橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力集中、疲勞研究

段鋼文

(黑龍江省收費(fèi)公路管理局)

橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力集中、疲勞研究

段鋼文

(黑龍江省收費(fèi)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(fù)荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷發(fā)展、損傷累積而強(qiáng)度逐漸耗散，外因則是應(yīng)力反復(fù)的循環(huán)特征和累積次數(shù)。在考慮材料疲勞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，需首先確定材料的疲勞強(qiáng)度，然后根據(jù)重復(fù)荷載特性計(jì)算材料在確定時(shí)刻的疲勞剩余強(qiáng)度，最后根據(jù)材料強(qiáng)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(yīng)力;鋼筋的疲勞性能;材料疲勞剩余強(qiáng)度

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用過(guò)程中會(huì)承受循環(huán)往復(fù)的車(chē)輛荷載、人群荷載和風(fēng)荷載等作用，且加載次數(shù)頻繁。在多次重復(fù)交變荷載作用下，構(gòu)件反復(fù)變形過(guò)大，某些應(yīng)力集中、循環(huán)應(yīng)力幅值較大的構(gòu)件可能會(huì)在低于材料屈服或極限強(qiáng)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(qiáng)度低于初始強(qiáng)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(fù)荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷發(fā)展、損傷累積而強(qiáng)度逐漸耗散，外因則是應(yīng)力反復(fù)的循環(huán)特征和累積次數(shù)。在考慮材料疲勞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，需首先確定材料的疲勞強(qiáng)度，然后根據(jù)重復(fù)荷載特性計(jì)算材料在確定時(shí)刻的疲勞剩余強(qiáng)度，最后根據(jù)材料強(qiáng)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(fù)應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，獲得常幅疲勞強(qiáng)度和壽命的關(guān)系曲線，即S-N曲線，但在使用過(guò)程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受的是一個(gè)隨時(shí)間變換的變幅荷載，因此除了研究材料在等幅重復(fù)應(yīng)力作用下的疲勞性能外，還需考察在變幅重復(fù)應(yīng)力下的疲勞性能，其方法之一就是Miner線性累積損傷準(zhǔn)則，利用此準(zhǔn)則建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算出材料在變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞剩余強(qiáng)度后，進(jìn)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(qiáng)度

前兩者直接在空氣中進(jìn)行重復(fù)加卸載試驗(yàn)，比較容易做。后者將鋼筋埋在混凝土梁的受拉區(qū)，對(duì)梁進(jìn)行試驗(yàn)，更符合鋼筋的實(shí)際受力情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:原狀鋼筋的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)稍高;試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋼筋的疲勞斷裂口的起始點(diǎn)常常發(fā)生在表面橫肋的根部或廠商標(biāo)牌處。

鋼筋的失效過(guò)程可分為三個(gè)主要階段。(1)疲勞裂紋形成。鋼筋在冶煉、軋制和加工過(guò)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(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力過(guò)高，使鋼筋晶?；疲托纬闪顺跏剂鸭y。(2)疲勞裂紋擴(kuò)展。應(yīng)力重復(fù)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，損傷積累，減小了有效截面面積，鋼筋截面上的裂紋面因?yàn)橹貜?fù)加卸載產(chǎn)生的變形增大和恢復(fù)，使之摩擦光滑而色暗。(3)當(dāng)鋼筋的剩余有效面積不再能承受既定的荷載(拉力)時(shí)，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(qiáng)度最重要的因素是應(yīng)力幅和鋼筋的表面形狀、彎曲、焊接和機(jī)械連接，所以在疲勞驗(yàn)算中對(duì)于某一種梁用鋼筋母材，不考慮其彎曲時(shí)只需要考慮可變荷載產(chǎn)生的應(yīng)力。

變形鋼筋采用歐洲鋼筋混凝土協(xié)會(huì)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(yīng)力幅。

2 Miner準(zhǔn)則和材料疲勞剩余強(qiáng)度

橋梁結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中所承受的汽車(chē)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(yīng)力呈現(xiàn)出變幅﹑高循環(huán)﹑隨機(jī)性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的研究對(duì)象為各種常應(yīng)力循環(huán)，即每一次應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)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(qiáng)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(yīng)力很低的情況下也如此，各國(guó)學(xué)者曾做了很多的研究，提出了很多假設(shè)，包括非線性累積損傷模型，以及在計(jì)算中的累積分布函數(shù)的參數(shù)計(jì)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(zhǔn)則”，即Miner準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則比較簡(jiǎn)單并且容易計(jì)算，且鋼筋在變幅重復(fù)應(yīng)力下造成的損傷基本上符合Miner準(zhǔn)則，混凝土梁是鋼筋和混凝土的結(jié)合物，從損傷的過(guò)程來(lái)說(shuō)，不符合線性損傷準(zhǔn)則，但是具有足夠的準(zhǔn)確度。目前此準(zhǔn)則被各個(gè)國(guó)家的規(guī)范廣泛采用，該準(zhǔn)則如下。

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

式中:ni為常幅應(yīng)力Δσi對(duì)應(yīng)的實(shí)際循環(huán)次數(shù);Ni為在常幅應(yīng)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(zhǔn)則有一定的局限性:沒(méi)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(yīng)力低于常幅疲勞應(yīng)力極限的疲勞損傷;未能區(qū)分裂紋形成與裂紋擴(kuò)張等階段疲勞特性的不同之處，并且疲勞破壞時(shí)D并不一定等于1.0，而是大于或者小于1.0。

［1］姜海波，車(chē)惠民.鐵路鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土疲勞抗剪可靠度［J］.鐵道學(xué)報(bào)，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(qián)家茹.北京地區(qū)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估系統(tǒng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，42(6):55-59.

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