韓基剛

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 公路橋梁診治技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心， 沈陽 110166)

0 概述

部分預(yù)應(yīng)力混凝土(Partially Prestressed Concrete, PPC)結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁工程中[1]。隨著橋梁運營年限的增長及車輛荷載尤其重載交通的往復(fù)作用影響，結(jié)構(gòu)性能必將發(fā)生退化，甚至在正常服役期內(nèi)出現(xiàn)超出規(guī)范限值的變形和裂縫寬度，危及橋梁運營安全。既有試驗研究結(jié)果表明：在遠(yuǎn)小于極限荷載作用下，對于帶裂縫工作的PPC梁，均存在發(fā)生疲勞破壞的可能[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的PPC梁疲勞試驗，主要研究集中在破壞形態(tài)、最大荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和裂縫寬度、受拉鋼筋應(yīng)力狀態(tài)及疲勞后結(jié)構(gòu)靜力性能上[3-5]。少量研究表明：疲勞荷載作用后，梁體存在無法恢復(fù)的結(jié)構(gòu)變形(應(yīng)變)，即殘余變形(應(yīng)變)[6-8]。文獻(xiàn)[6]結(jié)合6根PPC疲勞試驗結(jié)果，將PPC梁跨中變形分為殘余變形和瞬時變形，并擬合出殘余變形經(jīng)驗公式，但其影響因素尚不清楚；文獻(xiàn)[7]證實了PPC梁受壓區(qū)混凝土存在殘余應(yīng)變，其大小與應(yīng)力水平和循環(huán)荷載作用下的累積變形密切相關(guān)。事實上，基于應(yīng)變協(xié)調(diào)條件，當(dāng)受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生殘余應(yīng)變時，受拉鋼筋必將產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變。然而，早期研究由于受測試方法的限制，未獲得鋼筋殘余應(yīng)變的疲勞全過程變化特征，且在進(jìn)行PPC結(jié)構(gòu)疲勞分析時，常忽略其影響，進(jìn)而低估了鋼筋的實際應(yīng)力[8]。由此可見，我國目前對疲勞荷載作用后的PPC梁殘余性能的研究才剛剛起步，對其影響因素尚缺乏了解，故應(yīng)進(jìn)行相關(guān)研究，積累足夠的試驗資料。

大量疲勞試驗結(jié)果表明，PPC梁的疲勞破壞起始于非預(yù)應(yīng)力鋼筋，顯然其殘余應(yīng)變將直接影響梁的疲勞壽命[3]；而殘余變形則是結(jié)構(gòu)整體剛度的反映，可作為衡量結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的重要指標(biāo)。與此同時，考慮到疲勞荷載作用過程中，殘余應(yīng)變(變形)的變化較為穩(wěn)定且易于監(jiān)測；本文從疲勞荷載作用后的PPC梁殘余性能入手，開展8根PPC梁的疲勞性能試驗，并預(yù)埋抗疲勞性能優(yōu)越的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器實時監(jiān)測梁內(nèi)受拉鋼筋的應(yīng)變變化，重點分析梁體殘余變形和非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變的變化規(guī)律及其影響因素，以期為橋梁疲勞設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本次共開展8根PPC模型梁疲勞性能試驗，所有梁均在同一時刻澆筑。圖1為梁體具體外形尺寸及配筋形式。

圖1 試驗梁設(shè)計和加載設(shè)置

為研究配筋率對PPC梁殘余性能的影響，將其分為兩組(H1和H2組)，其中H1組梁預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋被布置于同一高度，以獲得疲勞荷載作用過程中不同類型受拉鋼筋的應(yīng)變變化差異。每組選取1根作為參考梁(S1和S2梁，S代表靜載)，進(jìn)行靜載性能試驗，其余試驗梁按照荷載水平不同分別進(jìn)行等幅疲勞性能試驗，以確定其對PPC梁殘余性能的影響。

所有試驗均采用1 000kN的MTS系統(tǒng)，并通過分配梁進(jìn)行兩點對稱加載，疲勞加載波形為正弦波，相關(guān)加載參數(shù)設(shè)置如表1所示。

混凝土抗壓強度及加載參數(shù) 表1

1.2 試驗材料

試驗梁采用商品混凝土，設(shè)計強度等級為C50，實測抗壓強度如表1所示；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860級7股鋼絞線，預(yù)應(yīng)力單側(cè)張拉，控制應(yīng)力為1 302MPa；非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑為14mm和16mm的HRB400級鋼筋，屈服強度分別為442，413MPa。

1.3 測試方法

鋼筋和混凝土的應(yīng)變均采用FBG傳感器進(jìn)行量測。為驗證其有效性，電阻應(yīng)變式傳感器(Resistance Strain Gauge，RSG)也被布設(shè)在與FBG測點相近的混凝土及受拉鋼筋表面處，其中混凝土FBG及RSG傳感器布設(shè)于跨中梁頂緣處，鋼筋測點布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 受拉鋼筋FBG與RSG傳感器測點布置/mm

試驗開始前，在試驗梁的跨中及加載點截面處安放4個位移計(跨中2個，兩側(cè)加載點各1個)，測定梁體的豎向變形，同時在兩端支座截面處各安放1塊百分表，用于確定支座沉降。

試驗過程中，在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的循環(huán)次數(shù)后卸載至零，測定殘余變形(應(yīng)變)值，并進(jìn)行一次加載至最大荷載水平的靜力試驗，期間觀測梁豎向變形、受力鋼筋及混凝土應(yīng)變變化情況，以及裂縫延伸及擴(kuò)展情況。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)及疲勞壽命

圖3為H1F-0.6試驗梁的典型疲勞破壞形態(tài)。臨近疲勞破壞前，梁底混凝土開始出現(xiàn)零星剝落，最終破壞起始于梁受彎區(qū)“某一主裂縫”處的非預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞斷裂。其他疲勞試驗梁均表現(xiàn)出與此試驗梁一致的破壞形態(tài)，見表2。由表2可知，在最小荷載水平(Fmin/Fu)不變的情況下，隨著最大荷載水平的提高，梁疲勞壽命顯著降低；同一荷載水平下，因配筋率的不同，H2組梁的疲勞壽命均高于H1組梁。

圖3 PPC梁典型疲勞破壞特征

表2 試驗測試結(jié)果

2.2 鋼筋應(yīng)力重分布

在進(jìn)行梁內(nèi)鋼筋應(yīng)變分析前，需校對發(fā)生疲勞斷裂時第一根鋼筋所對應(yīng)的主裂縫位置，并以距該裂縫最近的FBG傳感器應(yīng)變實測值作為有效讀數(shù)，文中應(yīng)變均以拉為正，壓為負(fù)。

因篇幅所限，圖4僅給出了由FBG和RSG實測H1F-0.4梁和H2F-0.6梁受拉鋼筋應(yīng)變幅隨循環(huán)次數(shù)的全過程變化曲線。從試驗結(jié)果來看，在RSG破壞之前，兩者具有較好的一致性，且在疲勞加載過程中，F(xiàn)BG傳感器的存活率和穩(wěn)定性顯著優(yōu)于RSG，其他試驗梁均表現(xiàn)出與此試驗梁相同的特征，由此驗證了FBG傳感器的長期可靠性。

圖4 鋼筋應(yīng)變幅隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

由圖4也可看出，對于不同類型受拉鋼筋同高度布置的H1組梁，其應(yīng)變幅增長規(guī)律并不一致，這主要由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能和退化機(jī)理不同以及鋼筋彈性模量的差異，導(dǎo)致在疲勞加載過程中，兩類鋼筋之間產(chǎn)生了應(yīng)力重分布。該分布特性可通過預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變幅值比表征。表3給出了各疲勞試驗梁的應(yīng)變幅值比，由表3可知，在最后一次疲勞加載過程中，實測H1組梁的應(yīng)變幅值比為0.710～0.721，對于H2組梁，其幅值比達(dá)0.609～0.637，該結(jié)果與文獻(xiàn)[9]實測結(jié)果較為接近。由此表明，疲勞荷載引起的鋼筋應(yīng)力重分布使得非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力進(jìn)一步增大。

預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋幅值比對比 表3

2.3 非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變

圖5，6分別為通過靜載試驗得到的H1F-0.4和H2F-0.4梁非預(yù)應(yīng)力鋼筋和上緣混凝土荷載-應(yīng)變曲線。由圖可知，從整個循環(huán)過程來看，加卸載過程中荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出疏-密-疏的特點，即曲線環(huán)包面積先由大變小，后趨于平緩，臨近破壞階段再逐漸變大；在各預(yù)定次數(shù)下的循環(huán)加載結(jié)束后，上緣混凝土和非預(yù)應(yīng)力鋼筋均出現(xiàn)了無法恢復(fù)的殘余應(yīng)變。

圖5 H1F-0.4梁荷載-應(yīng)變對比曲線

圖6 H2F-0.4梁荷載-應(yīng)變對比曲線

結(jié)合本文試驗及既有研究結(jié)果，對于非預(yù)應(yīng)力鋼筋，其殘余應(yīng)變產(chǎn)生原因可歸結(jié)為：1)因受壓區(qū)混凝土存在殘余應(yīng)變，為保持應(yīng)變協(xié)調(diào)性，受拉鋼筋亦產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變；2)鋼筋周圍混凝土形成無法閉合的微裂縫，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生了約束變形[10]；3)鋼筋應(yīng)力重分布使非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力進(jìn)一步增大，進(jìn)而加劇了微裂縫擴(kuò)展，間接導(dǎo)致鋼筋約束變形增大。

圖7給出了非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變與疲勞循環(huán)比(n/Nf)的關(guān)系曲線。由圖可知，在疲勞荷載作用過程中，殘余應(yīng)變近似符合“三階段”發(fā)展規(guī)律，表現(xiàn)為應(yīng)變初始增長—應(yīng)變增長緩慢且穩(wěn)定—應(yīng)變顯著增大。破壞前，殘余應(yīng)變可達(dá)315～425με。對于配筋率低且荷載水平高的H1F-0.6梁，其殘余應(yīng)變顯著高于其他試驗梁，這主要因為在疲勞加載過程中，梁內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋過早發(fā)生屈服，致使其產(chǎn)生了附加塑性應(yīng)變。對于其他疲勞試驗梁，各根非預(yù)應(yīng)力鋼筋的殘余應(yīng)變實測值較為接近，且離散性較小，表明在鋼筋不發(fā)生屈服的情況下，該殘余應(yīng)變受配筋率和荷載水平的影響并不顯著，而主要與鋼筋周圍混凝土微裂縫閉合情況和受壓區(qū)混凝土疲勞損傷程度密切相關(guān)，該損傷可由混凝土殘余應(yīng)變表征[11]。

圖7 非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

2.4 殘余變形

圖8給出了荷載-跨中變形對比曲線，因篇幅所限，僅以H1F-0.4，H2F-0.4梁為例。圖中可見，在第1次靜力加卸載階段，疲勞試驗梁與參考梁的荷載-跨中變形曲線變化趨勢較為一致，且在卸載后，存在無法恢復(fù)的殘余變形，其產(chǎn)生原因可歸結(jié)為疲勞加載過程中產(chǎn)生無法閉合的梁體裂縫所致；從整個循環(huán)過程來看，其加卸載過程曲線呈現(xiàn)出與鋼筋和混凝土一致的變化趨勢；此外，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，殘余變形隨之增大。

圖8 荷載-跨中變形對比曲線

圖9為殘余變形與疲勞循環(huán)比(n/Nf)的關(guān)系曲線。由圖可知，其變化規(guī)律可近似劃分為三個階段。第一階段，變形發(fā)展較快，但增長速率逐漸降低，該階段約占疲勞壽命的20%左右；第二階段，變形增長速率變化較為穩(wěn)定，基本呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律，該階段約占疲勞壽命的60%；第三階段，梁體變形發(fā)展較快，最終導(dǎo)致梁很快進(jìn)入破壞階段，最后一次靜載試驗前，實測殘余變形約占最大變形的10%～19%。

圖9 殘余變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

從圖中也可看出，在最小荷載水平不變的情況下，隨著最大荷載水平的提高，殘余變形顯著增大；在同一荷載水平下，H1組試驗梁殘余變形高于H2組梁，由此表明，殘余變形大小與荷載水平和配筋率密切相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)疲勞荷載可導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋之間產(chǎn)生應(yīng)力重分布，兩者應(yīng)變幅值比約在0.62～0.7之間，這將進(jìn)一步增大非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力水平。

(2)梁體殘余變形、非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變均呈現(xiàn)出典型的疲勞破壞“三階段”變化規(guī)律：初始快速增長—增長緩慢且穩(wěn)定—顯著增大直至破壞。

(3)梁體殘余變形大小受荷載水平和配筋率影響較為顯著，表現(xiàn)為最大荷載水平越高，殘余變形越大；配筋率越高，殘余變形越小。臨近破壞階段，殘余變形約占最大變形的10%～19%。

(4)非預(yù)應(yīng)力鋼筋殘余應(yīng)變與鋼筋周圍混凝土微裂縫閉合情況和受壓區(qū)混凝土疲勞損傷程度密切相關(guān)，破壞前，殘余應(yīng)變可達(dá)315～425με。