重載鐵路橋梁多軸疲勞試驗(yàn)研究

預(yù)應(yīng)力混凝土梁彎管疲勞性能研究普通鐵路開通萬(wàn)噸重車后，列車軸重從原來(lái)的23噸逐漸增加到30噸。軸重的頻率明顯增加了。隨著負(fù)荷的增加，不僅線路上的中小型跨橋的疲勞負(fù)荷和疲勞壽命有了，而且運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷能力是否滿足了列車的運(yùn)營(yíng)要求，這是鐵路運(yùn)輸管理部門非常重要的問(wèn)題。普通鐵路開行萬(wàn)噸重載列車后,橋梁上部結(jié)構(gòu)主要是預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁的荷載形式較設(shè)計(jì)荷載中的活載發(fā)生了較大變化,而且萬(wàn)噸重載列車除軸重增加外,軸對(duì)數(shù)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通列車,橋梁承載力的富裕度大大減小,原來(lái)設(shè)計(jì)的全預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁可能會(huì)成為部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁。針對(duì)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁彎曲疲勞問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究,主要有以下一些結(jié)論[5,6,7,8,9,10,11,12,13]:(1)配筋合適的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞破壞始于梁底受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋的疲勞斷裂,混凝土和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力幅值較小,一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞;(2)配筋合適的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞破壞呈現(xiàn)“三階段”特征,其疲勞壽命取決于梁底非預(yù)應(yīng)力筋的疲勞壽命;(3)臨近疲勞破壞時(shí)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中撓度增大約10%~20%,裂縫增大系數(shù)約為1.50~2.34;(4)梁底非預(yù)應(yīng)力筋未發(fā)生疲勞斷裂的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,相應(yīng)疲勞剩余靜載承載力幾乎沒(méi)有變化。國(guó)內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞研究側(cè)重于疲勞破壞特征和疲勞壽命的結(jié)果研究,沒(méi)有充分考慮疲勞加載過(guò)程中混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋三者之間的內(nèi)在聯(lián)系、相互作用和相互影響以及梁體剛度全時(shí)程變化,因?yàn)橹剌d鐵路主要靠提高軸重、降低貨車自重、增加行車密度來(lái)組織實(shí)施,預(yù)應(yīng)力混凝土梁的外荷載和加載頻次在不斷的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)中,因此重點(diǎn)宜放在預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)上,分析哪一級(jí)軸重是安全的,哪一級(jí)軸重需要強(qiáng)化加固。針對(duì)普通鐵路擴(kuò)能改造后列車軸重大、行車密度高等特點(diǎn),本文以目前鐵路上32m跨度全預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象,按照相似理論加工制作一批縮尺模型梁,借助光纖光柵傳感技術(shù)和德國(guó)imc數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng),建立基于現(xiàn)代光纖光柵傳感和傳統(tǒng)應(yīng)變片及891-Ⅱ拾振器的疲勞試驗(yàn)實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng),研究重載鐵路橋梁疲勞性能,在此基礎(chǔ)上,對(duì)重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)疲勞破壞機(jī)理和破壞特征進(jìn)行分析,揭示重載鐵路橋梁疲勞損傷發(fā)展規(guī)律及影響疲勞壽命的主要因素,提出重載鐵路橋梁疲勞破壞的主要表征參數(shù)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)1.1.1預(yù)應(yīng)力混凝土原型梁選擇依據(jù)我國(guó)普通鐵路典型橋梁分布,選擇普通鐵路上32m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支直線T梁作為原型梁(斷面見(jiàn)圖1),標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)為專橋2059F。1.1.2縮尺模型材料根據(jù)相似理論、試驗(yàn)精度要求及試驗(yàn)條件的可能性,試驗(yàn)采用1∶6的縮尺模型,模型梁所用鋼筋材料與原型相同,混凝土采用小顆粒骨料(不大于20mm),近似與原型相同。模型梁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,模型梁構(gòu)造見(jiàn)圖2。1.1.3預(yù)應(yīng)力材料及拉伸試驗(yàn)混凝土配合比,水泥∶水∶砂∶石∶外加劑=380∶155∶720∶1084∶120,單位為kg/m3。水泥為P.II42.5R級(jí)硅酸鹽水泥;粗骨料為石灰?guī)r碎石,最大粒徑≤20mm;細(xì)骨料為天然河砂(中砂);外加劑為S95礦粉和粉煤灰;采用NoF-II減水劑,摻量為5.15kg/m3;水為日常飲用水。正式試驗(yàn)時(shí),各試驗(yàn)梁混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為44.0~66.0MPa,平均強(qiáng)度為53.6MPa。鋼筋拉伸試驗(yàn)依照《金屬軸向拉伸試驗(yàn)方法》(GB228—2002)進(jìn)行,實(shí)測(cè)力學(xué)性能見(jiàn)表2。(2)預(yù)應(yīng)力施工預(yù)應(yīng)力筋采用兩端張拉(單孔千斤頂單根鋼絞線對(duì)拉,分兩次完成),張拉時(shí)混凝土齡期均超過(guò)28d。張拉完畢立即從預(yù)留灌漿口內(nèi)灌漿封閉。1.1.4相似共同要求應(yīng)施工和混凝土振搗及灌漿工藝的要求,模型梁的截面設(shè)計(jì)不能嚴(yán)格滿足理論幾何相似要求。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查資料[5,6,7,8,9,10,11,12,13],模型梁力學(xué)相似性主要控制跨中有效預(yù)應(yīng)力、混凝土上下翼緣最大最小應(yīng)力、力筋最大最小應(yīng)力及應(yīng)力幅值和跨中撓度幅值等指標(biāo),以達(dá)到與原型梁接近相似。1.2基于fiber-braggratch智能傳感預(yù)應(yīng)力筋模型本文重載鐵路橋梁疲勞試驗(yàn)研究共有12片模型梁,其中靜載試驗(yàn)2片(靜載試驗(yàn)主要目的有2個(gè),一是確定疲勞試驗(yàn)所需的靜力極限荷載Pu;二是判定試件配筋是否合適),等幅疲勞試驗(yàn)10片。所有模型梁尺寸、材料、配筋全部相同。為了降低混凝土收縮徐變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)前模型梁均存放6個(gè)月以上。試件主要參數(shù)見(jiàn)表3和表4。表4中智能筋與大連理工大學(xué)合作開發(fā),全稱為FiberReinforcedPolymer-OpticalFiberBraggGrating智能復(fù)合傳感預(yù)應(yīng)力筋,主要用來(lái)監(jiān)測(cè)鋼絞線應(yīng)變,本文試驗(yàn)中既是受力鋼筋還是傳感元件。表4中疲勞下限值(Pmin)依據(jù)相似比按照“恒載跨中彎矩相等”原則確定。試驗(yàn)中考慮實(shí)施重載后要更換新型枕木,恒載計(jì)入0.2倍增大系數(shù)。在扣除模型梁自重后,計(jì)算得到疲勞荷載下限值Pmin=27.2kN。表4中疲勞上限值(Pmax)依據(jù)相似比按照“恒活載跨中彎矩相等”原則確定。在扣除模型梁自重后,計(jì)算得到30t疲勞荷載上限值Pmax=62.2kN。由于模型梁的力學(xué)相似性存在變異,主要是抗彎強(qiáng)度比理論值要大,為了減少模型變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,根據(jù)原型梁極限彎矩確定疲勞荷載比例,換算出模型梁疲勞加載比例,再根據(jù)文獻(xiàn)資料調(diào)查結(jié)果[5,6,7,8,9,10,11,12,13],適當(dāng)擴(kuò)大比例研究范圍(相應(yīng)取Pmax=0.60Pu、0.50Pu和0.45Pu,Pu由靜載試驗(yàn)確定),構(gòu)成Pmax=0.35~0.60Pu等5種模式加載系列來(lái)考察模型梁疲勞性能。1.3車輛比實(shí)際算例試驗(yàn)加載圖式見(jiàn)圖3(分配梁間距為重載鐵路30t車輛軸距依相似比換算所得)。所有試驗(yàn)均在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室PMS-500數(shù)顯式脈動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。1.4基于光纖光柵傳感的應(yīng)變片模擬試件在跨中截面混凝土表面貼有電阻應(yīng)變片,在加載點(diǎn)和跨中普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線相對(duì)應(yīng)的位置上分別粘貼光纖光柵或電阻應(yīng)變片,模型梁支座、1/4跨、跨中等5處布有891-II拾振器,借助光纖光柵傳感技術(shù)和德國(guó)imc集成測(cè)控有限公司生產(chǎn)的imc數(shù)據(jù)采集與famos后處理系統(tǒng),建立基于現(xiàn)代光纖光柵傳感和傳統(tǒng)應(yīng)變片及891-II拾振器的疲勞試驗(yàn)實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)。每循環(huán)一定次數(shù)停機(jī),進(jìn)行靜力試驗(yàn)測(cè)試荷載-應(yīng)變和撓度關(guān)系曲線。1.5明力筋的配置試驗(yàn)梁的靜載破壞形態(tài)見(jiàn)圖4。靜載試驗(yàn)表明試件靜載破壞始于受拉鋼筋屈服,然后加載點(diǎn)內(nèi)側(cè)混凝土被壓潰,屬于典型彎曲破壞,說(shuō)明力筋配置比較適當(dāng)。根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果并按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—1992)確定No.1梁靜力極限荷載Pu=158.6kN(帶智能筋),No.17梁靜力極限荷載Pu=180.0kN(無(wú)智能筋)。兩者存在差異主要是因?yàn)橹悄芙钿摻g線彈性模量(183GPa)比普通鋼絞線(195GPa)低,造成相應(yīng)梁極限承載力要小10%~20%左右。3疲勞試驗(yàn)的結(jié)果3.1試驗(yàn)現(xiàn)象描述3.1.1典型疲勞斷口分布所有試驗(yàn)梁疲勞破壞均始于普通鋼筋的疲勞斷裂,預(yù)應(yīng)力鋼筋沒(méi)有出現(xiàn)徹底斷裂的情況。除No.7、No.4、No.8和No.14等4片梁疲勞斷口發(fā)生在加載點(diǎn)附近外,其余6片均在跨中附近。典型疲勞裂縫分布如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,在疲勞下限值相同的情況下,疲勞上限值只影響裂縫出現(xiàn)的時(shí)機(jī)和初始寬度,不影響梁體發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最終裂縫分布形式。3.1.2受拉區(qū)混凝土的缺失第一根普通鋼筋疲勞斷裂后,在鋼筋斷裂處梁表面將出現(xiàn)明顯的樹枝狀斜向裂縫(見(jiàn)圖6(a)),其余鋼筋應(yīng)力猛增,裂縫寬度急劇開展,中和軸上移,壓區(qū)面積減小;普通鋼筋突然斷裂,但是梁體不會(huì)隨即坍塌,仍然能承受疲勞荷載的作用。此時(shí),受拉區(qū)混凝土以粉末狀不斷脫落(見(jiàn)圖6(b)),受壓區(qū)混凝土表面未出現(xiàn)任何異樣,完好如初。通過(guò)對(duì)梁體疲勞倒V型斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),普通鋼筋有明顯的疲勞破壞特征(見(jiàn)圖6(c)),預(yù)應(yīng)力鋼絞線出現(xiàn)頸縮、局部斷絲等塑性破壞特征,波紋管內(nèi)水泥灌漿體全部微振磨損成松散小顆粒(見(jiàn)圖6(d))。3.1.3構(gòu)件疲勞壽命鑒定按照我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和檢定標(biāo)準(zhǔn),本文提出容許疲勞壽命和極限疲勞壽命的概念。(1)容許疲勞壽命。構(gòu)件出現(xiàn)第一條寬度達(dá)到0.20mm的疲勞裂紋(本試驗(yàn)采用4倍放大鏡觀察(裂縫測(cè)寬儀))時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù),記為N0.2。(2)極限疲勞壽命。構(gòu)件疲勞破壞(第一根非預(yù)應(yīng)力筋斷裂)時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù),記為Nf。所有試件疲勞壽命匯總于表5。3.2疲勞反復(fù)荷載下?lián)隙葎?dòng)態(tài)變化特征疲勞反復(fù)荷載作用下,模型試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)的荷載-跨中撓度曲線隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示(為節(jié)省篇幅,僅列4片梁)。疲勞反復(fù)荷載下,荷載-撓度曲線不斷向撓度增大的方向“移動(dòng)”,加載初始階段的疲勞破壞曲線稀疏,中間階段相對(duì)密實(shí),呈現(xiàn)“疏-密-疏”三階段特征(有0萬(wàn)次數(shù)據(jù)記錄時(shí),大致呈現(xiàn)“三階段”特征,無(wú)0萬(wàn)次記錄時(shí),撓度發(fā)展基本符合“三階段”定律中的后兩個(gè)階段的發(fā)展規(guī)律),在向梁體破壞的損傷演變過(guò)程中,曲線斜率在不斷變小,梁體破壞期間更顯著。3.3應(yīng)變-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在重復(fù)荷載作用下,模型試驗(yàn)梁荷載-混凝土應(yīng)變關(guān)系的典型曲線如圖8所示(曲線按照壓應(yīng)變到拉應(yīng)變的順序由上到下依次排列,左右各列分屬不同梁號(hào)。為節(jié)省篇幅,僅列2片梁)。在疲勞重復(fù)荷載作用下,混凝土壓(拉)應(yīng)變都在向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较颉耙苿?dòng)”,大致呈現(xiàn)“疏-密-疏”三階段規(guī)律;在向試件疲勞破壞的損傷演變過(guò)程中,拉(壓)應(yīng)變曲線斜率在不斷變小,壓-拉應(yīng)變曲線不斷由壓應(yīng)變斜直線慢慢“旋轉(zhuǎn)”成拉應(yīng)變斜直線。對(duì)于受拉區(qū)混凝土,在疲勞加載早期(50~125萬(wàn)次以內(nèi)),其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也基本呈線性關(guān)系,隨著殘余應(yīng)變不斷增大,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線不斷上凸成雙折線,出現(xiàn)非線性特征。由于受拉區(qū)混凝土應(yīng)變沒(méi)有完全測(cè)量到,無(wú)法對(duì)其全過(guò)程分布規(guī)律進(jìn)行描述。3.4預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變關(guān)系在重復(fù)荷載作用下,模型試驗(yàn)梁荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變關(guān)系的典型曲線如圖9所示(為節(jié)省篇幅,僅列4片梁跨中截面應(yīng)變)。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著疲勞荷載上限值的提高,荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變關(guān)系曲線的斜率不斷降低并逐漸上凸近似呈兩折線狀。疲勞反復(fù)荷載作用下,荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變關(guān)系曲線不斷向拉應(yīng)變?cè)龃蟮姆较颉耙苿?dòng)”。在30t軸重下,整個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系,疲勞350萬(wàn)次后,預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)變值接近7000~8000με(1341~1493MPa)。臨近疲勞破壞時(shí),預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)變值接近8000~9000με(1493~1609MPa),開始有塑性破壞特征。3.5鋼筋殘余應(yīng)變?cè)谥貜?fù)荷載作用下,模型試驗(yàn)梁荷載-梁底普通鋼筋應(yīng)變關(guān)系的典型曲線如圖10所示(為節(jié)省篇幅,僅列6片梁底層鋼筋純彎段跨中截面應(yīng)變)。荷載-非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變關(guān)系曲線表明,隨著疲勞荷載上限值的提高,曲線斜率不斷降低并逐漸上凸近似呈兩折線狀。疲勞加載早中期,梁底受拉鋼筋的殘余應(yīng)變不斷增大,但是在荷載作用下的彈性應(yīng)變基本保持不變,各曲線基本平行,鋼筋總應(yīng)變?cè)?400~2000με左右(198~372MPa),并未屈服。在疲勞加載末期50~100萬(wàn)次范圍內(nèi),鋼筋彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變均顯著增長(zhǎng),殘余應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度甚至達(dá)1000με(198MPa),彈性應(yīng)變突然增到3000με(387MPa)以上,鋼筋進(jìn)入屈服階段但未到拉斷破壞強(qiáng)度。疲勞加載過(guò)程中,荷載-應(yīng)變曲線不斷向拉應(yīng)變?cè)龃蟮姆较颉耙苿?dòng)”,在向梁體破壞的損傷演變過(guò)程中,曲線斜率在不斷變小,梁體破壞期間更顯著。3.6拉拔后根據(jù)橋梁的實(shí)際情況,區(qū)分血壓與靜幅值的關(guān)系,其中央、地方以及立法規(guī)范的場(chǎng)域,其疲勞強(qiáng)度以其振動(dòng)的時(shí)間和溫度,其監(jiān)督下的振動(dòng)模型試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)的跨中動(dòng)靜幅值撓度隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化規(guī)律如圖11所示。梁體跨中撓度分為靜撓度和動(dòng)撓度兩類,靜撓度是疲勞上限值下?lián)隙?動(dòng)撓度是疲勞幅值作用下?lián)隙?兩者可通過(guò)豎向動(dòng)力系數(shù)建立聯(lián)系。疲勞加載中,早中期動(dòng)幅值(Δfd)撓度與靜幅值撓度(Δfs)較接近(Δfd約為1.05~1.10Δfs),末期相差大一點(diǎn)(Δfd約為1.10~1.25Δfs)。動(dòng)靜撓度的變化基本上與非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值的發(fā)展規(guī)律相同,在加載早期因鋼筋應(yīng)變幅值增大導(dǎo)致梁體疲勞開裂,撓度有小幅增長(zhǎng);疲勞開裂至裂縫寬度0.10~0.12mm時(shí),梁體撓度基本維持穩(wěn)定,變化不顯著;待裂縫寬度超過(guò)0.20mm以后,撓度變化出現(xiàn)拐點(diǎn),開始顯著變化直至非預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生疲勞斷裂。3.7動(dòng)態(tài)載荷應(yīng)變幅值重復(fù)荷載作用下試驗(yàn)梁混凝土應(yīng)變幅值隨疲勞荷載重復(fù)次數(shù)變化曲線,如圖12(靜態(tài)應(yīng)變幅值為一定疲勞次數(shù)下靜載試驗(yàn)中疲勞上下限應(yīng)變差值,下同)。重復(fù)荷載作用下,試驗(yàn)梁混凝土動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)變幅值因疲勞上限值不同存在差異,大約在300~1000με之間變化,上限值越大其應(yīng)變幅值也越大。但是,整個(gè)疲勞加載過(guò)程中其應(yīng)變幅值變化較為平穩(wěn),一直有增長(zhǎng)但首尾起伏不大,相差100~200με左右。軸重30t下,試驗(yàn)梁混凝土動(dòng)態(tài)受壓應(yīng)變幅值穩(wěn)定在400~500με左右,應(yīng)力幅值約為14.2~17.8MPa。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)同一疲勞循環(huán)次數(shù)內(nèi),混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅值約為靜態(tài)應(yīng)變幅值的1.15~1.25倍。3.8疲勞次數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力幅值的影響重復(fù)荷載作用下試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力筋(No.3梁智能筋張拉時(shí)已損壞,No.26梁應(yīng)變片試驗(yàn)開始不久損壞,No.4和No.10梁智能筋光強(qiáng)弱,光柵多峰嚴(yán)重,靜態(tài)數(shù)據(jù)不可靠)應(yīng)變幅值隨疲勞荷載重復(fù)次數(shù)變化曲線,如圖13所示。疲勞下限值相同的情況下,預(yù)應(yīng)力筋動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅值隨疲勞上限值增大而增加,不過(guò)0.5Pu上限值以后其應(yīng)變幅值增長(zhǎng)相對(duì)平穩(wěn),穩(wěn)定在1000με(195MPa)以下;30t軸重下,隨著疲勞加載次數(shù)的增加,預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值變化不明顯,增長(zhǎng)平穩(wěn),維持在400~600με之間,應(yīng)力幅值約為78~117MPa。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),疲勞破壞前,同一疲勞循環(huán)次數(shù)內(nèi),預(yù)應(yīng)力筋動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅值約為靜態(tài)應(yīng)變幅值的1.05~1.15倍。3.9梁底非預(yù)應(yīng)力筋疲勞斷裂重復(fù)荷載作用下試驗(yàn)梁梁底普通鋼筋應(yīng)變幅值隨疲勞荷載重復(fù)次數(shù)變化曲線,如圖14所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明,疲勞下限值相同時(shí),疲勞上限值越大,受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值也越大,不過(guò)非預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的應(yīng)變幅值基本上相同,大約在5000~6800με之間(斷裂前在1200~1500με左右),換算成應(yīng)力幅值為280MPa左右(斷裂前應(yīng)力幅值243MPa左右),斷裂前預(yù)應(yīng)力筋(應(yīng)變幅值800με左右)和非預(yù)應(yīng)力筋(應(yīng)變幅值1200~1500με左右)的應(yīng)力幅比值約為0.642(156MPa/243MPa),與文獻(xiàn)中的結(jié)果(0.653)較接近。因此,靜載發(fā)生典型彎曲破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,也即混合配筋率合適的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,疲勞破壞之所以是梁底非預(yù)應(yīng)力筋疲勞斷裂,主要是因?yàn)槠胀ㄤ摻钜话悴贾迷陬A(yù)應(yīng)力鋼筋的外側(cè),相同荷載下,普通鋼筋的應(yīng)力比預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力大,而非預(yù)應(yīng)力筋比預(yù)應(yīng)力筋的疲勞破壞強(qiáng)度卻低很多。30t軸重下,開始循環(huán)加載時(shí)受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值大約在450~500με之間,與預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值250~450με較為接近。250萬(wàn)次以后,梁底最大裂縫寬度達(dá)0.18mm左右,兩者應(yīng)變幅值呈現(xiàn)明顯差異,預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值出現(xiàn)100~150με的小幅增長(zhǎng),而梁底非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值卻增長(zhǎng)了約450~500με左右,達(dá)到900~1000με。試驗(yàn)結(jié)果表明,在預(yù)應(yīng)力混凝土梁開裂前,預(yù)應(yīng)力筋與梁底非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變幅值增長(zhǎng)基本協(xié)調(diào);開裂后,兩者增長(zhǎng)開始出現(xiàn)差異,裂縫寬度越大,兩者差異越顯著;裂縫寬度達(dá)到一定程度時(shí)(約0.55mm),非預(yù)應(yīng)力筋率先達(dá)到其疲勞強(qiáng)度而斷裂。在其他上限荷載作用下,由于梁體加載時(shí)就大面積開裂,預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋在加載開始階段就不滿足變形協(xié)調(diào)條件,兩者應(yīng)變幅值因應(yīng)變重分布而出現(xiàn)明顯差異,但是都會(huì)在裂縫寬度約0.55mm的時(shí)刻發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明,只要下限值相同,不同上限值下(只要能夠發(fā)生疲勞破壞),最終疲勞斷裂時(shí)梁底受拉區(qū)鋼筋的應(yīng)變幅值基本上相同,對(duì)應(yīng)的斷裂缺口裂縫寬度也基本一樣。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),疲勞破壞前,同一疲勞循環(huán)次數(shù)內(nèi),非預(yù)應(yīng)力筋動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅值約為靜態(tài)應(yīng)變幅值的1.15~1.25倍。4疲勞試驗(yàn)的結(jié)果分析4.1混凝土疲勞變形模量與材料疲勞損傷度的關(guān)系考慮到試驗(yàn)梁純彎段的應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單明確,這里引入基于損傷力學(xué)理論推導(dǎo)出的損傷變量與累積殘余應(yīng)變關(guān)系,通過(guò)測(cè)得殘余應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算混凝土和力筋等材料疲勞損傷指標(biāo)D(見(jiàn)式(1))以進(jìn)一步說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ土浩谄茐牡膿p傷演變過(guò)程。式中:εrn為在經(jīng)受重復(fù)循環(huán)荷載作用n次后,靜載(上限)混凝土或力筋累積殘余塑性應(yīng)變;εr為混凝土或力筋極限累積殘余塑性應(yīng)變;εr0為混凝土或力筋疲勞損傷起始累積殘余塑性應(yīng)變。對(duì)于模型試驗(yàn)梁上翼緣混凝土,式(1)中εr取為混凝土極限壓應(yīng)變(3500με)與塑性壓應(yīng)變(2000με)之差,即εr=1500με。根據(jù)力筋拉伸試驗(yàn)結(jié)果,預(yù)應(yīng)力筋累積殘余塑性應(yīng)變?chǔ)舝=61600με,普通鋼筋累積殘余塑性應(yīng)變?chǔ)舝=18291με。將式(1)變化,可得到材料變形模量與材料疲勞損傷度之間關(guān)系:式中:En、E0分別為疲勞重復(fù)荷載作用n次后的材料疲勞變形模量與初始狀態(tài)下材料疲勞變形模量。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)式(1)和式(2),圖15給出了受壓區(qū)混凝土、預(yù)應(yīng)力筋和梁底普通鋼筋疲勞損傷演變過(guò)程(擬合曲線為變形模量的擬合曲線)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ土浩谄茐那?受壓區(qū)混凝土疲勞變形模量衰減30%左右,斷裂后衰減約50%~55%(N0.7、No.10和No.26梁在鋼筋疲勞斷裂后做了疲勞上限下靜載試驗(yàn))。疲勞重復(fù)荷載作用下,混凝土單軸抗壓疲勞變形模量基本符合“三折線”哀減規(guī)律,即第一階段(占疲勞壽命10%左右)混凝土單軸抗壓疲勞變形模量衰減5%左右;第二階段(占疲勞壽命70%左右)混凝土單軸抗壓疲勞變形模衰減25%左右;第三階段(占疲勞壽命15%左右)混凝土單軸抗壓疲勞變形模量衰減25%~30%左右。疲勞反復(fù)荷載作用下,預(yù)應(yīng)力筋和梁底普通鋼筋疲勞損傷呈現(xiàn)“三階段”定律中的后兩個(gè)階段的發(fā)展規(guī)律(“三階段”中的第一、第二階段分界不明顯),但是整個(gè)疲勞過(guò)程中力筋材料疲勞損傷不大(5%~15%左右),因此在疲勞加載過(guò)程中可以認(rèn)為力筋的彈性模量不發(fā)生改變。4.2疲勞特性分析考慮到非預(yù)應(yīng)力筋的疲勞斷裂控制著重載鐵路后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的彎曲疲勞破壞模式,這里僅重點(diǎn)分析非預(yù)應(yīng)力筋的S-N曲線。為了與前面引入的概念對(duì)應(yīng),此處也分別有容許疲勞壽命的S-N曲線和極限疲勞壽命的S-N曲線。極限疲勞壽命的S-N曲線(圖16(b))不能仿照容許疲勞壽命(圖16(a))那樣,縱坐標(biāo)仍取應(yīng)力幅值,宜采用應(yīng)力比ρ=Δσmin/Δσmax(Δσmin為相同疲勞下限值下初始時(shí)刻應(yīng)力幅值,Δσmax為疲勞斷裂時(shí)應(yīng)力幅值)。利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,試驗(yàn)梁容許疲勞壽命的S-N曲線方程可表示為若將N=200萬(wàn)次定義為疲勞極限,可推得梁的容許疲勞極限應(yīng)力幅值為Δσ=243.6MPa。同理試驗(yàn)梁極限疲勞壽命S-N曲線的表達(dá)式為4.3疲勞上限值的影響根據(jù)荷載-混凝土壓應(yīng)變關(guān)系曲線(P-εc)還可以得到各試件在疲勞荷載上限時(shí)截面高度的應(yīng)變分布,見(jiàn)圖17(No.3、No.18、No.14和No.21梁受拉區(qū)數(shù)據(jù)不完整,不能反映全過(guò)程)。疲勞反復(fù)荷載作用下,預(yù)應(yīng)力混凝土受彎試件中和軸在不斷上移,混凝土受壓區(qū)高度(壓區(qū)面積)在不斷減小。在下限值一定的情況下,疲勞循環(huán)過(guò)程中跨中截面中和軸的位置變化與疲勞上限值大小有顯著關(guān)系,上限值越大(Pmax=0.55~0.60Pu),中和軸位置變化越大,幾乎沒(méi)有穩(wěn)定期,呈直線式上移;上限值降低到一定程度后(Pmax=0.35~0.50Pu),中和軸位置變化出現(xiàn)明顯長(zhǎng)穩(wěn)定期(約占整個(gè)疲勞壽命的70%~85%),上限值愈小穩(wěn)定期越長(zhǎng),這恰好說(shuō)明在下限值一定時(shí),疲勞上限值越大,試件的疲勞壽命越短;疲勞上限值越小,試件疲勞壽命越長(zhǎng)。另外,對(duì)于同一類型的梁,在下限值相同時(shí),盡管上限值不同,但是最終破壞時(shí)中和軸位置基本相同(約為相對(duì)受壓高度的17%~24%)。這表明疲勞下限值相同,不同上限值下(只要能夠發(fā)生疲勞破壞),同類型預(yù)應(yīng)力混凝土梁梁底受拉區(qū)普通鋼筋疲勞斷裂破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的混凝土受壓區(qū)高度基本相同。這也說(shuō)明,疲勞下限相同時(shí),預(yù)應(yīng)力混凝土適筋梁的疲勞破壞形態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)基本相同。4.4試驗(yàn)結(jié)果及分析在以往疲勞累積損傷模型中,剛度主要有三種定義,分別為切線剛度E(n)、疲勞模量Ef(n)和割線剛度Es(n)。由于割線剛度不僅可以描述在任一載荷循環(huán)作用時(shí)材料或構(gòu)件的整體剛度,還可以反映遲滯回線的變化情況,并且具有明確的物理意義,這里引用割線剛度來(lái)描述疲勞抗彎剛度演化規(guī)律。對(duì)于理想彈性的試件,按照本文加載圖式,其抗彎剛度B與跨中撓度f(wàn)的關(guān)系可通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)圖乘法計(jì)算求得:式中:c為常系數(shù),與荷載作用位置和梁長(zhǎng)有關(guān)?？紤]到疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性及同一荷載水平下試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)No.7等10片梁疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及由上式計(jì)算的動(dòng)態(tài)割線剛度值進(jìn)行“正則化”處理,得到圖18(a)所示試驗(yàn)梁的無(wú)量綱動(dòng)態(tài)割線剛度(相對(duì)動(dòng)態(tài)割線剛度)衰減曲線。其中Es(0)為初始割線剛度,n為循環(huán)次數(shù),N為試驗(yàn)梁極限疲勞壽命。從圖18中可以看出,疲勞上限值越大其剛度退化越明顯,接近直線式線性衰減;隨著疲勞上限值降低,剛度衰減出現(xiàn)明顯的相對(duì)穩(wěn)定過(guò)程;對(duì)于疲勞下限荷載相同的梁,動(dòng)態(tài)割線剛度衰減曲線上終值基本相同,即非預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生疲勞斷裂后試驗(yàn)梁剛度還有48%~54%左右。30t軸重下,梁體剛度衰減表現(xiàn)出“長(zhǎng)穩(wěn)定期”(占70%~75%,衰減10%~15%左右)和“短突變期”(占25%~30%,衰減25%~30%)兩階段式過(guò)程,其擬合曲線見(jiàn)圖18(b)。根據(jù)擬合曲線,可得到30t軸重下梁體動(dòng)態(tài)剛度衰減規(guī)律如下:采用類似的方法還可以擬合推導(dǎo)出其他疲勞上限荷載作用下的梁體動(dòng)態(tài)剛度衰減規(guī)律,此處從略。4.5疲勞損傷方程考慮到重載鐵路橋梁跨中撓度的測(cè)量比較簡(jiǎn)單,可通過(guò)各類位移傳感器精確地予以測(cè)量;即使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量必須中斷運(yùn)營(yíng),也可以通過(guò)測(cè)動(dòng)撓度換算或直接使用動(dòng)撓度進(jìn)行反算。這里以橋梁的剩余抗彎剛度為參數(shù)來(lái)定義疲勞損傷方程,其表達(dá)式為式中:Es(0)為橋梁初始抗彎剛度;Es(n)為經(jīng)n次載荷循環(huán)后橋梁的剩余抗彎剛度。對(duì)于30t軸重,將上節(jié)中Es(n)表達(dá)式代入式(7)可得橋梁疲勞損傷方程(8),其關(guān)系曲線如圖19所示。5模型試驗(yàn)梁破壞特點(diǎn)通過(guò)對(duì)12片模型梁疲勞試驗(yàn)