地铁工程钢筋混凝土梁疲劳损伤演化和寿命预测(2)
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【摘要】图1 腐蚀环境下钢筋混凝土试验梁挠度演化趋势 钢筋混凝土试验梁挠度增加导致其疲劳弯曲模量(亦称刚度)退化。试验结果表明钢筋混凝土试验梁挠度增加
图1 腐蚀环境下钢筋混凝土试验梁挠度演化趋势
钢筋混凝土试验梁挠度增加导致其疲劳弯曲模量(亦称刚度)退化。试验结果表明钢筋混凝土试验梁挠度增加可以表示为疲劳荷载循环次数的对数函数(见图1),其函数表达式为
式中:A为与试验初始条件有关的参数;B为与应力水平、腐蚀环境和材料属性相关的参数;Nif为疲劳试验过程中验梁跨中最大挠度dmax的初始记录所对应的循环次数,这主要是考虑到初始疲劳加载记录的不确定性和试验结果的分散性。
式(1)可以用来描绘试验梁跨中挠度演化的最初两个阶段,如图1中实线所示。考虑到钢筋混凝土试验梁跨中最大挠度dmax的初始记录所对应的循环次数Nif一般都很小,dmax和第1次循环中的d0max也相差不大,因此,为了解析上的便利,在疲劳试验分析中通常dmax的初始记录可近似视为d0max。据此,可以得到A=1,那么式(1)可以进一步改写为
另外,根据试验结果,可以假设式(2)中的模型参数B的变化遵循幂函数规律,即
式中:系数b1、b2、b3与腐蚀环境、荷载条件与材料属性相关,可由试验数据和回归分析方法确定;r为应力水平。
将式(3)代入式(2),可进一步得到试验梁跨中挠度的演化公式为
1.2 疲劳寿命预测模型
在荷载控制的疲劳试验中,定义钢筋混凝土梁刚度折减α时所对应的临界循环次数作为试验梁的疲劳寿命[11],即
根据式(4)、式(5),钢筋混凝土试验梁的疲劳寿命可以表示为
式中:β=1-α。
1.3 疲劳累积损伤预测模型
试验梁疲劳损伤累积到一定程度后,常常会发生疲劳损伤破坏断裂。由于本文试验是在杂散电流、氯离子腐蚀环境和疲劳载荷协同作用下进行的,加上混凝土材料具有各向异性特征,骨料之间也会出现脱粘现象,因此钢筋混凝土试验梁疲劳损伤机理极为复杂。为了度量钢筋混凝土试验梁在某一时刻所达到的损伤程度,根据损伤力学理论,通常将其所有损伤用一个损伤变量D来描述,它与试验结果有关。通常假定疲劳荷载循环开始时名义损伤变量DF为零,试验梁发生疲劳损伤破坏时名义损伤变量DF为1,其数学表达式为
对于控制荷载的疲劳试验而言,可以用钢筋混凝土试验梁的跨中挠度变化来描述其疲劳损伤演化,即损伤变量DF可以表示为
式中:dαmax为刚度折减α时对应的试件跨中位移最大值。
将式(4)、式(5)和式(6)代入式(8),得到钢筋混凝土试验梁的疲劳损伤演化方程为
2 腐蚀环境下疲劳试验
2.1 试验梁设计
试验所用钢筋混凝土梁按适筋梁设计,试件尺寸为100 mm×160 mm×1 200 mm。主筋采用212,架立筋选用2φ6,箍筋则采用φ6@80(2)。钢筋的主要力学性能指标如表1所示,试件配筋图如图2所示。其中,混凝土保护层厚度为20 mm。为模拟杂散电流腐蚀,在试件浇注成型之前,2根纵向受拉钢筋(主筋) 的一端各焊1根长度为2 m的导线,并且在箍筋相交位置处采用塑料绝缘管绝缘。
试验梁采用强度等级为C40的混凝土,设计配合比为水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.35∶2.51∶0.35,坍落度为150 mm。水泥为P·O42.5级普通硅酸盐水泥,砂为赣江江砂,石子最大粒径为25 mm,采用自来水拌合。混凝土28 d立方体抗压强度为42.67 MPa。
表1 试验用钢筋力学性能钢筋类型直径/mm 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/%
图2 钢筋混凝土梁配筋示意图(单位:mm)
2.2 试验装置
疲劳试验在MTS电液伺服疲劳试验机上完成,垂直荷载动静态最大值为500 kN,量程范围为±100 mm。腐蚀环境下疲劳试验装置如图3所示。
2.3 试验方法
钢筋混凝土梁的四点弯曲疲劳试验采用荷载控制,见图3。试验梁在自然环境下养护90 d后,将其置于盛有含不同浓度NaCl溶液(2.5%、3.5%、5%、10%)的腐蚀箱中,对试验梁浸泡1 d进行预腐蚀,然后将其放入疲劳试验装置中进行不同腐蚀环境下疲劳试验,与此同时施加杂散电流。试验参数设置为:应力水平r(即疲劳荷载极大值与试验梁的静载极限承载力比值:r=Fmax/Pu,式中Pu取75 kN)为0.6、0.7和0.8,加载频率为3.5 Hz,正弦波加载;氯离子浓度为2.5%、3.5%、5%、10%;杂散电流强度为10、20、30和40 V,具体试验方案如表2所示。疲劳荷载作用方式采用四点弯曲疲劳加载,四点弯曲试验梁的2个支撑点距离为1 000 mm。腐蚀箱中NaCl溶液静止液面与试验梁底部主筋齐平。杂散电流采用可控硅直流电源所提供的直流电进行模拟。试验梁主筋通过导线与电源正极、腐蚀箱中不锈钢板与电源负极相联。疲劳试验中,采用YHD-50动态挠度仪与306DF智能信号采集处理分析仪同步记录试验梁的跨中最大挠度dmax。因疲劳试验结果存在一定的离散性,所用数据结果均取3根试件试验数据的平均值。
文章来源:《中国骨与关节损伤杂志》 网址: http://www.zggygjsszzzz.cn/qikandaodu/2021/0525/552.html
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