鋼筋混凝土板疲勞性能研究

馬志蓮　王曉聰　馬曉晶　趙紅財(cái)　常波

【摘 要】鋼筋混凝土橋面板的疲勞破壞是指在重復(fù)的交通荷載作用下，在應(yīng)力未達(dá)到材料的極限強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度的時(shí)候，突然發(fā)生的破壞。而材料固有壽命的消耗是結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的本質(zhì)原因。對于承載反復(fù)荷載作用的混凝土板結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)有足夠的疲勞壽命，在有效使用期間內(nèi)不會發(fā)生破壞，對結(jié)構(gòu)的安全性有非常深遠(yuǎn)的意義。

【關(guān)鍵字】鋼筋混凝土板；疲勞破壞；影響因素

中圖分類號： TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.035

Study on fatigue performance of reinforced concrete slab

MA Zhi-lian WANG Xiao-cong MA Xiao-jing ZHAO Hong-cai CHANG Bo

（School of civil and hydraulic engineering， ningxia university， Yinchuan Ningxia 750021， China）

【Abstract】the fatigue failure of reinforced concrete bridge slab refers to the failure that occurs suddenly when the stress does not reach the ultimate strength of the material or even lower than its yield strength under repeated traffic load. The consumption of the material's inherent life is the essential reason for the fatigue failure of the structure. For the concrete slab structure bearing repeated loads， it is of profound significance to ensure that the structure has enough fatigue life and will not be damaged during the effective use period.

【Key words】Reinforced concrete plate； Fatigue failure； Influencing factors

0 引言

由于某些因素，例如設(shè)計(jì)上的缺陷、施工中的質(zhì)量等問題、環(huán)境因素的影響或者使用功能的變更等，現(xiàn)實(shí)中很多工程結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度往往會不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]。而混凝土板疲勞是影響鋼筋混凝土橋梁破壞的重要因素，所以，分析板疲勞性能，即混凝土板是否受損、受損程度、位置，從而預(yù)測其疲勞壽命，對此次試驗(yàn)和以后的混凝土板橋梁的相關(guān)研究都有很大的意義。

現(xiàn)如今我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展[2]，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較多，各種交通工具的使用更加頻繁，導(dǎo)致它們的混凝土路面及相關(guān)構(gòu)件受到的循環(huán)荷載作用相對增大，從而使其破壞的進(jìn)度加快。現(xiàn)階段，我國要求高質(zhì)量建設(shè)。所以，研究影響鋼筋混凝土面板的疲勞特性以及混凝土疲勞壽命的變化規(guī)律，討論其安全問題及改善措施等，對現(xiàn)代工程來說很重要。本文研究混凝土疲勞特性的目的主要是為了了解影響混凝土疲勞特性的因素，以便采取措施來提高混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命、探求反復(fù)應(yīng)力同混凝土疲勞壽命之間存在的定量關(guān)系同時(shí)建立混凝土的疲勞方程，以便估計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[3]。

1 荷載與混凝土板變形關(guān)系

鋼筋混凝土板承受反復(fù)荷載時(shí)，其剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而減少的。對由于混凝土與荷載的關(guān)系，分析其中的原因主要有兩個(gè)[4]：（1）在反復(fù)荷載下，混凝土內(nèi)部損傷增加，變形逐漸增加，殘余變形的存在導(dǎo)致變形模量的變化，變形模量（E）的下降伴隨著整個(gè)疲勞過程；（2）拉區(qū)混凝土疲勞開裂及變形模量的變化使中和軸位置發(fā)生了變化，從而使構(gòu)件截面的慣性矩（I）發(fā)生變化。下面進(jìn)行鋼筋混凝土板的應(yīng)力、應(yīng)變與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系的研究。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的彈性模量依據(jù)公式見1；抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式見式2，計(jì)算精度約為0.1MPa，其劈裂抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式見式1-3，計(jì)算精度約為0.01MPa。由公式（2）和公式（3）確定公式（1）中的混凝土強(qiáng)度等級fcu，k，從而得出變形模量。

（1）混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的彈性模量依據(jù)公式2。

E=（1）

式中：

E——混凝土的彈性模量

fcu，k——混凝土的強(qiáng)度等級

（2）100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度（8）：

fcu=0.95（2）

式中：

fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）

E——壓力最大荷載（N）

A——試件受壓面積（mm2）

（3）100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)試件劈裂抗拉強(qiáng)度（3）：

fts=0.85=0.541（3）

式中：

fts——混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）F——壓力最大荷載（N）

A——試件受壓面積（mm2）

荷載水平S的確定：

S=（4）

Mk=（5）

式中：

S——荷載水平

M——疲勞上限荷載

Mk——靜力使用荷載

Mu——極限承載荷載

基于上列公式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析得：隨著荷載的增大，混凝土的變形模量降低，開裂速度加快。而且受拉區(qū)混凝土率先達(dá)到破壞荷載，失去工作能力，此時(shí)，板試件荷載主要由鋼筋承擔(dān)，表明試驗(yàn)進(jìn)入第二階段[5]（疲勞破壞分為三個(gè)階段[6]：一階段為混凝土破壞，二階段為鋼筋屈服，三階段結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞）。

2 荷載與受力鋼筋應(yīng)變關(guān)系

因?yàn)殇摻钇跀嗔阎饕墒Ｓ嘟孛婷娣eN決定，于是在此我們用鋼筋有效面積的減少量作為鋼筋損傷量度。在疲勞加載過程中，有效面積隨疲勞次數(shù)的增大而逐漸減少，因此會導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力逐漸增大。循環(huán)加載下鋼筋有效面積A如6所示。

2012年，朱勁松，閆廣鵬等[7]通過ABAQUS建模及實(shí)橋驗(yàn)證，得出適用于多級加載下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件變形鋼筋疲勞壽命與鋼筋疲勞應(yīng)力幅Δσ的關(guān)系式如7所示。

lgN=14.7806-3.7928lg（Δσ/MPa）（7）

式中：

As—鋼筋初始面積K—疲勞荷載分級數(shù)NM—第M級疲勞荷載作用總次數(shù)

xM—第M級疲勞荷載已作用次數(shù)fu—鋼筋極限抗拉強(qiáng)度

σ—第M級疲勞荷載作用下鋼筋最大應(yīng)力

3 試件剛度分析

隨著荷載的循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的變形模量降低，中和軸下移，截面慣性矩增大，混凝土和鋼筋的應(yīng)力減小，其應(yīng)變增大，構(gòu)件剛度降低。我們通過板試件抗彎剛度減低系數(shù)來反映構(gòu)件剛度的變化情況：

θf=（8）

式中：

θf——?jiǎng)偠葴p低系數(shù)δd——疲勞荷載上限值對應(yīng)沖切試驗(yàn)中的撓度值

δf——疲勞荷載上限值對應(yīng)靜力試驗(yàn)中的撓度值

撓度隨荷載的增大而增大，且增大的較快，板的剛度卻降低更快。因此得出結(jié)論：應(yīng)力水平是影響板疲勞壽命的主要因素，應(yīng)力水平越大，板疲勞壽命就越小。且應(yīng)力水平的輕微降低可能導(dǎo)致板試件疲勞壽命成倍數(shù)增長。

本文了解了影響混凝土疲勞特性的因素及其規(guī)律，有利于為提高混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命采取有效措施，為探求混凝土疲勞壽命及其相關(guān)問題的研究提供參考。

4 結(jié)論

（1）隨著交通荷載的增大，混凝土的變形模量降低，開裂速度加快。當(dāng)受拉區(qū)混凝土率先達(dá)到破壞荷載，失去工作能力時(shí)，板試件荷載主要由鋼筋承擔(dān)，表明試驗(yàn)進(jìn)入第二階段，鋼筋應(yīng)變隨應(yīng)力增長速度加快增大。

（2）隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的變形模量降低，混凝土和鋼筋的應(yīng)力減小、應(yīng)變增加，構(gòu)件剛度降低。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王春生，吳全友，繆文輝.鋼筋混凝土橋面板疲勞壽命評估[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，33（2）：50-55.

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[7]朱勁松，閆廣鵬.鋼筋混凝土橋面板疲勞數(shù)值分析方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2012，25（01）：59-66.