钢筋混凝土空心梁疲劳试验研究

　　摘要：本文通过对钢筋混凝土空心梁的多级等幅疲劳试验来研究其疲劳性，同时就疲劳荷载作用下的钢筋混凝土空心梁的疲劳性能试验研究提出了初步探索。
　　关键词：钢筋混凝土空心梁；疲劳；挠度
　　引言
　　结构物在服役期内要经受若干年复杂的荷载历程，疲劳破坏是其主要失效模式之一。国内在以往的混凝土结构疲劳设计中往往忽略了时间历程上的随机性，常假设荷载是一个幅值不变的等幅重复荷载。设计要求在这一等幅重复荷载作用下结构构件不发生疲劳破坏。已有的混凝土结构的疲劳试验也主要以等幅疲劳试验为主，少量的变幅疲劳试验一般也只是二级或是三级变幅疲劳试验。而实际结构构件所承受的重复荷载不是一个幅值不变的等幅荷载，而是一个大量重复的动态随机荷载。这些疲劳试验虽然相对比较简单，但是与实际服役荷载谱相差较大，且试验中不能适当地考虑不同荷载循坏之间的相互影响，因此由等幅疲劳试验得出的试验结果与实际情况相差很大。比较理想的是试验荷载尽可能接近实际的工作状态，这就需要开展多等级变幅疲劳试验的研究。
　　1疲劳试验方案
　　疲劳试验在PMS-500数显式液压脉动试验机上进行。先分级加载至疲劳荷载上限，然后卸载，再施加静载到疲劳荷载上限，反复2次，以消除加载系统各部分的间隙和检验加载系统及数据采集系统是否正常。然后以频率2-4hz进行疲劳试验。疲劳荷载下限取为0.15Mu-0.2Mu(Mu为静力极限荷载)。疲劳荷载上限分别取为0.5Mu,0.55Mu,0.577Mu,0.6Mu。当疲劳次数达到1万、5万、20万、60万、100万、150万、200万次…时，停止疲劳荷载，采用静力加载方法逐级加载至疲劳荷载上限，逐级量测混凝土和钢筋的应变、梁的挠度和裂缝宽度等力学性能指标。
　　2试验现象
　　对钢筋混凝土空心梁的疲劳进行全寿命的观测，由于在疲劳前的第一次静载荷载上限已经超过开裂荷载，所以在纯弯段和弯剪段共出现5-6条首批裂缝，纯弯段最大裂缝宽度达0.2-0.3mm。长度沿梁向上延伸到约梁高的一半，裂缝在梁的两侧大致成对称分布。荷载循环1万次之后，原有裂缝有少许扩展，并在原裂缝之间新增1-2道裂缝，随着振动次数的增加，裂缝的宽度和长度都随着增加，达到50万次左右时，底部裂缝横向贯穿整个横截面，而且在梁底面沿纵向也有所延伸。到80万次之后，弯剪段以及纯弯段次裂缝裂缝停止增长并且逐渐闭合，纯弯段主裂缝继续扩展，底部混凝土逐渐有脱落现象发生。到100多万次以后静载时最大侧面裂缝宽度有1-2mm，梁的刚度逐渐下降。将近破坏时，挠度用肉眼观察己经变化很明显。破坏时能听见“砰”的一声，肉眼可见底部受拉纵筋有2-3根发生疲劳断裂，梁底混凝土部分掉落。上部受压区混凝土被压碎，上部的架立钢筋也被压屈。受拉钢筋发生疲劳断裂后，裂缝宽度急剧开展，但是梁仍能承受疲劳荷载的作用。各梁破坏位置均位于加载点处。
　　试验梁的破坏均是以钢筋疲劳断裂为标志，钢筋混凝土梁的疲劳破坏与普通静载受弯破坏的主要区别有以下几点：
　　(1)普通静载受弯破坏属于延性破坏，有一定的屈服点，而疲劳破坏则是脆性破坏，钢筋疲劳断裂前无明显征兆。
　　(2)普通静载受弯破坏时钢筋的应力一般能达到或超过屈服强度，而疲劳破坏时钢筋一般小于屈服强度。
　　(3)钢筋疲劳断裂的断裂面与普通静载拉断的断面形式不同，普通静载拉断时钢筋断面有明显颈缩现象，钢筋有一定的伸长率，而疲劳破坏的钢筋则是突然断裂，截面较平滑，无颈缩现象。
　　3挠度结果及其分析
　　对一根梁而言，试验表明在疲劳荷载作用下构件的挠度随着荷载重复次数的增加而不断增大。在循环初期挠度增加速度很快，在中期趋于缓和，到临近破坏时挠度增加速度再次稍微变快，每根梁疲劳破坏时的最大跨中挠度都跟静载破坏时的挠度比较接近。
　　实验结果表明，梁在寿命中期刚度变化不明显，跨中挠度的增加更多是来自于残余挠度的贡献。当构件承受的应力幅比较大时挠度增加也较大，这说明在高应力幅下，构件的刚度降低的更快。由此可见应力幅对挠度的影响是很大的。在荷载循环初期，不同应力幅下的梁的挠度区分不是特别明显，但随着荷载循环次数的增加，挠度增加越快。各条荷载挠度曲线间隔越来越大。
　　4应变结果及其分析
　　4.1混凝土应变
　　钢筋混凝土梁受压区混凝土应变随疲劳荷载循环次数的增多而增大，其发展变化规律和混凝土在轴心受压疲劳荷载作用下的应变变化规律基本相同。在初始的2-5万次内，受压区混凝土应变发展变化显著：随着疲劳荷载循环次数的增加，增长速率逐渐减缓而进入相对稳定的发展阶段。反复荷载作用下钢筋混凝土梁的混凝土受压边缘的峰值应变值的变化规律呈三个阶段：即初始阶段、平稳发展阶段和加速发展阶段，这说明以往国内外学者普遍认同的混凝土疲劳损伤累积的三阶段发展规律在钢筋混凝土构件中仍然成立。
　　钢筋混凝土梁正截面混凝土应变在疲劳荷载作用下基本呈线性分布。受压区混凝土应变随疲劳荷载循环次数N增加而增大。压区混凝土的波峰值应变不断递增，反映了在循环荷载作用下，混凝土变形逐渐增大，材料性能逐渐劣化，疲劳损伤逐渐积累。
　　4.2钢筋应变
　　在重复荷载作用下，钢筋的应变在初期增长比较大，变化比较显著;随着疲劳荷载循环次数的增加，增长速率趋缓而进入相对稳定的发展阶段;临近破坏时钢筋应变又发生了较大幅度的增长。当构件第一次加卸荷载后钢筋已经存在着残余变形，且在重复荷载下这种残余变形不断积累使总的变形有所增加。这个应变变化过程说明了构件经过重复荷载作用后钢筋和混凝土之间的粘结力有了较大程度的退化。这是由于受压区混凝土的塑性发展和弹性模量的降低从而导致裂缝的发展，受拉区混凝土不断退出工作等引起的内力重分布的结果。钢筋中的平均应变增长实际上也包括了相当部分的残余应变的增长。
　　结束语
　　一般情况下，试件梁的跨中挠度在疲劳试验初始阶段增长较快，此后随着循环次数的增加，施加荷载相对较大的试件梁的跨中挠度继续增长，施加荷载相对较小的试件梁的跨中挠度增长缓慢，但都随着循环次数增加而增长。反映了在循环荷载作用下，混凝土材料的弹性模量逐渐减小，材料性能逐渐劣化，疲劳损伤逐渐积累。
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