)度和彈性模量有一定程度的下降。但在構(gòu)件開(kāi)裂后,摻加聚合物后梁的裂縫發(fā)展更均勻,構(gòu)件位移更小。同時(shí),聚合物的摻加可以提高混凝土的阻尼性能,快速耗散外部施加的振動(dòng)能量。

通過(guò)表1看出,F-1和F-2的疲勞次數(shù)差別不大,再通過(guò)上述對(duì)比分析說(shuō)明,經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次低幅值疲勞加載,模型的疲勞性能沒(méi)有受到影響。

5 結(jié) 論

論文通過(guò)4個(gè)模型靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),考察了復(fù)雜箱形截面預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁在正常使用和超過(guò)設(shè)計(jì)值的循環(huán)荷載作用下的疲勞性能,以及聚合物摻加對(duì)箱梁疲勞性能的影響,得出結(jié)論如下：

1)由模型的2階段疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知：加載中保持模型在全預(yù)應(yīng)力狀態(tài),模型不會(huì)疲勞破壞,箱梁原型在正常使用情況下疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求;全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的200萬(wàn)次循環(huán)加載對(duì)后期高幅值加載下模型的疲勞性能沒(méi)有影響。

2)對(duì)比普通混凝土和聚合物混凝土模型的疲勞試驗(yàn)結(jié)果,可知聚合物的添加對(duì)模型的疲勞壽命沒(méi)有負(fù)面影響。

[1]李秀芬,吳佩剛.高強(qiáng)混凝土梁抗彎疲勞性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,30(5)：37-42.

LI XIU-FEN,WU PEI-GANG.Experimental research on bending fatigue behavior of high-strength concrete beams[J].China Civil Engineering Journal,1997,30 (5)：37-42.

[2]羅許國(guó),戴公連.不同摻量高性能粉煤灰混凝土鐵路橋梁試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,28(6)：35-40.

LUO XU-GUO,DAIGONG-LIAN.Experimental study on railway concrete bridges w ith different high performance fly ash[J].Journal of China Railway Science,2007,28(6)：35-40.

[3]宋旭明,戴公連.鐵路超細(xì)粉煤灰預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,5(4)：38-43.

SONG XU-MING,DA IGONG-LIAN.Fatigue behavior test on railw ay p restressed concrete bridge with ultrafine fly ash[J].Journal of Railway Science and Engineering,2008,5(4)：38-43.

[4]李子奇,薛兆鋒.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2006,12：77-80.

LI ZI-QI,XUE ZHAO-FENG.Study on fatigue property test on carbon fiber fabric steel reinforced concrete[J]. Journal of Technology of Highway and Transport,2006,12：77-80.

[5]童谷生,劉永勝.碳纖維布加固部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能研究[J].建筑科學(xué),2008,24(9)：19-23.

TONG GU-SHENG,LIU YONG-SHENG.Study on fatigue performance of partially p restressed concrete beams strengthened by CFRP-sheets[J].Journal of Building Science,2008,24(9)：19-23.

[6]呂宏奎,劉炎海.碳纖維布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎疲勞性能試驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(4)：10-13.

LV HONG-KUI,LIU YAN-HAI.Study on fatigue performanceof rein forced concrete beams strengthened with CFRP-sheet[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2006,25(4)：10-13.

[7]HEFFERNAN P J,ERKI A.Fatigue behavior of rein forced concrete beams strengthened w ith carbon fiber reinforced plastic lam inates[J].Journal of Composites for Construction,2004,8(2)：132-140.

[8]LARSON,RASHEED.Strength-fatigue behavior of fiber reinforced polymer strengthened prestressed concrete T-beams[J].Journal of Composites for Construction,2005,9(4)：313-326.

[9]孔憲途,徐人平.混凝土疲勞壽命P-S-N曲線的試驗(yàn)[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào),2009,8(3)：327-330.

KONG XIAN-TU,XU REN-PING.Experimental research on P-S-N curve of concrete fatigue life[J].Journal of Jiangnan University,2009,8(3)：327-330.

[10]吳云泉,顧紅軍.混凝土受拉疲勞的S-P-N方程[J].混凝土,2005(1)：46-48.

WU YUN-QUAN,GU HONG-JUN.The S-P-N equation of concrete flexural tensile fatigue[J].Journal of Concrete, 2005(1)：46-48.

[11]馮秀峰,宋玉普.隨機(jī)變幅疲勞荷載下預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞壽命的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(9)：32-38.

FENG XIU-FENG,SONG YU-PU.An experimental study on the fatigue life of p restressed concrete beams under random-amp litude fatigue loading[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(9)：32-38.

[12]馮秀峰,宋玉普.疲勞荷載下預(yù)應(yīng)力混凝土梁中鋼筋應(yīng)力重分布的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006,27(2)：94-99.

FENG XIU-FENG,SONG YU-PU.Experimental study on stress redistribution of reinforcing steel in p restressed concrete beams under fatigue loading[J].Journal of Building Structures,2006,27(2)：94-99.

[13]ROLLER JOHN J,RUSSELL HENRY G.Fatigue endurance of high-strength p restressed concrete bu lbtee girders[J].PCIJournal,2007,52(3)：30-42.

[14]KATAKALOS K,PAPAKONSTANTINOU C G. Fatigue of reinforced concrete beams strengthened w ith steel-reinforced inorganic polymers[J].Journal of Composites for Construction,2009,13(2)：103-112.

(編輯 胡英奎)

Experimental Analysisof Bending Fatigue Behavior of Prestressed Concrete Girderswith Complex Box-type Section Used in High-speed Railway

HUAJian-mina,b,ZOUXiao-boa,WANGJian-yuea,CAOHuia,b,LIZheng-lianga,b

(a.School of Civil Engineering;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain A rea of Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China)

Based on a prestressed concrete girderwith com plex box-type section of36m span,fourm odels of 1/6 scale are m ade,and one of them is m ixed w ith a kind of polymer latex.Experim ents w ith monotonically and cyclically loading are carried out on themodels to study bending fatigue behavior of the girder in service and under cyclic load exceeding the designed value,as well as the impact of po lymer on fatigue perform ance of the girder.The results show that,under the cyclic load of value determ ined by the maxim um and minimum stress at the key part of the girder in service,the fatigue performance is satisfactory and the fatigue behavior under a subsequent larger cyclic load is sim ilarw ith that one under the same big cyclic load.Besides,the polymer has no negative effect on fatigue behavior of them odel.

fatigue;box-type girder w ith comp lex section;reduced scalem odel;po lymer latex

U448.13

A

1674-4764(2011)03-0008-05

2010-11-02

華建民(1974-),男,博士,主要從事結(jié)構(gòu)工程和施工技術(shù)研究,(Email)hjm191@163.com。