于明浩，蘇小超，王磊

鋼絞線局部銹斷混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究

于明浩，蘇小超，王磊

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中鋼絞線局部銹蝕造成疲勞性能退化問(wèn)題，制作了6根預(yù)應(yīng)力混凝土梁，對(duì)其中4根不同鋼絞線銹斷位置的試驗(yàn)梁進(jìn)行電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)、靜力加載和疲勞加載試驗(yàn)，研究了鋼絞線斷裂后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能退化機(jī)理和力學(xué)性能退化規(guī)律，分析了混凝土表面裂縫擴(kuò)展、荷載?撓度關(guān)系及疲勞壽命。研究結(jié)果表明：/4銹斷位置處的試驗(yàn)梁剛度退化和裂縫擴(kuò)展規(guī)律，與未銹蝕梁和端部銹蝕梁的差異明顯；不同銹斷位置的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的靜載和疲勞性能均有不同程度降低；當(dāng)銹斷位置處于梁端時(shí)，鋼絞線與混凝土形成二次錨固效應(yīng)，對(duì)梁的剛度保證具有積極作用。

橋梁工程；預(yù)應(yīng)力混凝土；銹蝕；疲勞；剛度

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁構(gòu)件具有截面小、自重輕、跨越能力強(qiáng)[1]等優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)現(xiàn)有公路橋梁中占很大比重。近年來(lái)，由于該類橋梁長(zhǎng)期暴露在除冰鹽和沿海環(huán)境，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼絞線銹蝕、截面積減小和有效預(yù)應(yīng)力水平降低[2?4]等問(wèn)題。當(dāng)荷載大于消壓彎矩后，混凝土梁進(jìn)入受拉狀態(tài)，甚至出現(xiàn)裂縫。當(dāng)鋼絞線局部銹斷后，結(jié)構(gòu)抗彎承載力明顯下降[5?6]，并在車輛荷載反復(fù)作用下銹蝕會(huì)進(jìn)一步加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積[7?9]，橋梁的安全性難以保障。

已有學(xué)者開(kāi)展了鋼絞線銹蝕后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能研究。余芳[7]研究了不同銹蝕程度鋼絞線PC梁的疲勞性能，指出梁的疲勞破壞是由腐蝕鋼絞線的疲勞斷裂引起，試驗(yàn)梁的疲勞壽命隨銹蝕率的增加顯著降低。Adasooriya[10]等人指出了銹蝕不僅降低鋼絞線強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)降低鋼絞線的疲勞極限。Tran[11]等人研究發(fā)現(xiàn)鋼絞線銹蝕會(huì)加速結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積。馮秀峰[12]總結(jié)了隨機(jī)變幅疲勞荷載對(duì)鋼絞線銹蝕PC梁的作用機(jī)理，提出了一種基于等損傷度的相對(duì)Miner準(zhǔn)則模型，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞壽命。現(xiàn)有研究主要集中在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中鋼絞線均勻腐蝕后，結(jié)構(gòu)的靜載和疲勞性能對(duì)鋼絞線局部銹蝕，尤其是局部銹斷后結(jié)構(gòu)的耐久性退化研究少見(jiàn)。因此，作者制作6根PC梁，對(duì)其中4根不同腐蝕位置的PC梁進(jìn)行電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)，并進(jìn)行靜載和疲勞性能試驗(yàn)，研究銹斷發(fā)生后PC梁的裂縫發(fā)展趨勢(shì)，分析鋼絞線局部銹斷梁的疲勞壽命退化規(guī)律，可為PC梁的疲勞壽命評(píng)估提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共有6根PC梁，編號(hào)為0～2、0～2。其中，0～2為靜載試驗(yàn)梁，0～2為疲勞試驗(yàn)梁，0和0均未發(fā)生銹蝕。設(shè)計(jì)了2種鋼絞線銹斷位置，其中，1、1銹斷位置在梁的端部，2、2銹斷位置在各梁的/4處。6根PC梁截面尺寸為寬×高＝200 mm×350 mm，梁長(zhǎng)=4.0 m，計(jì)算跨徑3.6 m?？v向受拉筋采用3根直徑為16 mm的HRB400鋼筋，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為452 MPa和610 MPa。架立鋼筋為3根直徑10 mm的HRB400鋼筋，箍筋為直徑8 mm的HPB300鋼筋，箍筋間距在純彎段為100 mm，在彎剪段為80 mm。鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 1 860 MPa，鋼絞線張拉應(yīng)力為1 395 MPa，混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為45.3 MPa。試驗(yàn)梁的尺寸和截面配筋如圖1所示。

1.2 鋼絞線局部銹蝕

采用電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)梁的不同銹蝕程度和銹斷位置。在擬定銹斷位置處安裝長(zhǎng)度為20 cm的銹蝕槽。采用免釘膠保證銹蝕槽與試驗(yàn)梁的固定和防水。銹蝕槽內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液。直流電源正極連接鋼絞線，負(fù)極連接溶液中的不銹鋼板，形成閉合回路。為避免普通鋼筋銹蝕，制作試驗(yàn)梁時(shí)，對(duì)普通鋼筋涂環(huán)氧進(jìn)行防銹處理。鋼絞線的銹斷標(biāo)志為直流電源的電流讀數(shù)歸零。銹蝕裝置如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)梁尺寸和配筋(單位：mm)

1.3 加載過(guò)程

試驗(yàn)梁采用四點(diǎn)彎曲加載，純彎段長(zhǎng)度為1.0 m，采用百分表進(jìn)行撓度測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。加載裝置采用MTS PMCS2.0液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，先對(duì)試驗(yàn)梁0～2進(jìn)行靜載試驗(yàn)，得到相應(yīng)的開(kāi)裂荷載和極限荷載，分別取其極限荷載的0.4倍和0.08倍作為疲勞荷載上限值和下限值。靜載試驗(yàn)結(jié)果和疲勞試驗(yàn)梁的荷載參數(shù)見(jiàn)表1。靜載試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)梁0～2進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，疲勞荷載采用頻率為2 Hz的正弦波，加載波形如圖3所示。疲勞循環(huán)次數(shù)分別達(dá)1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200萬(wàn)次時(shí)，停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，記錄測(cè)點(diǎn)撓度和裂縫開(kāi)展情況。若試驗(yàn)梁經(jīng)受200萬(wàn)次疲勞后，仍未破壞，對(duì)其進(jìn)行逐級(jí)靜載試驗(yàn)，直至破壞。

圖2 快速銹蝕裝置

表1 加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3 加載波形

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土裂縫發(fā)展

靜載試驗(yàn)梁0～2和疲勞試驗(yàn)梁0～2的裂縫擴(kuò)展如圖4所示。圖4中，豎向裂縫旁數(shù)值表示疲勞次數(shù)(單位：萬(wàn)次)。從圖4中可以看出，由于鋼絞線斷裂位置不同，試驗(yàn)梁開(kāi)裂位置存在差異。試驗(yàn)梁1和1的開(kāi)裂位置與未銹蝕梁0和0相似，均出現(xiàn)在跨中純彎段，主要原因是1和1的鋼絞線斷裂位置在梁端，鋼絞線斷裂后，應(yīng)力傳遞范圍有限，預(yù)加力可繼續(xù)生效，形成了二次錨固作用。

試驗(yàn)梁2和2的裂縫與其他試驗(yàn)梁存在較大差異，首條裂縫出現(xiàn)在鋼絞線銹蝕斷裂位置附近。這是由于2、2斷裂位置距跨中較近，靜載時(shí)梁體豎向截面受正彎矩的作用，在底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力沿著端部向跨中方向增大，因鋼絞線的斷裂，在斷裂區(qū)域附近的有效預(yù)應(yīng)力大幅度減小，從而導(dǎo)致混凝土在銹蝕斷裂區(qū)域中提前開(kāi)裂。

疲勞試驗(yàn)加載初期，疲勞試驗(yàn)梁裂縫發(fā)展較快，與未銹蝕梁0相比，試驗(yàn)梁1的裂縫數(shù)量減少，平均裂縫間距增大。疲勞循環(huán)10萬(wàn)次至60萬(wàn)次時(shí)，試驗(yàn)梁1無(wú)新增裂縫，裂縫延伸高度持續(xù)增加，在接近極限承載力時(shí)，主裂縫高度約延伸至6/7的梁高處，主裂縫最大寬度達(dá)5 cm，與未銹蝕梁0相比，試驗(yàn)梁2裂縫數(shù)量減少，裂縫集中分布在斷口兩側(cè)。疲勞過(guò)程中，斷裂位置兩側(cè)裂縫延伸高度在40萬(wàn)次疲勞周期內(nèi)持續(xù)增加，其余裂縫延伸高度在20萬(wàn)次疲勞周期后無(wú)明顯變化。

2.2 荷載?撓度關(guān)系

試驗(yàn)梁0、1、2經(jīng)歷不同疲勞循環(huán)荷載后的跨中荷載?撓度曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，未銹蝕試驗(yàn)梁撓度變化較為穩(wěn)定，試驗(yàn)梁疲勞壽命可達(dá)200萬(wàn)次。銹蝕梁的撓度增長(zhǎng)呈三階段變化特征：前期快速增加，中期平穩(wěn)發(fā)展，后期快速增長(zhǎng)。對(duì)比了試驗(yàn)梁1、2和未銹蝕梁0可知，經(jīng)歷相同循環(huán)荷載后，銹斷PC梁的跨中撓度明顯大于未銹蝕梁的。以荷載70 kN為例，疲勞循環(huán)40萬(wàn)次后，試驗(yàn)梁1、2的跨中撓度平均值分別比0增大了19.05%、31.51%。表明：鋼絞線銹蝕斷裂降低了PC梁的抗變形能力，疲勞荷載進(jìn)一步加速了結(jié)構(gòu)的損傷累積過(guò)程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度顯著 降低。

對(duì)比鋼絞線局部銹斷梁1和2可知，梁2的初始撓度較大，前期撓度增長(zhǎng)速度較快。這是因?yàn)榧虞d時(shí)梁的豎向截面產(chǎn)生正彎矩，梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力，越靠近跨中，拉應(yīng)力越大。試驗(yàn)梁2銹斷位置靠近跨中，并產(chǎn)生了嚴(yán)重的裂縫破壞，其剛度退化更為明顯。試驗(yàn)梁1為端部銹斷，距離跨中較遠(yuǎn)，二次錨固效應(yīng)使得其受力本質(zhì)上更接近于先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁，其剛度仍能保證。

圖4 試驗(yàn)梁裂縫

圖5 跨中撓度-荷載曲線

圖6 F0梁200萬(wàn)次疲勞后荷載-撓度曲線

試驗(yàn)梁0經(jīng)歷200萬(wàn)次疲勞后的跨中撓度?荷載曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，未損傷試驗(yàn)梁的靜力破壞形式仍為典型的適筋梁破壞，臨近破壞時(shí)，荷載值沒(méi)有增長(zhǎng)，跨中撓度持續(xù)增加，最終主筋屈服，上緣混凝土壓碎，試驗(yàn)梁完全破壞。

2.3 疲勞壽命

腐蝕加快了PC梁的疲勞損傷，導(dǎo)致其疲勞壽命下降。試驗(yàn)梁0、1和2的疲勞壽命見(jiàn)表2。由表2可知，銹斷試驗(yàn)梁1和2的疲勞壽命分別比試驗(yàn)梁0下降了69%和74%。試驗(yàn)梁1比2經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)更大，主要是由于梁1在銹斷位置遠(yuǎn)離純彎段，二次錨固形成了其先張梁的特性，一定程度上保證了試驗(yàn)梁1的整體剛度。試驗(yàn)梁2的破壞形態(tài)如圖7所示，試驗(yàn)梁的破壞始于銹斷處普通鋼筋疲勞斷裂，腐蝕區(qū)域附近受拉區(qū)的混凝土發(fā)生剝落，不可恢復(fù)的受力裂縫已延伸至梁頂，受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生壓碎現(xiàn)象。

表2 試驗(yàn)梁破壞形式及疲勞壽命

圖7 試驗(yàn)梁F2破壞形態(tài)

3 結(jié)論

通過(guò)鋼絞線銹斷后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的靜載和疲勞性能試驗(yàn)，得到結(jié)論：

1) 未銹蝕PC梁具有較強(qiáng)的抵抗靜載和疲勞能力，鋼絞線銹斷后，PC梁的承載能力顯著降低，疲勞壽命急劇下降。銹斷PC梁在疲勞過(guò)程中產(chǎn)生裂縫，平均間距較未銹蝕梁的有增加趨勢(shì)。

2) 銹斷試驗(yàn)梁的荷載?撓度發(fā)展具有3個(gè)階段的變化特征。荷載為70 kN時(shí)，經(jīng)歷40萬(wàn)次荷載循環(huán)后，銹斷試驗(yàn)梁的跨中撓度較未銹蝕梁的增幅達(dá)19.05%。

3) 當(dāng)銹斷位置處于梁端時(shí)，鋼絞線與混凝土形成二次錨固效應(yīng)，使其受力本質(zhì)上更接近于先張梁，這對(duì)試驗(yàn)梁的剛度保證具有積極作用。試驗(yàn)梁在/4處銹斷時(shí)，其破壞失效位置由跨中(靜載)向銹斷處(疲勞)轉(zhuǎn)移。

本研究通過(guò)電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)，得到了鋼絞線銹斷試驗(yàn)梁與實(shí)際中鋼絞線自然腐蝕之間存在的差異。但鋼絞線發(fā)生多處銹斷時(shí)，其疲勞退化過(guò)程復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

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Fatigue behavior test of concrete beam with local corrosion-induced fracture of steel strand

YU Ming-hao, SU Xiao-chao, WANG Lei

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114,China)

In order to investigate the fatigue property degradation characteristic of prestressed concrete beam with local corrosion-induced fracture of steel strand, a total of 6 prestressed concrete beams were designed and fabricated. Electrochemical accelerated corrosion was applied to 4 of them at different locations of steel strand rust failure, and static and fatigue loading tests were carried out. The fatigue degradation mechanism and mechanical degradation characteristic of prestressed concrete beams destabilized by breaking steel strand were studied, and the crack propagation, load-deflection relationship and fatigue life of concrete were analyzed. The results show that, the stiffness degradation and crack propagation characteristic of beam with breaking steel strand at the position of/4 are obviously different from those of non-corroded beam and beam with breaking steel strand at the position of end. The static load and fatigue properties of prestressed concrete beams with breaking steel strand are reduced. When the corroded position is located at the end of beam, the secondary anchorage formed by steel strand and concrete can provide a positive effect on the stiffness of the beam.

bridge engineering; prestressed reinforced concrete; corrosion; fatigue; rigidity

U447

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0041 ? 06

2020?09?20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678069)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2017JJ3325)；湖南省研究生科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(CX20190638)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(17B012)；湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2019SK2171)

于明浩(1994?)，男，長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士研究生。