段鋼文

(黑龍江省收費公路管理局)

橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋應力集中、疲勞研究

段鋼文

(黑龍江省收費公路管理局)

造成構(gòu)件疲勞破壞或極限承載能力下降的內(nèi)因是材料中的初始缺陷在重復荷載作用下產(chǎn)生應力集中，導致材料內(nèi)部缺陷發(fā)展、損傷累積而強度逐漸耗散，外因則是應力反復的循環(huán)特征和累積次數(shù)。在考慮材料疲勞對結(jié)構(gòu)的影響時，需首先確定材料的疲勞強度，然后根據(jù)重復荷載特性計算材料在確定時刻的疲勞剩余強度，最后根據(jù)材料強度與構(gòu)件承載力之間的關(guān)系得出結(jié)構(gòu)的疲勞剩余承載力。

鋼筋應力;鋼筋的疲勞性能;材料疲勞剩余強度

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用過程中會承受循環(huán)往復的車輛荷載、人群荷載和風荷載等作用，且加載次數(shù)頻繁。在多次重復交變荷載作用下，構(gòu)件反復變形過大，某些應力集中、循環(huán)應力幅值較大的構(gòu)件可能會在低于材料屈服或極限強度條件下產(chǎn)生疲勞破壞，或雖未發(fā)生疲勞破壞，但構(gòu)件由于材料疲勞剩余強度低于初始強度而造成極限承載能力有所下降。

造成構(gòu)件疲勞破壞或極限承載能力下降的內(nèi)因是材料中的初始缺陷在重復荷載作用下產(chǎn)生應力集中，導致材料內(nèi)部缺陷發(fā)展、損傷累積而強度逐漸耗散，外因則是應力反復的循環(huán)特征和累積次數(shù)。在考慮材料疲勞對結(jié)構(gòu)的影響時，需首先確定材料的疲勞強度，然后根據(jù)重復荷載特性計算材料在確定時刻的疲勞剩余強度，最后根據(jù)材料強度與構(gòu)件承載力之間的關(guān)系得出結(jié)構(gòu)的疲勞剩余承載力。在材料的疲勞性能研究中，一般是在等幅重復應力下進行試驗，獲得常幅疲勞強度和壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，但在使用過程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受的是一個隨時間變換的變幅荷載，因此除了研究材料在等幅重復應力作用下的疲勞性能外，還需考察在變幅重復應力下的疲勞性能，其方法之一就是Miner線性累積損傷準則，利用此準則建立數(shù)學模型計算出材料在變幅循環(huán)應力作用下的疲勞剩余強度后，進一步就可得到結(jié)構(gòu)的疲勞剩余承載能力。

1 鋼筋的疲勞性能及疲勞剩余強度

前兩者直接在空氣中進行重復加卸載試驗，比較容易做。后者將鋼筋埋在混凝土梁的受拉區(qū)，對梁進行試驗，更符合鋼筋的實際受力情況。試驗結(jié)果表明:原狀鋼筋的疲勞強度最低;梁內(nèi)鋼筋的疲勞斷裂發(fā)生在純彎段內(nèi)裂縫截面附近，疲勞強度會稍高;試驗中發(fā)現(xiàn)，鋼筋的疲勞斷裂口的起始點常常發(fā)生在表面橫肋的根部或廠商標牌處。

鋼筋的失效過程可分為三個主要階段。(1)疲勞裂紋形成。鋼筋在冶煉、軋制和加工過程中可能在內(nèi)部和表面出現(xiàn)一些缺陷，如雜質(zhì)、縫隙、刻痕和銹蝕斑等。荷載作用下，這些缺陷附近和表面橫肋的凹角處產(chǎn)生應力集中。當應力過高，使鋼筋晶粒滑移，就形成了初始裂紋。(2)疲勞裂紋擴展。應力重復次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴展，損傷積累，減小了有效截面面積，鋼筋截面上的裂紋面因為重復加卸載產(chǎn)生的變形增大和恢復，使之摩擦光滑而色暗。(3)當鋼筋的剩余有效面積不再能承受既定的荷載(拉力)時，試件突然脆性斷裂。斷裂面上部分面積色澤新亮，呈粗糙的晶粒狀。

研究表明影響疲勞強度最重要的因素是應力幅和鋼筋的表面形狀、彎曲、焊接和機械連接，所以在疲勞驗算中對于某一種梁用鋼筋母材，不考慮其彎曲時只需要考慮可變荷載產(chǎn)生的應力。

變形鋼筋采用歐洲鋼筋混凝土協(xié)會推薦的鋼筋母材S-N疲勞壽命曲線

鋼絞線

式中:N為鋼筋的疲勞壽命;Δσ為循環(huán)應力幅。

2 Miner準則和材料疲勞剩余強度

橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中所承受的汽車荷載一般并不是常幅循環(huán)，而是變幅的循環(huán)，且荷載歷程很不規(guī)則，從而疲勞應力呈現(xiàn)出變幅﹑高循環(huán)﹑隨機性的特點，傳統(tǒng)的研究對象為各種常應力循環(huán)，即每一次應力循環(huán)中的應力幅均為常數(shù)，然而，在變幅循環(huán)下，混凝土和鋼筋的疲勞累積損傷的累積速度與不同強度循環(huán)荷載的作用次序有關(guān)并且是非線性的，在循環(huán)應力很低的情況下也如此，各國學者曾做了很多的研究，提出了很多假設，包括非線性累積損傷模型，以及在計算中的累積分布函數(shù)的參數(shù)計算模型，但是目前已被橋梁工程界普遍接受的是“線性累積損傷準則”，即Miner準則，該準則比較簡單并且容易計算，且鋼筋在變幅重復應力下造成的損傷基本上符合Miner準則，混凝土梁是鋼筋和混凝土的結(jié)合物，從損傷的過程來說，不符合線性損傷準則，但是具有足夠的準確度。目前此準則被各個國家的規(guī)范廣泛采用，該準則如下。

(1)將疲勞循環(huán)應力等價為若干級等幅應力循環(huán)，每一級循環(huán)應力幅所對應的循環(huán)次數(shù)分別為 n1，n2，ni，…，，…(Δσi，ni均可知)。假設 N1，N2，…，Ni，…，為循環(huán)應力幅Δσ1，Δσ2，…，Δσi，…，所對應的疲勞壽命，即表示在常幅應力Δσi作用下循環(huán)Ni次結(jié)構(gòu)破壞。

式中:ni為常幅應力Δσi對應的實際循環(huán)次數(shù);Ni為在常幅應力Δσi作用下的疲勞破壞次數(shù)(疲勞壽命)。

若D≥1，則表明構(gòu)件已經(jīng)疲勞破壞;若D＜1，則表明構(gòu)件尚未破壞。

但是Miner準則有一定的局限性:沒有考慮循環(huán)荷載的順序和非線性的影響;未考慮循環(huán)應力低于常幅疲勞應力極限的疲勞損傷;未能區(qū)分裂紋形成與裂紋擴張等階段疲勞特性的不同之處，并且疲勞破壞時D并不一定等于1.0，而是大于或者小于1.0。

［1］姜海波，車惠民.鐵路鋼筋混凝土梁和預應力混凝土疲勞抗剪可靠度［J］.鐵道學報，1997，(1).

［2］羅清.鋼筋混凝土梁的極限承載力分析［J］.中南公路工程，1999，(4).

［3］郭紅仙，任寶雙，錢家茹.北京地區(qū)鋼筋混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)綜合評估系統(tǒng)［J］.清華大學學報(自然科學版)，2002，42(6):55-59.

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