碳化與列車荷載耦合作用下城市軌道交通U型梁腐蝕疲勞壽命評(píng)估

崔晨星，宋力,2，陳桂香，余志武,2

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州，450001)

城市軌道交通運(yùn)量大，效率高，安全舒適，能有效解決城市交通擁堵問題，成為現(xiàn)代軌道交通的主要發(fā)展方向之一[1-2]。預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁具有線路高度低、減振降噪效果好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通高架線[3-4]。U型梁在服役一段時(shí)間后，在環(huán)境和地鐵列車荷載反復(fù)作用下，會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。鋼筋銹蝕和疲勞損傷是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因[5]。在城市大氣環(huán)境中，混凝土保護(hù)層會(huì)發(fā)生碳化，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋脫鈍后發(fā)生銹蝕。隨著鋼筋銹蝕程度加大，混凝土保護(hù)層發(fā)生銹脹開裂，鋼筋的有效橫截面積減小，從而降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。地鐵列車荷載反復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致U型梁疲勞損傷累積，造成混凝土保護(hù)層疲勞開裂，從而進(jìn)一步加速混凝土保護(hù)層碳化和鋼筋銹蝕[6]。銹蝕鋼筋在疲勞荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力幅。碳化銹蝕和疲勞的耦合作用比它們單獨(dú)作用在鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)上更有害。在碳化銹蝕與疲勞的耦合作用下，結(jié)構(gòu)性能劣化明顯，服役壽命大幅度降低[7]。

目前，人們對(duì)于城市軌道交通U 型梁的研究主要集中在靜力性能[8-10]以及動(dòng)力性能[11-13]方面，而對(duì)于U型梁疲勞性能的研究較少。王彬力等[14]對(duì)足尺30 m 簡(jiǎn)支U 型梁進(jìn)行了600 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，測(cè)試了疲勞后U 型梁的靜力性能，并進(jìn)行了有限元分析。張婷[15]編制了地鐵列車荷載作用下的疲勞荷載譜，并對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁足尺模型進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究。在疲勞荷載上、下限分別為240 kN及25 kN，循環(huán)加載80萬(wàn)次時(shí)，U型梁梁底發(fā)生疲勞開裂。目前，對(duì)于U 型梁的壽命預(yù)測(cè)方面的研究尤其是對(duì)碳化銹蝕與疲勞荷載耦合作用下腐蝕疲勞壽命的預(yù)測(cè)還未見相關(guān)報(bào)道。對(duì)城市軌道交通U 型梁在碳化銹蝕與疲勞荷載耦合作用下的腐蝕疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于評(píng)估其全壽命周期性能和安全性具有重要意義。

本文作者提出一種考慮碳化銹蝕與疲勞荷載耦合效應(yīng)的預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁腐蝕疲勞壽命評(píng)估方法。該方法考慮了疲勞荷載對(duì)鋼筋銹蝕的加速以及碳化銹蝕對(duì)鋼筋疲勞抗力的影響。以某城市軌道交通高架線30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支U 型梁為例，采用該方法分析該城市軌道交通高架線的列車通行頻率，計(jì)算列車通過橋梁時(shí)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，評(píng)估U 型梁的疲勞損傷與腐蝕疲勞壽命，并討論列車通行頻率及碳化環(huán)境對(duì)疲勞損傷演化及腐蝕疲勞壽命的影響。

1 碳化銹蝕-疲勞壽命評(píng)估模型

預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁的疲勞損傷演化規(guī)律與普通預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞損傷演化規(guī)律相似[15]。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中普通鋼筋的疲勞斷裂對(duì)靜力承載能力影響較小，但普通鋼筋斷裂后，梁的撓度及裂縫寬度已接近極限值[16]，故將普通鋼筋疲勞斷裂視為預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁的疲勞失效模式。根據(jù)以上結(jié)論，提出碳化銹蝕與疲勞荷載耦合作用下U型梁的腐蝕疲勞壽命評(píng)估方法。

1.1 碳化與疲勞作用下的鋼筋銹蝕模型

大氣中的二氧化碳(CO2)在混凝土保護(hù)層中擴(kuò)散，會(huì)引起鋼筋鈍化層破壞，導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕。基于Fick第一定律，混凝土碳化深度X可通過下式計(jì)算[17]：

式中：t為結(jié)構(gòu)服役時(shí)間；K為混凝土的碳化系數(shù)，主要取決于環(huán)境溫度、濕度以及混凝土強(qiáng)度[17]；KC為與環(huán)境CO2濃度相關(guān)的影響系數(shù)；Kkl為位置影響系數(shù)；Kkt為養(yǎng)護(hù)澆筑影響系數(shù)；Kks為應(yīng)力影響系數(shù)；KF為粉煤灰取代系數(shù)；T為環(huán)境溫度；HR為相對(duì)環(huán)境濕度；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕被認(rèn)為是均勻銹蝕，當(dāng)鋼筋開始銹蝕時(shí)，還存在一段混凝土保護(hù)層沒有碳化，定義為碳化殘量X0，可表示為[18]

式中：Dk為與混凝土保護(hù)層厚度c和碳化系數(shù)K有關(guān)的系數(shù)；mef為局部環(huán)境系數(shù)。

混凝土保護(hù)層碳化引起鋼筋銹蝕的開始時(shí)間tini可表示為

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度。

鋼筋銹蝕和疲勞荷載引起的混凝土保護(hù)層開裂對(duì)鋼筋的銹蝕速率影響較大?；炷帘Ｗo(hù)層開裂前鋼筋的銹蝕速率iini可按下式計(jì)算[19]：

式中：Kcl為鋼筋位置修正系數(shù)。

隨著銹蝕產(chǎn)物在鋼筋和混凝土界面上累積，混凝土保護(hù)層會(huì)發(fā)生銹脹開裂。銹脹開裂時(shí)鋼筋的銹蝕深度acr,c可通過下式計(jì)算[20]：

式中：d0為未銹蝕時(shí)鋼筋的初始直徑?；炷龄P脹開裂時(shí)間tcr,c可表示為

預(yù)應(yīng)力混凝土梁在地鐵列車荷載反復(fù)作用下，混凝土保護(hù)層會(huì)發(fā)生疲勞開裂。在疲勞荷載作用下，混凝土開裂的S-N(應(yīng)力-壽命)曲線可表示為[21]

式中：為等幅疲勞荷載作用下混凝土最大拉應(yīng)力；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度；Ncr為混凝土開裂時(shí)疲勞荷載加載次數(shù)。

地鐵列車通過橋梁時(shí)，會(huì)引起混凝土中的變幅應(yīng)力循環(huán)，根據(jù)Miner準(zhǔn)則、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)相等以及疲勞累積損傷等效的原則，等效最大拉應(yīng)力可通過下式計(jì)算：

式中：ncr,i為不同最大拉應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；∑ncr,i為受拉混凝土的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

混凝土疲勞開裂時(shí)間tcr,f可通過下式計(jì)算：

式中：f為地鐵列車的年通行頻率。混凝土開裂時(shí)間取銹脹開裂時(shí)間和疲勞開裂時(shí)間的較小值，可表示為

混凝土保護(hù)層開裂加速了鋼筋的銹蝕，假設(shè)疲勞開裂與銹脹開裂后鋼筋的銹蝕速率相等，混凝土保護(hù)層開裂后鋼筋的銹蝕速率icr可通過下式估算[19]：

若混凝土保護(hù)層疲勞開裂發(fā)生在銹脹開裂前，則鋼筋的銹蝕深度acr,f可通過下式計(jì)算：

混凝土開裂時(shí)鋼筋的銹蝕深度acr可通過下式計(jì)算：

根據(jù)上述計(jì)算模型，鋼筋的銹蝕深度a(t)可表示為

1.2 腐蝕疲勞壽命評(píng)估模型

鋼筋的S-N曲線表示鋼筋疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與疲勞應(yīng)力幅之間的關(guān)系，可表示為

式中：N為鋼筋疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Δσ為鋼筋的常幅應(yīng)力幅值；C與m分別為疲勞細(xì)節(jié)常數(shù)和材料特性常數(shù)，均為與材料相關(guān)的待定常數(shù)。

隨著鋼筋銹蝕程度增大，S-N曲線中的疲勞細(xì)節(jié)常數(shù)C和與材料特性相關(guān)的常數(shù)m會(huì)產(chǎn)生衰減效應(yīng)，且鋼筋承受的應(yīng)力幅會(huì)增大。但由于m的時(shí)變效應(yīng)很小，故在腐蝕疲勞壽命評(píng)估中不考慮參數(shù)m的時(shí)變效應(yīng)，此時(shí)，S-N曲線可改寫為

疲勞細(xì)節(jié)常數(shù)C的時(shí)變模型可表示為[22]

式中：C0為未銹蝕鋼筋的疲勞細(xì)節(jié)常數(shù)。φ(t)通過下式計(jì)算[23]：

當(dāng)C(t) = 0 時(shí)，腐蝕疲勞破壞發(fā)生。鋼筋應(yīng)力幅的時(shí)變模型可表示為

式中：Δσ0為疲勞荷載作用下鋼筋未銹蝕時(shí)的應(yīng)力幅；ε(t)為鋼筋截面面積損失率。在均勻銹蝕模型中，鋼筋截面面積損失率ε(t)可通過下式計(jì)算：

在列車荷載作用下，鋼筋同樣經(jīng)受變幅應(yīng)力循環(huán)的作用。根據(jù)Miner準(zhǔn)則、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)相等以及疲勞累積損傷等效的原則計(jì)算鋼筋的等效應(yīng)力幅，并考慮其時(shí)變效應(yīng)，鋼筋的等效應(yīng)力幅Sre(t)可表示為

式中：ni為應(yīng)力幅Δσi(t)的循環(huán)作用次數(shù)；∑ni為鋼筋的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。將Sre(t)代入式(17)可得到鋼筋疲勞破壞時(shí)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。根據(jù)Miner 準(zhǔn)則，單次列車通過所引起的鋼筋疲勞損傷Ds(t)可通過下式計(jì)算：

在不采取養(yǎng)護(hù)維修措施的情況下，鋼筋的疲勞累積損傷隨著服役時(shí)間單調(diào)遞增。橋梁運(yùn)營(yíng)n年后，疲勞累積損傷Dt可通過下式計(jì)算：

當(dāng)Dt≥1時(shí)，鋼筋發(fā)生腐蝕疲勞破壞。

1.3 U型梁腐蝕疲勞壽命評(píng)估流程

將上述模型用于評(píng)估城市軌道交通預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁在碳化和列車荷載耦合作用下的腐蝕疲勞壽命，評(píng)估流程如圖1 所示。具體評(píng)估步驟如下。

圖1 U型梁腐蝕疲勞壽命評(píng)估流程Fig.1 Corrosion-fatigue life assessment processes for U-typed beam

1)將U 型梁參數(shù)、列車參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)作為腐蝕疲勞壽命評(píng)估的輸入?yún)?shù)，得到列車荷載模型，并通過移動(dòng)集中荷載法，獲取混凝土及鋼筋的應(yīng)力響應(yīng)。

2)采用式(1)和(2)計(jì)算混凝土保護(hù)層的碳化深度X，并通過式(3)～(5)獲取碳化殘量X0、鋼筋開始銹蝕時(shí)間tini以及混凝土保護(hù)層開裂前鋼筋銹蝕速率iini，式中的各系數(shù)取值見文獻(xiàn)[17-20]。

3)根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間tcr,c，采用式(8)～(10)，結(jié)合已獲取的混凝土的應(yīng)力響應(yīng)，計(jì)算混凝土保護(hù)層疲勞開裂時(shí)間tcr,f，并通過式(11)確定混凝土保護(hù)層的開裂時(shí)間tcr。

4)通過式(12)計(jì)算混凝土保護(hù)層開裂后鋼筋銹蝕速率icr，并利用式(13)～(15)計(jì)算鋼筋銹蝕深度acr。

5) 使用式(16)～(21)獲取未銹蝕鋼筋的疲勞抗力以及銹蝕鋼筋的疲勞抗力衰減規(guī)律。

6) 結(jié)合已獲取的鋼筋應(yīng)力響應(yīng)，并根據(jù)式(22)～(24)計(jì)算U型梁運(yùn)營(yíng)至不同時(shí)間后，鋼筋的等效應(yīng)力幅Sre(t)、單次列車通過所引起的鋼筋疲勞損傷Ds(t)以及鋼筋的疲勞累積損傷Dt。

7)通過疲勞累積損傷Dt判定U 型梁是否發(fā)生腐蝕疲勞破壞，并在腐蝕疲勞破壞發(fā)生時(shí)，獲取U型梁的腐蝕疲勞壽命。

2 工程應(yīng)用

道交通高架線的30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁在碳化銹蝕與列車荷載耦合作用下的疲勞損傷與腐蝕疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。

2.1 工程概況

所分析的U型梁位于某城市軌道交通高架線，其中跨度為30.00 m、高為1.80 m、寬5.17 m 的等寬預(yù)應(yīng)力混凝土單線U 型梁為全線占比最高的梁型，故選取該U 型梁為研究對(duì)象。梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，預(yù)應(yīng)力筋為1 860 MPa 級(jí)、公稱直徑為15.2 mm 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，其中腹板2束，外腹板束7 根，內(nèi)腹板束5 根；底板8 束，每束10 根。腹板處與底板處的預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力分別為1 246.2 MPa和1 339.2 MPa。普通鋼筋采用直徑為12 mm和16 mm的HRB400鋼筋。U型梁設(shè)計(jì)使用年限為100 a，混凝土保護(hù)層厚度為35 mm，碳化環(huán)境作用等級(jí)為T2?；炷寥葜貫?5 kN/m3，二期恒載為35.05 kN/m。U 型梁詳細(xì)的材料參數(shù)通過文獻(xiàn)[24]取值。U型梁跨中截面幾何尺寸及配筋如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁跨中截面幾何尺寸及配筋Fig.2 Mid-span section geometry and reinforcement of prestressed concrete U-typed beam

在碳化與列車荷載耦合作用下，對(duì)U 型梁腐蝕疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估時(shí)，鋼筋的S-N曲線選取直接影響評(píng)估結(jié)果。文獻(xiàn)[25]擬合了預(yù)應(yīng)力混凝土梁中普通鋼筋的S-N曲線中的參數(shù)，C和m分別取1.421 3×1010和1.763 7。

2.2 地鐵列車荷載模型

為了說明上述碳化銹蝕-疲勞耦合作用下鋼筋混凝土梁的腐蝕疲勞壽命評(píng)估方法，對(duì)某城市軌

地鐵列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在其軸重和軸距這2個(gè)指標(biāo)上。該城市軌道交通高架線運(yùn)營(yíng)地鐵B型車，編組6節(jié)。地鐵B型車的詳細(xì)參數(shù)見表1[26]。在城市軌道交通U 型梁疲勞分析中，采用移動(dòng)集中荷載法計(jì)算B 型車通過時(shí)跨徑為30 m的U 型梁跨中截面荷載效應(yīng)。移動(dòng)集中荷載法將地鐵列車荷載簡(jiǎn)化為施加在橋梁數(shù)值模型上的一組豎向集中力，地鐵B 型車荷載模型如圖3 所示，其中，L為車鉤連接中心點(diǎn)的距離。

表1 地鐵B型車參數(shù)Table 1 Parameters of B-type metro vehicle

圖3 地鐵B型車荷載模型Fig.3 Load model of B-type metro vehicle

計(jì)算U 型梁荷載效應(yīng)時(shí)通過引入動(dòng)力系數(shù)，將列車靜輪載乘以動(dòng)力放大系數(shù)作為地鐵列車荷載集中力，研究移動(dòng)車輛的動(dòng)力放大效應(yīng)。對(duì)于城市軌道交通單線U 型梁，動(dòng)力系數(shù)取1.4[27]。隨后，通過考慮動(dòng)力放大效應(yīng)的移動(dòng)集中荷載對(duì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。移動(dòng)集中荷載計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 m，即列車荷載每向前移動(dòng)0.01 m，便計(jì)算1次U型梁的荷載效應(yīng)。

該城市軌道交通高架線每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間14 h，當(dāng)?shù)罔F平均發(fā)車間隔分別為20，10，5和3 min時(shí)，地鐵每天開行列車數(shù)量分別為49，97，193和321對(duì)，在此通行頻率下，該線路每年列車開行數(shù)量分別為17 885，35 405，70 445 和117 165 對(duì)，定義這4 種不同列車通行頻率分別為低、中等、高和極限。

3 結(jié)果及分析

3.1 疲勞損傷與腐蝕疲勞壽命

碳化環(huán)境分為A，B，C和D共4個(gè)等級(jí)[19]，結(jié)合上述工程實(shí)例，計(jì)算的U型梁混凝土碳化系數(shù)K為1.703。在A，B，C 和D 這4 個(gè)等級(jí)的碳化環(huán)境下，鋼筋開始銹蝕時(shí)，混凝土保護(hù)層的碳化殘量X0分別為20.57，23.03，23.71和24.19 mm，U 型梁普通鋼筋的銹蝕起始時(shí)間tini分別為72，50，44 和41 a。在碳化環(huán)境以及列車荷載反復(fù)作用下，U型梁的混凝土保護(hù)層會(huì)發(fā)生疲勞開裂或銹脹開裂。在A，B，C和D這4個(gè)等級(jí)的碳化環(huán)境下，U型梁的銹脹開裂時(shí)間tcr,c分別為236，115，94 和80 a；在低、中、高和極限這4 種列車通行頻率工況下，U型梁的疲勞開裂時(shí)間tcr,f分別為59，30，15 和9 a。

鋼筋未發(fā)生銹蝕時(shí)，地鐵B型車單次通過橋梁時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁中普通鋼筋產(chǎn)生的疲勞損傷為1.77×10-8。當(dāng)截面面積損失率分別為10%，20%，30%和40%時(shí)，列車單次通過時(shí)的疲勞損傷分別為2.13×10-8，2.63×10-8，3.32×10-8和4.37×10-8，與未銹蝕的情況相比，疲勞損傷分別增大20.42%，48.22%，87.59%和146.78%。

設(shè)計(jì)碳化環(huán)境作用等級(jí)為T2，按照規(guī)范[19]中的B級(jí)對(duì)腐蝕疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。中等列車通行頻率與該城市軌道交通高架線目前的列車通行頻率較接近。在B級(jí)碳化環(huán)境以及中等列車通行頻率作用下，U型梁的疲勞損傷演化規(guī)律如圖4所示。從圖4可見：在該設(shè)計(jì)工況下，前段的疲勞損傷累積較慢，在運(yùn)營(yíng)至設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，疲勞累積損傷僅為0.069；隨著鋼筋銹蝕程度不斷增大，疲勞損傷累積不斷加快，U 型梁在403 a 時(shí)發(fā)生腐蝕疲勞失效。在設(shè)計(jì)碳化環(huán)境及目前的列車通行頻率下，U型梁的腐蝕疲勞性能良好。

圖4 設(shè)計(jì)工況下U型梁疲勞損傷演化規(guī)律Fig.4 Fatigue damage evolution of U-typed beam under design conditions

3.2 列車通行頻率與碳化環(huán)境對(duì)腐蝕疲勞壽命的影響

在不同碳化環(huán)境與列車通行頻率下，U型梁的疲勞損傷演化規(guī)律見圖5。由圖5 可知：較高的列車通行頻率會(huì)導(dǎo)致更大的疲勞損傷累積速率；在較低列車通行頻率下，雖然U 型梁前半段疲累損傷累積較慢，但當(dāng)U 型梁發(fā)生疲勞破壞時(shí)，銹蝕程度更大，鋼筋發(fā)生腐蝕疲勞斷裂前，疲勞損傷累積速率更大；當(dāng)U 型梁運(yùn)營(yíng)至100 a 時(shí)，在B 級(jí)設(shè)計(jì)碳化環(huán)境下，低、中等、高和極限的列車通行頻率產(chǎn)生的疲勞累積損傷分別為0.033，0.069，0.143和0.236；不同的列車通行頻率對(duì)U型梁在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí)的疲勞累積損傷影響較大，在A，B，C 和D 級(jí)碳化環(huán)境作用下，中等、高和極限列車通行頻率產(chǎn)生的疲勞累積損傷分別為低列車通行頻率的2.03～2.18， 4.12～4.66 和6.70～7.75倍。

圖5 碳化環(huán)境與列車通行頻率對(duì)疲勞損傷演化的影響Fig.5 Effect of carbonation environment and train passing frequency on fatigue damage evolution

碳化環(huán)境對(duì)U 型梁運(yùn)營(yíng)前期疲勞損傷累積的影響較小，但由于較高等級(jí)的碳化環(huán)境會(huì)使鋼筋銹蝕速率加快，在后半段疲勞累積速率增加更快，所以，較高等級(jí)的碳化環(huán)境會(huì)導(dǎo)致U 型梁的腐蝕疲勞壽命縮短。當(dāng)U 型梁運(yùn)營(yíng)至100 a 時(shí)，在設(shè)計(jì)的中等列車通行頻率作用下，A，B，C 和D 級(jí)的碳化環(huán)境產(chǎn)生的疲勞累積損傷分別為0.065，0.069，0.071 和0.073。不同的碳化環(huán)境對(duì)U 型梁在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí)的疲勞累積損傷影響較小，在不同的列車通行頻率下，與A級(jí)碳化環(huán)境相比，B，C 和D 級(jí)的碳化環(huán)境會(huì)造成U 型梁的疲勞累積損傷最多增大9.52%，14.76%和19.86%。

U型梁在不同列車通行頻率和碳化環(huán)境下的腐蝕疲勞壽命見圖6。列車通行頻率和碳化環(huán)境共同影響U 型梁的腐蝕疲勞壽命。在列車通行頻率不變、碳化環(huán)境等級(jí)增大以及碳化環(huán)境等級(jí)不變、列車通行頻率增大時(shí)，均會(huì)造成U 型梁的腐蝕疲勞壽命下降，這與前面得到的結(jié)論相同。與設(shè)計(jì)的B級(jí)碳化環(huán)境和中等列車通行頻率工況相比，當(dāng)碳化環(huán)境不變，列車通行頻率增大至高和極限級(jí)別時(shí)，腐蝕疲勞壽命分別為342 a和277 a，分別下降了15.14%和31.27%；當(dāng)列車通行頻率不變，碳化環(huán)境等級(jí)增大至C和D級(jí)時(shí)，腐蝕疲勞壽命分別為327 a 和281 a，分別下降了18.77%和30.35%；當(dāng)列車通行頻率增大至極限和碳化環(huán)境等級(jí)增大至D時(shí)，腐蝕疲勞壽命為220 a，下降了45.41%。

圖6 列車通行頻率和碳化環(huán)境對(duì)腐蝕疲勞壽命的影響Fig.6 Effect of train passing frequency and carbonation environment on corrosion-fatigue life

4 結(jié)論

1)30 m預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁的疲勞性能良好，在設(shè)計(jì)碳化環(huán)境及列車通行頻率工況下，腐蝕疲勞壽命為403 a。當(dāng)列車通行頻率較低時(shí)，U 型梁發(fā)生疲勞失效時(shí)普通鋼筋銹蝕程度更大，腐蝕疲勞失效前，疲勞損傷累積速率更大。

2)30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁在設(shè)計(jì)的B 級(jí)碳化環(huán)境作用下，列車通行頻率從中等增大至高和極限時(shí)，腐蝕疲勞壽命分別縮短15.14% 和31.27%。在設(shè)計(jì)的中等列車通行頻率作用下，當(dāng)碳化環(huán)境等級(jí)由B級(jí)增大至C和D級(jí)時(shí)，腐蝕疲勞壽命分別縮短18.86%和30.27%。

3) 30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土U 型梁的運(yùn)營(yíng)工況由B級(jí)碳化環(huán)境和中等列車通行頻率增大至D 級(jí)碳化環(huán)境和極限列車通行頻率時(shí)，腐蝕疲勞壽命為220 a，縮短了45.41%。