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1、高性能钢筋混凝土梁疲劳破坏的研究摘要：本文通过对不同配合比的8根高性能钢筋混凝土梁的静载和疲劳性能试验研究，研究了梁的静力载荷试验；有限次疲劳荷载作用后，对其正截面抗弯承载力试验，同时分析了高性能钢筋混凝土梁的破坏形态，对比了不同水胶比的钢筋混凝土梁的受力性能，并得出了不同配比下钢筋混凝土梁在静力荷载下的抗弯承载力、跨中挠度、截面应变、钢筋应变的影响规律；疲劳循环次数对试验梁的抗等承载力、跨中挠度、截面应变、钢筋应变的影响规律;钢筋混凝土梁在每次加完一定次数的动载后，给梁做静载，梁的挠度、裂缝宽度开展的变化情况等。以期望对钢筋混凝土结构的疲劳性能有更多的了解。关键词：高性能钢筋混凝土梁；静载；
2、疲劳性能；挠度；应变；裂缝宽度引言随着我国经济的飞快发展，各个大城市为了满足人们快捷出行的需要，同时加快城市建设的脚步，越来越多的城市开始兴建地铁以及高铁。由于轻轨和地铁行车速度稳定，大量节省时间及能源，已经逐渐成为最佳的大众交通运输工具。然而受到地铁运行时产生的机车疲劳荷载的作用，对轨道梁结构在使用过程产生了很大破坏，极大的影响了地铁轨道梁的使用寿命。随着这些经常承受重复荷教作用结构的应用，以及高性能混凝土、高强钢筋的广泛应用，许多构件处于高应力状态下工作，使得混凝土结构的疲劳成为不可忽视的问题。而且国内外学者已经对梁的疲劳性能做了大量研究。青海地处高原，环境严酷，木文通过对高性能钢筋混凝土
3、梁在疲劳下的试验研究，结合国内外已有成果，分析了静载和疲劳下梁的挠度变化、裂缝的开展、混凝土应变、钢筋应变的变化特点，并得出了一些结论，以期望给西宁轨道交通的建设提供更多的参考建议。1试验工况1.1 试件设计本试验设计用了8根矩形截面钢筋混凝土梁。梁尺寸为：50OmmXlOOmmX85mm。梁纵向受力钢筋、箍筋及架立筋为HPB235（一级）光圆钢筋，其中受力筋为26,实测屈服强度为247MPa,抗拉强度为388MPa.按照GB50010-2002混凝土结构设计规范，混凝士的最大疲劳应力为28MPa,小于该规范规定的不同标号的最大容许应力值。混凝土保护层厚度为12mm,为防止钢筋锈蚀在钢筋表面涂
4、了阻锈剂为亚硝酸钙，梁跨中在两根受力钢筋中部用细铁丝绑有测锈蚀的钢筋各一根（长度约80mm）。实际配筋图如下：CLIoO470500图LLl试件尺寸及截面配筋图表1.1.1加载工况试验工况静载疲劳试验梁9、2310、2127、3430、35其中实验梁号09、IO混凝土标号为Ca3O;21、23混凝土标号为Ca50；27、30混凝土标号为为Ca50z;34、35混凝土标号为Ca60z;其中a代表引气。采用520mm石子和PII52.5水泥。表L1.2各混凝土配比混凝土标号水胶比Ca300.52（无掺合料）Ca500.30（加加粉煤灰和矿渣）Ca50z0.30（加粉煤灰、矿渣和硅渣）Ca60z0.
5、28（加粉煤灰、矿渣和硅渣）表1.1.3混凝土抗压、抗折强度混凝土标号实测立方体抗压强度（MDa）28d抗折强度（Mpa）3d7d28dCa305.513.032.43.0Ca5019.445.169.47.3Ca50z21.841.150.66.3Ca60z14.440.661.86.4试验采用天山红水PLS-IOoOKN液压疲劳试验机加载（如图2）。试验时自制加载架及简支梁支座，使其方便加教。做静载试验时在梁跨中两侧各布置一个百分表，在梁底粘贴一木条，测跨中挠度（如图3）。图1.1.2试验加载装置图1.1.3测挠度装置1.2 试验方法试验加载采用跨中加载集中力，做静载试验时，每次加载IKN
6、,直到钢筋混凝土梁完全破坏为止，加载过程，主要测量混凝土拉应变、混凝土压应变、钢筋拉应变、跨中挠度、裂缝宽度、开裂荷载、破坏时的极限荷载（以裂缝宽度达到1.5mm为标志）。试验数据全都为手工记录。疲劳试验时，取破坏荷载PU的20%60%（4-l2kN）作为疲劳荷载取12kN（最大值）,取8kN（12-4=8kN）为疲劳时力的振幅，此时疲劳荷载的特征（最小荷载与最大荷载比）为P=0.29。因此疲劳试验机压头持力为8kN。（82+8=12kN为疲劳时最大力），试验频率为5Hz。疲劳过程：0,静载，10000,静载，50000,静我，100000,静载，300000,静载，500000,静载，100
7、0000,静载，2000000,如未破坏（1.5mm裂缝）静载到破坏。静载分4级加载每次加载3kN,直至加载到12kN为止，每次加载时间至少为5min,加载速率为0.（HkNs,通过压力计算得传感器上部承压板重约4.5kN。百分表测位移（挠度）,量程10mm,精度0.01mm。每一级加载后，均测量混凝土拉、压应变，钢筋应变、梁的跨中挠度，裂缝宽度。2实验结果与分析2.1 不同配比的4根混凝土梁的静载试验分析4喂爱有技宝由城我2图2.1.14根梁荷载-挠度曲线经过试验过程中4种不同配比梁对不同荷载大小下梁的裂缝的观测，并对其运用钢筋混凝土正截面受弯3个阶段进行分析可知：正截面受弯第一阶段(荷载为
8、O至初裂)，梁处于未裂阶段，没有裂缝，且做静载的时候挠度增长缓慢；正截面受弯第二阶段(出现裂缝至裂缝宽度达到1.5mm),是带裂缝工作阶段，裂缝长度逐渐延伸，且宽度变宽，挠度增长较第一阶段快；当裂缝宽度达到1.5mm,钢筋屈服，认为梁体已经破坏：正截面受弯第三阶段(钢筋受力阶段)，是钢筋屈服的破坏阶段，裂缝宽度快速增加，挠度增长加快。经过统计可知：表2.1.1静载试验情况混凝土标号初裂荷载(kN)破坏荷载(Pu)(kN)完全破坏荷载(梁失去承载力)(kN)计算的破坏荷载(kN)Ca307202314.24Ca5O8193015.52Ca5Oz7182515.52Ca60z10213315.20
9、同时由图像2.1.1可知梁在静载过程中随着荷载的增大，梁的挠度会越来越大，荷载-挠度比也越来越大，刚度B则越来越小；当裂缝宽度达到1.5mm以后挠度变化幅度加大。四根梁挠度差异不是很明显。图2.1.2左4根静载梁的完全破坏图右锈蚀钢筋梁破坏时一般在跨中左右两侧出现两条明显裂缝，而跨中出现微裂纹或不出现，主要是由于梁跨中钢筋绑扎了一小段测钢筋锈蚀的钢筋，此钢筋提高了梁的破坏承载力。4根柔荷蒙T编宝度Ba线图2.1.34根梁荷载-裂缝宽度曲线由图5可知梁在静载过程中随着荷载的增大，梁的裂缝宽度会越来越大，且裂缝宽度的增长也会越来越快。当荷载值达到0.6Pu0.7Pu时，裂缝基本上出齐，且至少在跨中
10、附近有3条明显长裂缝。4根梁变化趋势基本一致，但有所差异。若出现裂缝，裂缝开展宽度就会较大，且在梁左右两侧向上延伸很快。文献1说裂缝的宽度，高度及裂缝数目在整个疲劳试验过程中大致可以分为快速发展阶段、稳定阶段、破坏阶段。高性能混凝土梁开裂时的裂缝宽度要比普通钢筋混凝土梁稍大，且开裂荷载也大于或等于普通钢筋混凝土。当裂缝宽度达到1.5mm左右时，随着荷载的增大，高性能混凝土梁的裂缝宽度随着荷载的加大其增长幅度小于普通钢筋混凝上梁。本试验过程中裂缝延展情况基本上与文献中研究所得的裂缝延展情况致。高性能钢筋混凝土梁的完全破坏荷载要比普通钢筋混凝土梁的大，说明其承载力要大于普通钢筋混凝土梁，且高性能混
11、凝土与钢筋的粘结情况更好。总之，在相同配筋率下，高性能钢筋混凝土梁的抗裂性要比普通钢筋混凝土梁要好，荷我加大到定程度时高性能混凝土梁的裂缝扩展幅度小于普通钢筋混凝土梁。09Ca30Sft-5SNXWM图2.1.4荷载-应变曲线通过对图6-9的数据分析以及试验现场的观察：刚开始加载时，沿梁高量测到的应变都比较小，此时梁的工作情况类似于匀质弹性体，应力与应变成正比，受压区与受拉区混凝土应力分布图形为三角形。因此，正截面受弯第一阶段，图中三条线均应为直线，且应变都较小，由于粘结力的存在，受拉钢筋的应变应与周围同一水平处混凝土拉应变相等，即两条线几乎重合；正截面受弯第二阶段，在纯弯段梁抗拉能力薄弱段某
12、一截面处，当受拉区边缘纤维拉应变达到混凝土极限拉应变时出现第一条裂缝，混凝土开裂后就会将原先承担的一部分拉力转移钢筋，使得钢筋应变逐渐增大，因此，钢筋拉应变和混凝土拉应变在此阶段会不断增大；正截面受弯第三阶段，钢筋屈服梁截面曲率及挠度突然增加，裂缝宽度随之扩展并沿梁高向上延伸，中和轴继续上移，受压区高度进一步缩小，此时，受压区混凝土边缘纤维应变迅速增长，钢筋拉应变也会增加更快。由于试验读数是手工记录的不同荷载下的稳定应变读数,记录不到钢筋在某一屈服荷载下，钢筋应变的动态增长情况，因此看不到明显的屈服平台。但在试验中，通过观测裂缝的宽度，应变数据，及梁挠度的变化，可以判断4根梁的钢筋屈服时的荷载
13、值基本上控制在20KN左右。2.2 不同配比的4根混凝土梁的疲劳试验分析本实验是开裂疲劳，在每次给梁加载完一定次数的动载后，对梁进行静载，静载力为12KN,分4级加载，每级为3KN,每级加载时间间歇保持至少5min（保证力完全加载在梁上）。在每次加完一定次数的动载后，就会给梁做静载，且每次静载静载时将测挠度的百分表调零，测量的每次挠度都从O开始，所得数据绘的图如下：21号QSOX根疲劳下的荷款-提度3050z R税凌劳下的荷敕-提支曲 城35家由I素我楼劳下的黄裁挠度国 线图2.2.1累积疲劳下的荷载挠度曲线表2.1梁疲劳循环次数混凝土标号Ca30Ca50Ca50zCa60z疲劳荷载/KN疲劳
14、循环次数4-122360004-122890004-122481004-12267500由统计的数据及所绘的荷载-挠度曲线图，对比4组图分析知：当加累积动载0次后给梁做静载，所得的挠度最大；当加累积动载100000次后给梁做静载，所得的挠度最小。其基本上满足随累疲劳积次数的增多，静载时，梁的挠度逐渐减小，但累计挠度越来越大的规律。由于在加动载次数0时给钢筋混凝土梁做静载，梁会产生微裂缝宽度约为0.01mm,由钢筋正截面受力的第二阶段可知：梁在产生裂缝后，钢筋与混凝土共同受力，但受拉区大部分混凝土会逐渐退出工作。因此，从疲劳过程中，从裂缝产生到裂缝宽度达到1.5mm这一过程中，混凝土梁承载力与混
15、凝土抗折强度有一定的关系，本实验所做的梁疲劳循环次数均在300000次以下，且疲劳寿命与混凝土抗压强度的大小有关，钢筋混凝土梁抗压强度越高疲劳寿命越长。疲劳次数为O次时，所得的静载-挠度曲线，接近直线，而随着疲劳次数的增多，静载挠度曲线呈明显的曲线。这说明混凝土在一定次数的重复荷载下的塑形变形的累积是收敛的，即文献3中所说的随着疲劳循环次数的增加，累积塑形变形越来越小，加载应力应变曲线接近直线。4根梁桎芳次数-裂鲤宽度曲线图2.2.24根梁疲劳次数.裂缝宽度曲线图中曲线表明：在相同的累积疲劳次数下，高性能钢筋混凝土梁的裂缝宽度要比普通钢筋混凝土梁的宽度要小，且裂缝宽度随疲劳次数的增多而加大。累
16、积疲劳次数在5OOOO-1OOOOO下裂缝增长较快。21号50*粗疫劳下的黄载制筋拉叵受 油城30瓠血累獭劳下的荷效-睇艇变曲，螭随通变好Wx源喊鼓 W攵砒酸 去和OXW欧瞅加凌35号S6&系和凌劳下管时用航技叵变曲线+标”丽统图2.2.3累积疲劳下的荷载-钢筋拉应变曲线由以上前3张图可知，在相同荷载下，随着疲劳次数的增多，应变越来越大。疲劳次数相同时，钢筋的应变随荷载值的增大而增大，旦应变在混凝土开裂后呈增大趋势。21g501!般表另下的充泅虹主W压亶图2.2.4累积疲劳下的荷载-混凝土左侧压应变曲线由图可知：在一定次数的累积疲劳下，静力-应变曲线中混凝土压应变逐渐增加：当疲劳次数逐渐增加，
17、混凝土压应变增加的幅度会有增加的趋势。当临近破坏时，应变会产生突变。在疲劳荷载下，混凝土的累积变形会逐渐增大，梁的性能会逐渐退化，疲劳损伤逐渐积累，直至混凝土退出工作。3结论（1）静载时梁的挠度随荷载值的增大而增大，加载后期挠度变化幅度越来越大。（1）高性能混凝土梁开裂时的裂缝宽度要比普通钢筋混凝土梁稍大，且开裂荷载也大于或等于普通钢筋混凝土梁。（2）在相同配筋率下，高性能钢筋混凝土梁的抗裂性要比普通钢筋混凝土梁要好，荷载加大到一定程度时高性能混凝土梁的裂缝扩展幅度小于普通钢筋混凝土梁。（3）高性能钢筋混凝土梁的承载力较普通钢筋混凝土梁高，钢筋粘结性能也更好。（4）疲劳寿命与混凝土抗压强度的大
18、小有关，钢筋混凝土梁抗压强度越高疲劳寿命越长。（5）有限次的疲劳不会影响梁的极限承载力，但梁的挠度，混凝土应变，钢筋拉应变,都会有一定的累积，影响梁在使用期的适用性。（6）在相同的累积疲劳次数下，高性能钢筋混凝土梁的裂缝宽度要比普通钢筋混凝土梁的宽度要小，且裂缝宽度随疲劳次数的增多而加大。累积疲劳次数在50000700000下裂缝增长较快。（7）随着疲劳次数的增加，在静力-荷载曲线中钢筋拉应变和混凝土压应变都会随累积疲劳次数的增加而应变加大，应变增加幅度有加大的趋势；混凝土和钢筋破坏时的应变值都会产生突变。参考文献1朱红兵，余志武，孙杰，钢筋混凝土T梁疲劳性能试验研究J.公路交通科技，2013,30（12）：54-56.2钟铭，王海龙，刘仲波，孟建伟，高强钢筋高强混凝土梁静力和疲劳性能试验研究UL建筑结构学报，2005,26（02）：94700.3孙晓东，易建伟，主筋锈蚀钢筋混凝土梁疲劳试验研究.硕士学位论文，2006:21-24.4 GB50010-2010混凝土结构设计规范.5 GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准.6董福兴，钢筋锈蚀混凝土构件疲劳性能的试验研究.硕士学位论文,2007:4650.7程文浪，严谯姮，王铁成，江见鲸，混凝土结构设计原理M.北京：中国建筑工业出版社，2008：33-62.
