不同應(yīng)力幅下銹蝕疲勞耦合鋼筋混凝土梁性能退化試驗

李鵬飛，毛 燕，許樂欣，陳煥勇，李 毅

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116033;3.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 東莞 510660)

0 引言

鋼筋混凝土橋梁在我國公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中占有較大比重，保障橋梁安全性能和長期服役性能對經(jīng)濟社會的穩(wěn)定與發(fā)展至關(guān)重要。但由于橋梁服役周期長，加之所處的環(huán)境條件復(fù)雜，隨著交通量的不斷增大，在環(huán)境與荷載作用下，由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學性能退化所導(dǎo)致的橋梁安全事故時有發(fā)生。其中，鋼筋銹蝕和疲勞損傷是導(dǎo)致鋼筋混凝土橋梁劣化的兩個重要因素。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞問題很早就引起了研究者的重視，一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能方面，胡超等[1-2]進行了構(gòu)件的低周疲勞試驗得出了以殘余應(yīng)變?yōu)閾p傷變量的鋼筋混凝土梁的疲勞損傷累積方程；楊海威等[3]通過對鋼筋混凝土梁的承載力與疲勞特性進行試驗研究，探究了鋼筋的疲勞特性與混凝土梁承載能力之間的關(guān)系；朱紅兵[4]、Yong等[5-6]利用疲勞試驗獲得測試梁的疲勞性能，結(jié)合混凝土損傷模型，提出了在役混凝土梁的使用壽命。在鋼筋銹蝕對橋梁的性能影響方面，張偉平[7]給出了銹蝕鋼筋力學性能退化與鋼筋銹蝕率的基本關(guān)系；袁迎曙[8]通過試驗建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和黏結(jié)力退化模型；孫馬[9]記錄了銹蝕后鋼筋混凝土梁抗彎承載狀況，推導(dǎo)出抗彎彎矩隨銹蝕時間變化的模型。Zhang[10]著重研究了銹蝕鋼筋疲勞壽命隨腐蝕和應(yīng)力范圍程度的變化，并對比了人工加速腐蝕和自然腐蝕鋼筋疲勞壽命之間的差別。

近年來，部分研究者開展了銹蝕-疲勞耦合作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化規(guī)律研究。張曉非[11]對腐蝕后試驗梁分別采用等幅、變幅荷載進行加載，得到混凝土梁性能變化及預(yù)應(yīng)力損失變化；蔡小玲[12]、何世欽[13]在不同環(huán)境下對鋼筋混凝土梁進行疲勞試驗，分別給出了腐蝕構(gòu)件耐久性和疲勞剛度的衰減規(guī)律；曹澤陽[14]采取氯鹽環(huán)境與荷載交替循環(huán)試驗方式研究混凝土梁損傷情況，提出試驗梁疲勞壽命的預(yù)測模型，但其試驗和理論分析模型主要針對預(yù)銹蝕梁。楊慧[15]通過理論分析與數(shù)值模擬的方法，提出反映橋梁在疲勞和銹蝕作用下的承載力退化過程的評估方法。馬亞飛[16]、余志武[17]在鹽溶液中進行了銹蝕疲勞耦合試驗，對比了不同試驗環(huán)境下鋼筋混凝土梁的疲勞壽命及破壞形態(tài)，但由于本研究樣本的數(shù)量有限，仍需開展大量試驗進行驗證。由以上研究可以看出，受到試驗條件等因素的限制，目前國內(nèi)外大量學者開展的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期性能研究中，對于鋼筋銹蝕與疲勞荷載兩個影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期性能的主要因素一般都是單獨加以考慮。而結(jié)構(gòu)實際服役過程中，銹蝕與疲勞對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用是相互耦合的，銹蝕與疲勞耦合影響下的鋼筋混凝土梁損傷機理復(fù)雜。

本研究分別在3種不同應(yīng)力幅下，開展了鋼筋混凝土梁疲勞試驗與銹蝕疲勞耦合試驗；分析了疲勞荷載及銹蝕疲勞耦合作用下，鋼筋混凝土梁的荷載-撓度變化規(guī)律、混凝土裂縫發(fā)展規(guī)律、構(gòu)件疲勞壽命及破壞形態(tài)，并研究了銹蝕環(huán)境和疲勞荷載耦合作用對鋼筋混凝土梁力學性能退化的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗梁設(shè)計

本試驗共包括鋼筋混凝土T型試驗梁7根，包括1根靜載試驗梁和6根疲勞試驗梁。疲勞試驗梁根據(jù)不同應(yīng)力幅及加載工況，分別命名為P-1，P-2，P-3，XP-1，XP-2，XP-3(P代表普通疲勞試驗，XP代表銹蝕疲勞耦合試驗)；靜載梁命名為J-1，開展靜載破壞試驗。

鋼筋混凝土T形梁試件腹板寬b=200 mm，頂部翼緣寬bf=500 mm，翼緣厚度hf=150 mm，梁高h=450 mm；梁體縱筋采用φ12螺紋鋼，箍筋采用φ8螺紋鋼，梁體總體配筋率ρ=1.89%。頂部受壓縱筋合力點至混凝土邊緣距離as′=40 mm?；炷翉姸鹊燃塁50，試驗梁截面尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 模型梁截面尺寸及配筋圖(單位：mm)Fig.1 Section dimensions and reinforcement diagram of model beam (unit: mm)

1.2 鋼筋混凝土梁銹蝕疲勞耦合模擬試驗方法

為了在疲勞加載過程中模擬銹蝕疲勞耦合作用對鋼筋混凝土力學性能的影響，疲勞銹蝕耦合試驗梁通過在鋼筋中通直流電加速鋼筋銹蝕。在通電銹蝕加載前，梁體均在5%的氯化鈉溶液中浸泡72 h，使氯離子擴散均勻。試驗過程中將梁體縱筋與電源正極連接，在試驗梁周圍架設(shè)固定的噴淋設(shè)施，試驗過程中通過向梁體噴淋氯化鈉溶液保持梁體持續(xù)受到鹽溶液的浸潤。在梁腹板表面布設(shè)不銹鋼棒作為陰極，使整個梁體形成導(dǎo)電回路，實現(xiàn)鋼筋的加速銹蝕。

為模擬實際交通荷載在結(jié)構(gòu)服役過程中的作用效應(yīng)，本次試驗參照中華人民共和國交通行業(yè)公路橋涵通用圖(2007)，以雙車道10 m鋼筋混凝土簡支空心板梁橋為例，采用1 m板寬橫橋向?qū)挾葹? m的雙車道橋梁，按公路Ⅰ級車輛荷載作用計算10 m簡支梁底部鋼筋應(yīng)力水平，并按應(yīng)力等效的原則確定試驗梁疲勞荷載上限值。同時，以實際10 m簡支梁在恒載作用下所對應(yīng)的鋼筋應(yīng)力水平確定試驗梁疲勞荷載下限值。

試驗開展前，首先對未銹蝕梁J-1進行靜載破壞試驗。經(jīng)過靜載試驗，T型試驗梁的開裂荷載、屈服荷載、極限承載力分別為65，160和255 kN。

對疲勞試驗梁P-1和銹蝕-疲勞耦合試驗梁XP-1，計算可得在公路Ⅰ級車輛荷載等效作用下，鋼筋混凝土梁試件的疲勞上限荷載為70 kN，下限值為20 kN，對應(yīng)的鋼筋疲勞應(yīng)力幅為163 MPa。此外，為研究超載車輛作用對鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響，確定其余兩組試驗梁P2，XP2和P3，XP3的疲勞上限荷載分別為80 kN和90 kN，所對應(yīng)的鋼筋疲勞應(yīng)力幅分別為211 MPa和235 MPa。具體疲勞試驗加載工況如表1所示。

表1 銹蝕疲勞耦合試驗加載工況Tab.1 Loading condition of corrosion fatigue coupling test

疲勞荷載耦合試驗過程中，疲勞加載前先對試件施加靜載，分6級加載至疲勞荷載上限，觀察每級荷載下梁的變形和混凝土裂縫開展情況。重復(fù)加卸載兩次待儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，開始疲勞加載之前，開啟噴淋裝置，使得試驗梁開始處于鹽霧環(huán)境之中。當噴淋裝置中噴灑出的氯化鈉溶液充分浸潤試件表面時，進行疲勞加載。逐級增大荷載振幅，使得荷載峰值達到疲勞上限荷載，加載頻率為4 Hz。在施加疲勞荷載的同時開啟直流電源，調(diào)整電源電壓，試驗過程中鋼筋中的電流密度保持為0.45 mA/cm2，實現(xiàn)試驗梁加速銹蝕與往復(fù)荷載的耦合。疲勞試驗每進行到設(shè)定循環(huán)次數(shù)(按10萬次遞增)后，對梁體進行靜載試驗，分級加載至疲勞荷載上限，觀測梁的變形、應(yīng)變及裂縫開展情況。經(jīng)歷200萬次循環(huán)后，如果梁仍未失效，對其靜力加載至破壞。疲勞加載路徑如圖2所示。

圖2 銹蝕疲勞耦合試驗加載路徑Fig.2 Loading path of corrosion fatigue coupling test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞荷載及銹蝕疲勞耦合作用下梁體裂縫發(fā)展規(guī)律

疲勞加載過程中，隨著加載次數(shù)的增加持續(xù)觀測梁體裂縫的開展規(guī)律，直到底部受拉鋼筋發(fā)生疲勞斷裂時，認為試驗梁發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)試驗現(xiàn)象，未銹蝕疲勞試驗梁P-1，P-2和P-3在加載達到10萬次時，梁體表面裂縫已全部發(fā)展完畢，在后續(xù)加載過程中均沒有新的裂縫出現(xiàn)。而對于銹蝕-疲勞耦合加載試驗梁，XP-1試驗梁在銹蝕疲勞耦合過程中，分別在10，20，80，120，150萬次時發(fā)展出新的裂縫；XP-2試驗梁在銹蝕疲勞耦合過程中，分別在10，40，70萬次時發(fā)展出新的裂縫；XP-3試驗梁在銹蝕疲勞耦合過程中10,20萬次時發(fā)展出新裂縫。疲勞銹蝕耦合加載過程中，試驗梁腹板裂縫處有明顯的深紅色銹跡滲出。各試驗梁疲勞破壞或循環(huán)至200萬次時的裂縫分布狀態(tài)如圖3所示。

圖3 試驗梁裂縫發(fā)展狀況Fig.3 Crack propagation of test beams

通過最終破壞狀態(tài)時試件表面的裂縫分布狀態(tài)對比，相同應(yīng)力幅下，銹蝕疲勞耦合試驗梁的裂縫數(shù)量和開展程度均大于普通疲勞梁，銹蝕-疲勞耦合作用效應(yīng)加速了鋼筋混凝土梁損傷的發(fā)展。各試驗梁破壞時的平均裂縫間距及裂縫數(shù)量統(tǒng)計見表2。

表2 試驗梁裂縫數(shù)量及裂縫間距Tab.2 Number and spacing of cracks in test beams

由表2可知，疲勞試驗梁的裂縫數(shù)量隨著應(yīng)力幅增大逐漸減少，應(yīng)力幅越大試驗梁表現(xiàn)出越明顯脆性破壞的特征。同時，與普通疲勞梁相比，銹蝕疲勞耦合試驗梁平均裂縫間距增大，裂縫數(shù)量增多，裂縫開展程度明顯大于未銹蝕梁。相同應(yīng)力幅下，銹蝕疲勞耦合試驗梁XP-1，XP-2，XP-3的裂縫寬度分別比普通疲勞梁P-1，P-2，P-3大22.2%，50%和31.3%。

同一砂組內(nèi)不同期次濁流沉積扇體間被薄層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖分隔，彼此縱向上不連通，橫向上連續(xù)性差，這就是井間連通性差、對比困難的原因。

2.2 疲勞荷載及銹蝕疲勞耦合作用下梁體撓度發(fā)展規(guī)律

疲勞加載每達到10萬次后，對梁開展靜載試驗，量測梁體的跨中位移，以研究疲勞、銹蝕疲勞耦合作用對鋼筋混凝土梁剛度的影響。不同循環(huán)次數(shù)后各試驗梁的跨中撓度發(fā)展曲線如圖4所示。

圖4 疲勞及疲勞銹蝕耦合試驗梁撓度發(fā)展曲線Fig.4 Deflection development curves of fatigue test beam and fatigue corrosion coupling test beam

從圖4中可以看出，疲勞試驗梁和銹蝕-疲勞耦合試驗梁撓度發(fā)展呈現(xiàn)出3階段規(guī)律。在第1階段，即循環(huán)加載次數(shù)小于10萬次，撓度發(fā)展速率較快，并逐漸進入穩(wěn)定期；第2階段，即循環(huán)次數(shù)為10萬次至疲勞壽命的90%時，撓度增長速率較小，進入穩(wěn)定發(fā)展階段；第3階段，在疲勞壽命的最后10%，臨近破壞狀態(tài)時，鋼筋混凝土梁撓度迅速下降。

每10萬次疲勞加載后，對比銹蝕疲勞耦合試驗梁與疲勞試驗梁在最大靜力荷載下的跨中撓度，如圖5所示。

從圖5可以看出，在疲勞荷載循環(huán)初期，3組疲勞梁的最大靜載跨中撓度要略大于銹蝕疲勞梁，推測在銹蝕率較小的情況下，鋼筋表面的輕微銹蝕加大了鋼筋與混凝土的黏結(jié)力，導(dǎo)致梁體的剛度略微上升；且在疲勞第1階段，銹蝕疲勞梁的銹蝕時間較短，銹蝕程度較低，銹蝕疲勞梁的剛度與疲勞梁相比退化不明顯。

隨著銹蝕時間的增加，過多的銹蝕產(chǎn)物使得混凝土發(fā)生銹脹，疲勞循環(huán)更加劇了這一現(xiàn)象的發(fā)展，大大降低了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性，導(dǎo)致銹蝕疲勞梁剛度退化明顯。用各試驗梁在疲勞第2階段首次靜力加載與疲勞第2階段最后一次靜力加載的撓度差值來描述不同試驗梁的剛度退化程度，如表3所示。

圖5 不同應(yīng)力幅下疲勞及疲勞銹蝕耦合試驗梁跨中撓度-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Mid-span deflection and cycle times curves of fatigue test beam and fatigue corrosion coupling test beam under different stress amplitudes

表3 不同應(yīng)力幅下試驗梁撓度增量Tab.3 Deflection increments of test beams under different stress amplitudes

由表3可知，在相同應(yīng)力幅下，銹蝕疲勞試驗梁的撓度增量均大于疲勞試驗梁，在163，211和235 MPa應(yīng)力幅下，銹蝕疲勞試驗梁與疲勞試驗梁相比整體抗彎剛度分別降低26.2%，16.8%和4.31%。因此銹蝕疲勞的耦合作用加劇了鋼筋的疲勞裂紋擴展速率，導(dǎo)致梁的剛度退化要明顯快于普通疲勞梁。

2.3 試驗梁破壞形態(tài)和疲勞壽命分析

通過疲勞試驗梁最終破壞狀態(tài)分析可知，對于疲勞試驗梁，裂縫隨著加載次數(shù)的增加不斷發(fā)展，最終破壞時多數(shù)裂縫沿側(cè)面高度豎向延伸，為典型的彎曲型裂縫，基本無斜裂縫；且加載次數(shù)達到10萬次時，試驗梁梁體裂縫基本全部產(chǎn)生，裂縫隨荷載反復(fù)張開閉合，多數(shù)裂縫高度基本達到翼緣底端。

與單純疲勞試驗梁相比，銹蝕疲勞耦合作用下的鋼筋混凝土梁在疲勞加載過程中，混凝土裂縫不斷地張開閉合，張開時裂縫處產(chǎn)生負壓，鹽水被吸入混凝土，閉合時鹽水及銹蝕產(chǎn)物被擠出。銹蝕產(chǎn)物集中在各條豎向裂縫處，腐蝕介質(zhì)的存在會加劇裂縫的發(fā)展，使得裂縫處主筋的實際應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，進一步增強了試驗梁的疲勞損傷累積，且破壞區(qū)域較大，混凝土脫落更嚴重。

試驗梁P-1，XP-1在加載200萬次之后未發(fā)生疲勞破壞，進行靜載破壞試驗。P-2，XP-2，P-3和XP-3試驗梁破壞形式均為疲勞加載過程中主筋發(fā)生疲勞斷裂，疲勞試驗過程中隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加，底部受拉鋼筋的應(yīng)變變化規(guī)律如圖6所示。通過應(yīng)變數(shù)據(jù)分析可知，試驗梁在疲勞破壞過程中梁體底部縱向鋼筋未發(fā)生屈服，梁體破壞前無明顯征兆，屬于典型的脆性破壞。

圖6 疲勞破壞梁跨中鋼筋應(yīng)變曲線Fig.6 Strain curves of steel bars at mid-span of fatigue damaged beams

銹蝕疲勞耦合作用下，發(fā)生疲勞斷裂的鋼筋斷口呈現(xiàn)撕裂的斜截面形狀，表面凹凸不平，顆粒感強；而普通疲勞梁發(fā)生疲勞破壞時，斷裂鋼筋斷口基本平齊，斷裂處橫截面明顯分為兩部分，一部分呈現(xiàn)月牙形，顏色暗淡，顆粒感強，剩余部分顏色光潔，且有弧形的層狀紋路。

從鋼筋斷裂橫截面特征分析，銹蝕疲勞斷裂鋼筋銹蝕嚴重，鋼筋的斷裂原因之一是源于鋼筋局部裂紋的產(chǎn)生，主裂縫處疲勞裂紋萌生后，鹽水吸附于鋼筋表面與裂紋內(nèi)部，使得氯離子與銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生于裂紋內(nèi)部，與疲勞作用共同加速裂紋的擴展，產(chǎn)生斜向的主應(yīng)力。同時，在電流作用下鋼筋內(nèi)部氫原子激增[18]，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，使得鋼筋內(nèi)部塑性降低，呈現(xiàn)出凹凸不平的斜截面撕裂形狀。

發(fā)生破壞時普通疲勞梁與疲勞銹蝕耦合試驗梁的疲勞壽命如表1所示。由試驗結(jié)果可知，在應(yīng)力幅相同情況下，銹蝕疲勞梁XP-2，XP-3相比單純疲勞梁P-2，P-3疲勞壽命分別下降27.5%，18.6%。

2.4 疲勞試驗梁的極限承載力退化規(guī)律分析

銹蝕疲勞梁XP-1和疲勞梁P-1在200萬次加載后均未發(fā)生疲勞破壞，通過靜力加載至破壞，與靜載試驗梁J-1對比，其荷載-撓度曲線如圖7所示。

圖7 銹蝕疲勞梁與疲勞梁靜載破壞試驗荷載-撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves of corrosion fatigue beam and fatigue beam in static failure test

由圖7可知，銹蝕疲勞梁XP-1在130 kN時，進入屈服階段，極限承載力為225 kN；疲勞梁P1在屈服荷載為160 kN，極限承載力為252 kN。與靜載試驗梁J-1相比，疲勞梁P-1承載力并未出現(xiàn)明顯退化，而銹蝕疲勞梁XP-1承載力在屈服后節(jié)段下降較為明顯，極限承載力與J-1相比下降11.76%。

3 結(jié)論

本研究開展了鋼筋混凝土梁的單純疲勞加載試驗及銹蝕疲勞耦合作用下性能退化試驗，基于試驗結(jié)果及分析，得出如下結(jié)論：

(1)疲勞試驗梁和銹蝕疲勞梁表現(xiàn)出3階段的破壞特征。在第1階段，即循環(huán)加載次數(shù)小于10萬次，撓度、裂縫發(fā)展速率較快，并逐漸進入穩(wěn)定期；第2階段，即循環(huán)次數(shù)為10萬次至疲勞壽命的90%時，撓度增長速率較小，裂縫開展進入穩(wěn)定發(fā)展階段；第3階段，在臨近破壞狀態(tài)的10%疲勞壽命剩余壽命內(nèi)，鋼筋混凝土梁撓度迅速下降，裂縫快速發(fā)展，直至梁體發(fā)生疲勞破壞。

(2)銹蝕疲勞耦合作用下梁的裂縫隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加不斷產(chǎn)生，而普通疲勞梁裂縫數(shù)量在疲勞循環(huán)初期已全部發(fā)展完畢，直至200萬次循環(huán)結(jié)束或者破壞，基本沒有新的裂縫出現(xiàn)。最終破壞狀態(tài)時，銹蝕疲勞梁平均裂縫間距及裂縫寬度與未銹蝕梁相比明顯增大，且破壞區(qū)域更大，混凝土脫落嚴重。

(3)與普通疲勞梁相比，疲勞荷載耦合作用下，隨著服役時間的增長，銹蝕疲勞梁剛度退化速率明顯加快。經(jīng)歷200萬次疲勞加載后，銹蝕疲勞梁極限承載力比普通疲勞梁下降11.76%。且在應(yīng)力幅相同的情況下，銹蝕疲勞梁XP-2，XP-3相比P-2，P-3疲勞壽命分別下降27.5%，18.6%。因此，銹蝕與疲勞荷載的耦合作用對鋼筋混凝土梁的長期性能影響顯著。