钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述

30

世界桥梁

2004年第3期

钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述

查全, 肖建庄

(同济大学建筑工程系, 上海200092)

摘 要:混凝土结构的疲劳问题已引起了许多土木工程师的关注, 结构中最常见的钢筋混凝土梁, 已有大量学者对其疲劳性能进行了研究。在研究国内外有关文献的基础上, 总结了钢筋混凝土梁疲劳研究的进展情况, 分析了影响钢筋混凝土梁疲劳破坏的影响因素, 论述了钢筋混凝土梁发生疲劳破坏的判据和破坏形态, 并在理论和试验对比分析基础上, 提出钢筋混凝土梁疲劳设计的有关建议。

关键词:钢筋混凝土梁; 疲劳性能; 疲劳设计; 疲劳试验; 综述中图分类号:TU37;U446. 1

文献标识码:A

文章编号:1671-7767(2004) 03-0030-05

0 前 言

钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构通常主要承受静载作用, 但在实际工程中还有许多结构, 如桥梁、吊车梁及海洋平台等结构, 除了承受静载作用外, 还要经常承受重复循环荷载作用。随着这些经常承受重复荷载作用结构应用的日益广泛, 以及高强混凝土、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。梁作为混凝土结构中最基本的构件, 许多学者对其疲劳性能已做了大量的研究。本文对国内外钢筋混凝土梁的疲劳性能的研究现状进行了回顾和分析, 以求对钢筋混凝土梁的疲劳性能有进一步的了解。

研究者 李秀芬等陈浩军等李惠民等易 成等华 渊等3) 吕海燕等赵灿晖等翟爱良等Susanto Teng 等Byung Hwan Oh 等

混凝土强度/MPa

66~7735. 4315~25

81. 62

(局部高密度钢纤维混凝土) 30

(混杂纤维增强混凝土)

50~60(预应力混凝土) (预应力混凝土)

20~304030

1 钢筋混凝土梁疲劳试验概况

类似于钢筋混凝土梁的普通静载试验, 钢筋混凝土梁的疲劳试验同样包括正截面受弯试验和斜截面抗剪试验。由于疲劳试验的特点, 根据循环次数的多少又可分为低周疲劳试验和高周疲劳试验; 根据重复荷载的特征可分为等幅疲劳试验和变幅疲劳试验。表1列出了国内外一些学者做的疲劳试验, 从中可以看出, 在钢筋混凝土梁疲劳性能研究方面, 混凝土的强度等级已从C15到C70; 既有一般混凝土, 也有纤维混凝土和预应力混凝土; 梁的截面形式有普通的矩形梁, 也有T 形薄腹梁; 加载方式既有三分点加载, 也有两分点弯曲加载。

表1 国内外钢筋混凝土梁疲劳试验一览表

试件尺寸1) 及说明 120 200 2000150 150 550T 形薄腹梁100 100 400100 100 300L =4000

h /L =1/12~1/17L =3800T 形薄腹梁75 150 1100175 800 3800150 250 2400

等幅加载方式2)

S max =0. 3, 0. 4, 0. 5, 0. 6; S min =0. 1S max =0. 3, 0. 4, 0. 5, 0. 6, 0. 7, 0. 8, 0. 9; =0. 1 =0. 1

S max =0. 9, 0. 85, 0. 8, 0. 75; =0. 058, 0. 065, 0. 1, 0. 16, 0. 236

S max =0. 5, 0. 55, 0. 6, 0. 65, 0. 7, 0. 75, 0. 8; =1/6f =3Hz

S max =0. 508~1. 040

S max =0. 45, 0. 5, 0. 6; =0. 1S max =0. 8; =0. 375

S max =0. 6, 0. 7, 0. 8; =0. 125~0. 17; f =3Hz

注:1) 试件尺寸以mm 计; 2) S max 、S min 分别为疲劳荷载最大应力水平M max /M u 和最小应力水平M min /M u , M max 、M m in 分别为疲劳荷载

的上限弯矩和下限弯矩; 3) 为两分点弯曲加载, 其它为三分点加载。

收稿日期:2003-12-31

基金项目:上海市青年科技启明星计划资助(编号01QF14041)

(,

钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述 查全, 肖建庄

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对于不同配筋率的情况, 定义了一个界限配筋

2 钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态2. 1 钢筋混凝土梁正截面疲劳性能研究

清华大学的李秀芬等[1]通过对11片混凝土简支梁的静载和等幅疲劳荷载试验, 分析研究了受弯构件的疲劳特性, 给出了受压区混凝土应力、纵向受拉钢筋应力的计算方法以及钢筋的疲劳强度设计取值, 得到了作为控制梁的疲劳承载能力极限状态的S N 曲线, 并提出高强混凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下正截面疲劳设计方法。根据试验结果得出的主要结论有:按静载设计的适筋梁, 正截面抗弯疲劳破坏均为纵向受拉钢筋的疲劳断裂。钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下, 正截面平均应变仍然符合平截面假定, 受压区混凝土的应力分布可采用三角形应力分布; 需要对受压区混凝土的弯曲变形模量进行折减。

通过对11片梁中首先疲劳断裂的钢筋应力及对应的疲劳次数取对数进行线性回归统计, 得出梁内受拉钢筋的S N 关系方程为:log N =21. 710-6. 451log ma x -2. 880log (1- )

(1)

式中, N 为疲劳循环次数, ma x 为钢筋的最大应力值, 为应力比, = min / max 。

通过试验结果可知, 随疲劳荷载作用次数的增加, 梁的挠度和混凝土应变增大, 疲劳变形模量降低。由统计计算可得, 高强混凝土的弯曲变形模量E b 为受压弹性模量E c 的0. 875倍, 即:

E b =0. 875E c

疲劳变形模量降低系数的回归方程为:

=0. 982-0. 027log N

根据以上两式可得疲劳变形模量为:

f

E b

f

率! c :当配筋率小于界限配筋率! c 时, 试件呈弯拉破坏; 当配筋率大于界限配筋率! c 时, 试件呈剪压破坏。同时根据不同的配筋情况也给出了相应的疲劳方程:

当! c 时,

S =0. 9490+0. 1586! -(0. 1131-0. 0190! ) lg N

当! ! c 时,

S =0. 9671-0. 0935lg N (6)

[3]

在国外, Tien S. Chang 和Clyde E. Kesler 进行了部分钢筋混凝土梁的疲劳试验, 主要结论为:重复荷载的应力水平将决定疲劳破坏的形态, 低应力水平的重复荷载将导致弯曲疲劳破坏, 以钢筋的疲劳断裂为标志; 高应力水平的重复荷载将导致剪切疲劳破坏。

从国内外对钢筋混凝土梁疲劳破坏形态研究的情况可以看到, 钢筋混凝土梁的配筋率是影响破坏形态的关键因素, 对于在实际工程中使用的适筋梁, 是由钢筋的疲劳断裂起控制作用, 破坏形态是正截面抗弯疲劳破坏。当梁的配筋率增大时, 梁的疲劳破坏形态将转变为斜截面混凝土疲劳破坏或受压区混凝土压碎疲劳破坏。国外的部分学者认为疲劳荷载的应力水平对钢筋混凝土梁疲劳破坏的形态有一定的影响, 这方面有待进一步研究。2. 2 钢筋混凝土梁斜截面疲劳性能研究

许多承受重复荷载的梁, 往往同时配有箍筋和弯起钢筋, 所以对于同时配有箍筋和弯起钢筋的钢筋混凝土梁, 其斜截面疲劳性能是其疲劳性能的一个重要方面。

(3) (4)

李惠民和顾传霖[4]通过30片T 形梁(其中21片梁腹筋只配箍筋, 另外9片梁同时配有箍筋和弯筋) 在重复荷载作用下的试验研究和分析, 提出了考虑混凝土抗剪作用的斜截面疲劳强度的计算方法及腹筋疲劳破坏的判别条件。试验结果表明, 剪跨比∀! 1. 0的梁, 经重复加载后沿斜截面的破坏为斜压疲劳破坏。剪跨比∀ 1. 5的梁经重复加载后沿斜截面的破坏为剪压疲劳破坏。在重复荷载作用下, 腹筋应力不断提高, 腹筋所分担的剪力不断增大, 相应地混凝土所分担的剪力不断减小。因此, 在重复荷载作用下, 斜截面发生疲劳破坏, 通常都是因腹筋先疲劳破坏而引起的。同时试验结果表明, 与斜裂缝相交的各腹筋的应力是很不均匀的, 总是最不利(5)

(2)

=(0. 86-0. 024log N ) E c

陈浩军等[2]在钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态方面也进行了研究。对不同配筋率的钢筋混凝土简支梁(550mm 150mm 150mm) 进行了等幅疲劳荷载试验研究, 试验试件共60片梁, 试件配筋率分别为0%, 0. 29%, 0. 487%, 0. 934%和1. 946%。试验结果表明:钢筋混凝土试件疲劳破坏包括钢筋疲劳破坏和混凝土疲劳破坏。钢筋疲劳破坏以受拉钢筋拉断为标志; 混凝土疲劳破坏又包括试件斜截面疲劳破坏和受压区混凝土压碎疲劳破坏。影响疲劳破坏形式的因素包括:配筋率、剪跨比、试件截面特性

32

Susanto Teng 等[5]进行了12片钢筋混凝土深梁的疲劳试验, 在试验中研究了3种不同配箍形式的深梁, 分别为不配箍、垂直配箍和斜向配箍。试验结果表明, 不同的配箍形式对钢筋混凝土梁的疲劳性能有显著的影响, 与其它两种配箍形式相比, 斜向配箍的钢筋混凝土深梁有最高的疲劳强度, 而且梁的变形和裂缝长度都比较小, 试验结果同样验证了疲劳荷载的应力幅值越大, 则构件的疲劳寿命越短。

通过总结国内外学者的研究可以看到, 斜截面发生疲劳破坏通常都是由箍筋的疲劳断裂引起的, 所以配箍率将显著影响钢筋混凝土梁的斜截面疲劳性能, 而且不同的配箍形式的钢筋混凝土梁疲劳性能也有明显的差别。

3 影响钢筋混凝土梁的疲劳性能的因素3. 1 材料对钢筋混凝土梁疲劳性能的影响

混凝土发生疲劳破坏是一个损伤累积的过程。在混凝土材料中加入一些掺合料, 如粉煤灰、磨细矿渣和纤维等, 可以减少混凝土初始缺陷, 在损伤累积过程中抑制裂缝的产生和发展, 从而提高混凝土梁的力学性能。高强混凝土和高性能混凝土的应用已非常广泛, 清华大学李秀芬等[1]进行的便是高强混凝土梁的疲劳性能试验, 试验结果表明, 在正常配筋条件下, 高强混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲劳性能。

在普通混凝土材料中加入钢纤维同样可以显著地提高混凝土的疲劳性能。一些学者对局部高密度钢纤维混凝土的弯曲疲劳性能进行了研究, 试验结果表明, 局部高密度钢纤维混凝土有漫长的疲劳寿命, 疲劳寿命高于素混凝土以及同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土。根据∀等效疲劳寿命#的概念, 建立了考虑存活率的P lg S lg N 双对数疲劳方程:

当失效概率P ∃=0. 05时, P lg S lg N 方程为:

lg S =0. 0149-0. 03422(1-R 2) lg N

(7)

当失效概率P ∃=0. 5时, P lg S lg N 方程为:

lg S =0. 03204-0. 03084(1-R 2) lg N (8) 混杂纤维的加入同样可以大大改善混凝土材料的弯曲疲劳性能和疲劳寿命[7], 但对抗压疲劳性能提高不明显。其中碳纤维对提高材料的抗弯疲劳性能起了主要作用, 单一聚丙烯纤维对抗弯疲劳性能的提高作用很有限, 两种纤维对混杂纤维增强混凝土抗弯疲劳性能的贡献表现为正的混杂效应, 同时, 在一定掺量范围内, 抗弯疲劳性能的改善程度随混[6]

世界桥梁

2004年第3期

得到混杂纤维增强混凝土的疲劳寿命方程如下:

S =A -B lg N

A =0. 901+10. 8V cf +2. 78V pf B =0. 064+1. 24V cf +0. 276V pf

式中, V cf 、V pf 分别为碳纤维和聚丙烯纤维的体积百分率。

Tarig Ahmed 等进行了16片梁的疲劳试验, 其中8片梁的混凝土进行了碱性硅酸盐反应处理, 另外8片梁为普通混凝土梁, 对试验结果进行比较, 分析碱性硅酸盐反应对混凝土梁疲劳性能的影响, 试验结果表明, 碱性硅酸盐反应可以显著地增强梁的抗剪性能, 同时可以增加梁的寿命。

由此可见, 材料对钢筋混凝土梁的疲劳性能影响是非常大的, 在混凝土材料中加入掺合料或进行一些处理可以显著地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能, 所以当结构对疲劳性能要求比较高时, 从材料层面上着手不失为比较好的方法。

3. 2 不同结构形式对梁的疲劳性能的影响3. 2. 1 预应力混凝土梁

预应力混凝土梁包括全预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁。研究表明:对于全预应力混凝土梁(即截面不出现拉应力的情况) , 疲劳荷载对其疲劳性能影响很小, 主要表现在对变形的影响很小; 而对于不允许出现裂缝和允许出现裂缝的部分预应力混凝土梁, 疲劳荷载对其变形有明显的影响。影响疲劳荷载作用下变形增加的主要因素是截面的应力状态, 即截面下边缘拉应力的情况。定义预应力度∀来反映该项影响:

∀=M 0/M

弯矩。

研究结果表明, 预应力度∀越大, 梁的挠度增量较小; 预应力度∀越小, 梁的挠度增量较大, 所以对于承受疲劳荷载作用的部分预应力梁, 预应力度不宜太低。

由于一般的部分预应力混凝土梁都是允许带裂缝工作的, 所以斜裂缝的存在使箍筋的工作处于严峻的情况, 很容易发生疲劳荷载作用下的斜截面受剪破坏。部分学者的研究表明[10], 部分预应力混凝土梁的破坏过程基本上都是在重复荷载作用下, 梁的内力发生重分布, 箍筋应力随荷载作用次数的增加逐渐增大, 受力最大的首先疲劳断裂, 剩余的箍筋和混凝土不足以继续承受疲劳上限剪力, 最终剩余, (10)

式中, M 0为截面消压弯矩, M 为使用荷载产生的

[9]

[8]

(9)

钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述 查全, 肖建庄

33

显著的影响, 斜向配箍的钢筋混凝土梁具有较高的疲劳强度。

(2) 外掺纤维可以显著地提高混凝土梁的疲劳性能。掺入钢纤维、聚丙烯纤维的混凝土表现出比普通混凝土更好的疲劳性能, 特别是表现在弯曲疲劳性能的提高, 但疲劳强度和疲劳寿命的提高程度与纤维的掺量有密切的关系; 当同时掺入碳纤维和聚丙烯纤维时, 由于正混杂效应, 对疲劳性能的提高更加显著。

(3) 预应力混凝土梁截面的应力状态将显著地影响疲劳荷载作用下梁的受力性能和变形性能, 增大预应力度将提高梁的疲劳性能。斜裂缝的开展仍然是影响预应力混凝土梁斜截面疲劳性能的重要因素。

(4) 粘钢加固对于加固后钢筋混凝土梁的疲劳性能有很大的影响。合适的粘钢加固方法可以大幅度地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能, 同时改变了普通钢筋混凝土梁疲劳破坏形态, 由通常的纯弯段的正截面破坏变为剪压区的斜截面剪压破坏; 同时梁的刚度也有比较明显的提高。但对于粘钢加固方法对钢筋混凝土梁的疲劳性能的提高程度, 以及具体的设计计算方法仍然需要进一步的研究。参 考 文 献:

[1]李秀芬, 吴佩刚, 赵光仪. 高强混凝土梁抗弯疲劳性能的

试验研究[J].土木工程学报, 1997, 30(5) :37-42. [2]陈浩军, 彭艺斌, 张起森. 冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件

疲劳性能的试验研究[J]. 东南大学学报, 2002, 32(5) :737-740.

[3]Tien S Chang, Clyde E Kesler. Fatigue behavior of reinforced

concrete beams[J]. ACI Journal Proceedings, 1958, 55(8) :245-254.

[4]李惠民, 顾传霖. 钢筋混凝土梁斜截面疲劳强度及裂缝

控制[J].建筑结构学报, 1989, 10(6) :2-9.

[5]Susanto T eng, Wei Ma, Fang Wang. Shear strength of concrete

deep beams under fati gue[J]. ACI Structural Journal, 2000, 97(4) :572-580.

[6]易 成, 沈世钊, 谢和平. 局部高密度钢纤维混凝土弯曲

疲劳性能研究[J].土木工程学报, 2001, 34(6) :1-6. [7]华 渊, 张少波, 姜稚清. 混杂纤维增强混凝土弯曲疲劳

性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品, 1997, (4) :40-43.

[8]Tarig Ahmed, Eldon Burley, Stephen Rigden. The state and fa

tigue strength of rein forced concrete beams affected by alkali-silica reaction[J]. ACI Materials Journal, 1998, 95(4) :376-筋混凝土梁发生斜截面疲劳破坏的情况, 可以认为, 部分预应力混凝土梁的斜截面疲劳破坏是由箍筋的疲劳断裂引起的, 第1根箍筋的疲劳断裂是梁达到斜截面疲劳极限状态的标志。

A. M. Ozell 和E. Ardaman [11]进行了8片先张法预应力钢筋混凝土梁的疲劳试验, 试验结果表明, 预应力筋的疲劳断裂是梁疲劳破坏的原因, 在疲劳加载的前期, 梁的变形很小, 但随着加载次数的增加, 在加载后期梁的挠度有显著的增大; 在疲劳试验过程中, 支座处没有出现剪切裂缝, 说明是梁的正截面疲劳破坏起控制作用。3. 2. 2 补强加固后的混凝土梁

粘钢加固是一种常用的加固混凝土梁的方法, 大量研究已经表明, 粘钢加固可以大幅度提高钢筋混凝土梁的静载强度, 对于其疲劳性能, 国内外部分学者也做了许多研究。

国内其他一些学者的研究也表明[12], 当粘钢补强方法适当时, 加固梁较对比梁的疲劳性能有明显提高, 其裂缝产生时间也显著地延长。在通常情况下, 混凝土原梁在重复荷载作用下, 其疲劳破坏均发生在跨中的纯弯段上; 而经粘钢补强的加固梁, 则常因为梁端剪力区补强方式不够妥善, 而使疲劳破坏多发生在梁端附近弯剪作用区, 且多在沿45%的主拉应力方向。经粘钢补强后的加固梁的刚度都有明显的提高, 混凝土梁正截面加固底部钢板对加固梁刚度的提高起了主要作用, 底部钢板厚度越大, 刚度提高越多。

Byung Hwan Oh 等人同样研究了粘钢加固钢筋混凝土梁的静载和疲劳性能, 试验中考虑了钢板厚度、锚固层厚度和剪跨比等因素的影响。疲劳试验的结果表明, 粘钢加固后梁的疲劳力学性能有显著的增强, 承受同样次数的疲劳荷载后, 加固后的梁与未加固的梁相比, 其变形有大幅度的下降。

通过总结国内外研究结果可以看到, 粘钢加固对钢筋混凝土梁疲劳性能影响较大, 加固后的梁疲劳性能有显著的增强, 不仅开裂延迟而且疲劳强度也获得提高。

4 主要结论

(1) 钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态主要包括正截面疲劳破坏和斜截面疲劳破坏。决定疲劳破坏形态的关键因素是配筋率, 当配筋率小于界限配筋率时为正截面弯拉破坏, 当配筋率大于界限配筋率时[13]

34

[9]吕海燕, 戴公连, 李德建. 预应力混凝土梁在疲劳荷载作

用下的变形[J]. 长沙铁道学院学报, 1998, 16(1) :24-28.

[10]赵灿晖, 刘日圣, 江炳章. 重复荷载作用下无粘结部分

预应力混凝土梁的抗剪强度[J].中国公路学报, 2000, 13(4) :42-46.

[11]A M Ozell, E Ardaman. Fatigue tests of pre tensioned pre

stressed beams[J]. ACI Journal Proceedings. 1956, 53(10) :

413-424.

世界桥梁

2004年第3期

[12]翟爱良, 孙兆明, 冯耀奇. 粘钢加固混凝土梁疲劳性能

的试验研究[J].青岛建筑工程学院学报, 2002, 23(3) :7-11.

[13]Byung Hwan Oh, Jae Yeol Cho , Dae Gyun Park. Static and fa

tigue behavior of reinforced concrete beams s trengthened with steel plates for flexure[J]. ASCE Journal of Structural Engi neering, 2003, 129(4) :527-535.

An Overview of Domestic and Foreign Researches of

Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams

ZHA Qu an fan, XIAO Jian zhu ang

(Department of B uilding Engineering, Tongji Uni versity, Shanghai 200092, China)

Abstract:The fatigue problem of concrete structures has aroused much concern from civil engineers. Lots of scholars have c onduc ted their researches of the fatigue behavior of reinforced c oncrete (RC) beams that are very common in the concrete structures. Based on a multitude of domestic and foreign literatures, this paper sum marizes the development of the fatigue researches of the RC beams, analyzes the factors that may ha ve an effect on the fatigue failure of the beams, discusses the judgment of the fatigue failure and failure modes of the bea ms, and eventually, makes proposals on fatigue design of the bea ms on the basis of investigation and com parison of the theory and experiments.

Key words:reinforced c oncrete beam; fatigue behavior; fatigue design; fatigue experiment; overview

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&桥梁建设∋编辑部

2004年9月

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钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述

查全, 肖建庄

(同济大学建筑工程系, 上海200092)

摘 要:混凝土结构的疲劳问题已引起了许多土木工程师的关注, 结构中最常见的钢筋混凝土梁, 已有大量学者对其疲劳性能进行了研究。在研究国内外有关文献的基础上, 总结了钢筋混凝土梁疲劳研究的进展情况, 分析了影响钢筋混凝土梁疲劳破坏的影响因素, 论述了钢筋混凝土梁发生疲劳破坏的判据和破坏形态, 并在理论和试验对比分析基础上, 提出钢筋混凝土梁疲劳设计的有关建议。

关键词:钢筋混凝土梁; 疲劳性能; 疲劳设计; 疲劳试验; 综述中图分类号:TU37;U446. 1

文献标识码:A

文章编号:1671-7767(2004) 03-0030-05

0 前 言

钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构通常主要承受静载作用, 但在实际工程中还有许多结构, 如桥梁、吊车梁及海洋平台等结构, 除了承受静载作用外, 还要经常承受重复循环荷载作用。随着这些经常承受重复荷载作用结构应用的日益广泛, 以及高强混凝土、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。梁作为混凝土结构中最基本的构件, 许多学者对其疲劳性能已做了大量的研究。本文对国内外钢筋混凝土梁的疲劳性能的研究现状进行了回顾和分析, 以求对钢筋混凝土梁的疲劳性能有进一步的了解。

研究者 李秀芬等陈浩军等李惠民等易 成等华 渊等3) 吕海燕等赵灿晖等翟爱良等Susanto Teng 等Byung Hwan Oh 等

混凝土强度/MPa

66~7735. 4315~25

81. 62

(局部高密度钢纤维混凝土) 30

(混杂纤维增强混凝土)

50~60(预应力混凝土) (预应力混凝土)

20~304030

1 钢筋混凝土梁疲劳试验概况

类似于钢筋混凝土梁的普通静载试验, 钢筋混凝土梁的疲劳试验同样包括正截面受弯试验和斜截面抗剪试验。由于疲劳试验的特点, 根据循环次数的多少又可分为低周疲劳试验和高周疲劳试验; 根据重复荷载的特征可分为等幅疲劳试验和变幅疲劳试验。表1列出了国内外一些学者做的疲劳试验, 从中可以看出, 在钢筋混凝土梁疲劳性能研究方面, 混凝土的强度等级已从C15到C70; 既有一般混凝土, 也有纤维混凝土和预应力混凝土; 梁的截面形式有普通的矩形梁, 也有T 形薄腹梁; 加载方式既有三分点加载, 也有两分点弯曲加载。

表1 国内外钢筋混凝土梁疲劳试验一览表

试件尺寸1) 及说明 120 200 2000150 150 550T 形薄腹梁100 100 400100 100 300L =4000

h /L =1/12~1/17L =3800T 形薄腹梁75 150 1100175 800 3800150 250 2400

等幅加载方式2)

S max =0. 3, 0. 4, 0. 5, 0. 6; S min =0. 1S max =0. 3, 0. 4, 0. 5, 0. 6, 0. 7, 0. 8, 0. 9; =0. 1 =0. 1

S max =0. 9, 0. 85, 0. 8, 0. 75; =0. 058, 0. 065, 0. 1, 0. 16, 0. 236

S max =0. 5, 0. 55, 0. 6, 0. 65, 0. 7, 0. 75, 0. 8; =1/6f =3Hz

S max =0. 508~1. 040

S max =0. 45, 0. 5, 0. 6; =0. 1S max =0. 8; =0. 375

S max =0. 6, 0. 7, 0. 8; =0. 125~0. 17; f =3Hz

注:1) 试件尺寸以mm 计; 2) S max 、S min 分别为疲劳荷载最大应力水平M max /M u 和最小应力水平M min /M u , M max 、M m in 分别为疲劳荷载

的上限弯矩和下限弯矩; 3) 为两分点弯曲加载, 其它为三分点加载。

收稿日期:2003-12-31

基金项目:上海市青年科技启明星计划资助(编号01QF14041)

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钢筋混凝土梁疲劳性能国内外研究综述 查全, 肖建庄

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对于不同配筋率的情况, 定义了一个界限配筋

2 钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态2. 1 钢筋混凝土梁正截面疲劳性能研究

清华大学的李秀芬等[1]通过对11片混凝土简支梁的静载和等幅疲劳荷载试验, 分析研究了受弯构件的疲劳特性, 给出了受压区混凝土应力、纵向受拉钢筋应力的计算方法以及钢筋的疲劳强度设计取值, 得到了作为控制梁的疲劳承载能力极限状态的S N 曲线, 并提出高强混凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下正截面疲劳设计方法。根据试验结果得出的主要结论有:按静载设计的适筋梁, 正截面抗弯疲劳破坏均为纵向受拉钢筋的疲劳断裂。钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下, 正截面平均应变仍然符合平截面假定, 受压区混凝土的应力分布可采用三角形应力分布; 需要对受压区混凝土的弯曲变形模量进行折减。

通过对11片梁中首先疲劳断裂的钢筋应力及对应的疲劳次数取对数进行线性回归统计, 得出梁内受拉钢筋的S N 关系方程为:log N =21. 710-6. 451log ma x -2. 880log (1- )

(1)

式中, N 为疲劳循环次数, ma x 为钢筋的最大应力值, 为应力比, = min / max 。

通过试验结果可知, 随疲劳荷载作用次数的增加, 梁的挠度和混凝土应变增大, 疲劳变形模量降低。由统计计算可得, 高强混凝土的弯曲变形模量E b 为受压弹性模量E c 的0. 875倍, 即:

E b =0. 875E c

疲劳变形模量降低系数的回归方程为:

=0. 982-0. 027log N

根据以上两式可得疲劳变形模量为:

f

E b

f

率! c :当配筋率小于界限配筋率! c 时, 试件呈弯拉破坏; 当配筋率大于界限配筋率! c 时, 试件呈剪压破坏。同时根据不同的配筋情况也给出了相应的疲劳方程:

当! c 时,

S =0. 9490+0. 1586! -(0. 1131-0. 0190! ) lg N

当! ! c 时,

S =0. 9671-0. 0935lg N (6)

[3]

在国外, Tien S. Chang 和Clyde E. Kesler 进行了部分钢筋混凝土梁的疲劳试验, 主要结论为:重复荷载的应力水平将决定疲劳破坏的形态, 低应力水平的重复荷载将导致弯曲疲劳破坏, 以钢筋的疲劳断裂为标志; 高应力水平的重复荷载将导致剪切疲劳破坏。

从国内外对钢筋混凝土梁疲劳破坏形态研究的情况可以看到, 钢筋混凝土梁的配筋率是影响破坏形态的关键因素, 对于在实际工程中使用的适筋梁, 是由钢筋的疲劳断裂起控制作用, 破坏形态是正截面抗弯疲劳破坏。当梁的配筋率增大时, 梁的疲劳破坏形态将转变为斜截面混凝土疲劳破坏或受压区混凝土压碎疲劳破坏。国外的部分学者认为疲劳荷载的应力水平对钢筋混凝土梁疲劳破坏的形态有一定的影响, 这方面有待进一步研究。2. 2 钢筋混凝土梁斜截面疲劳性能研究

许多承受重复荷载的梁, 往往同时配有箍筋和弯起钢筋, 所以对于同时配有箍筋和弯起钢筋的钢筋混凝土梁, 其斜截面疲劳性能是其疲劳性能的一个重要方面。

(3) (4)

李惠民和顾传霖[4]通过30片T 形梁(其中21片梁腹筋只配箍筋, 另外9片梁同时配有箍筋和弯筋) 在重复荷载作用下的试验研究和分析, 提出了考虑混凝土抗剪作用的斜截面疲劳强度的计算方法及腹筋疲劳破坏的判别条件。试验结果表明, 剪跨比∀! 1. 0的梁, 经重复加载后沿斜截面的破坏为斜压疲劳破坏。剪跨比∀ 1. 5的梁经重复加载后沿斜截面的破坏为剪压疲劳破坏。在重复荷载作用下, 腹筋应力不断提高, 腹筋所分担的剪力不断增大, 相应地混凝土所分担的剪力不断减小。因此, 在重复荷载作用下, 斜截面发生疲劳破坏, 通常都是因腹筋先疲劳破坏而引起的。同时试验结果表明, 与斜裂缝相交的各腹筋的应力是很不均匀的, 总是最不利(5)

(2)

=(0. 86-0. 024log N ) E c

陈浩军等[2]在钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态方面也进行了研究。对不同配筋率的钢筋混凝土简支梁(550mm 150mm 150mm) 进行了等幅疲劳荷载试验研究, 试验试件共60片梁, 试件配筋率分别为0%, 0. 29%, 0. 487%, 0. 934%和1. 946%。试验结果表明:钢筋混凝土试件疲劳破坏包括钢筋疲劳破坏和混凝土疲劳破坏。钢筋疲劳破坏以受拉钢筋拉断为标志; 混凝土疲劳破坏又包括试件斜截面疲劳破坏和受压区混凝土压碎疲劳破坏。影响疲劳破坏形式的因素包括:配筋率、剪跨比、试件截面特性

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Susanto Teng 等[5]进行了12片钢筋混凝土深梁的疲劳试验, 在试验中研究了3种不同配箍形式的深梁, 分别为不配箍、垂直配箍和斜向配箍。试验结果表明, 不同的配箍形式对钢筋混凝土梁的疲劳性能有显著的影响, 与其它两种配箍形式相比, 斜向配箍的钢筋混凝土深梁有最高的疲劳强度, 而且梁的变形和裂缝长度都比较小, 试验结果同样验证了疲劳荷载的应力幅值越大, 则构件的疲劳寿命越短。

通过总结国内外学者的研究可以看到, 斜截面发生疲劳破坏通常都是由箍筋的疲劳断裂引起的, 所以配箍率将显著影响钢筋混凝土梁的斜截面疲劳性能, 而且不同的配箍形式的钢筋混凝土梁疲劳性能也有明显的差别。

3 影响钢筋混凝土梁的疲劳性能的因素3. 1 材料对钢筋混凝土梁疲劳性能的影响

混凝土发生疲劳破坏是一个损伤累积的过程。在混凝土材料中加入一些掺合料, 如粉煤灰、磨细矿渣和纤维等, 可以减少混凝土初始缺陷, 在损伤累积过程中抑制裂缝的产生和发展, 从而提高混凝土梁的力学性能。高强混凝土和高性能混凝土的应用已非常广泛, 清华大学李秀芬等[1]进行的便是高强混凝土梁的疲劳性能试验, 试验结果表明, 在正常配筋条件下, 高强混凝土梁具有比普通混凝土梁更好的疲劳性能。

在普通混凝土材料中加入钢纤维同样可以显著地提高混凝土的疲劳性能。一些学者对局部高密度钢纤维混凝土的弯曲疲劳性能进行了研究, 试验结果表明, 局部高密度钢纤维混凝土有漫长的疲劳寿命, 疲劳寿命高于素混凝土以及同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土。根据∀等效疲劳寿命#的概念, 建立了考虑存活率的P lg S lg N 双对数疲劳方程:

当失效概率P ∃=0. 05时, P lg S lg N 方程为:

lg S =0. 0149-0. 03422(1-R 2) lg N

(7)

当失效概率P ∃=0. 5时, P lg S lg N 方程为:

lg S =0. 03204-0. 03084(1-R 2) lg N (8) 混杂纤维的加入同样可以大大改善混凝土材料的弯曲疲劳性能和疲劳寿命[7], 但对抗压疲劳性能提高不明显。其中碳纤维对提高材料的抗弯疲劳性能起了主要作用, 单一聚丙烯纤维对抗弯疲劳性能的提高作用很有限, 两种纤维对混杂纤维增强混凝土抗弯疲劳性能的贡献表现为正的混杂效应, 同时, 在一定掺量范围内, 抗弯疲劳性能的改善程度随混[6]

世界桥梁

2004年第3期

得到混杂纤维增强混凝土的疲劳寿命方程如下:

S =A -B lg N

A =0. 901+10. 8V cf +2. 78V pf B =0. 064+1. 24V cf +0. 276V pf

式中, V cf 、V pf 分别为碳纤维和聚丙烯纤维的体积百分率。

Tarig Ahmed 等进行了16片梁的疲劳试验, 其中8片梁的混凝土进行了碱性硅酸盐反应处理, 另外8片梁为普通混凝土梁, 对试验结果进行比较, 分析碱性硅酸盐反应对混凝土梁疲劳性能的影响, 试验结果表明, 碱性硅酸盐反应可以显著地增强梁的抗剪性能, 同时可以增加梁的寿命。

由此可见, 材料对钢筋混凝土梁的疲劳性能影响是非常大的, 在混凝土材料中加入掺合料或进行一些处理可以显著地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能, 所以当结构对疲劳性能要求比较高时, 从材料层面上着手不失为比较好的方法。

3. 2 不同结构形式对梁的疲劳性能的影响3. 2. 1 预应力混凝土梁

预应力混凝土梁包括全预应力混凝土梁和部分预应力混凝土梁。研究表明:对于全预应力混凝土梁(即截面不出现拉应力的情况) , 疲劳荷载对其疲劳性能影响很小, 主要表现在对变形的影响很小; 而对于不允许出现裂缝和允许出现裂缝的部分预应力混凝土梁, 疲劳荷载对其变形有明显的影响。影响疲劳荷载作用下变形增加的主要因素是截面的应力状态, 即截面下边缘拉应力的情况。定义预应力度∀来反映该项影响:

∀=M 0/M

弯矩。

研究结果表明, 预应力度∀越大, 梁的挠度增量较小; 预应力度∀越小, 梁的挠度增量较大, 所以对于承受疲劳荷载作用的部分预应力梁, 预应力度不宜太低。

由于一般的部分预应力混凝土梁都是允许带裂缝工作的, 所以斜裂缝的存在使箍筋的工作处于严峻的情况, 很容易发生疲劳荷载作用下的斜截面受剪破坏。部分学者的研究表明[10], 部分预应力混凝土梁的破坏过程基本上都是在重复荷载作用下, 梁的内力发生重分布, 箍筋应力随荷载作用次数的增加逐渐增大, 受力最大的首先疲劳断裂, 剩余的箍筋和混凝土不足以继续承受疲劳上限剪力, 最终剩余, (10)

式中, M 0为截面消压弯矩, M 为使用荷载产生的

[9]

[8]

(9)

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显著的影响, 斜向配箍的钢筋混凝土梁具有较高的疲劳强度。

(2) 外掺纤维可以显著地提高混凝土梁的疲劳性能。掺入钢纤维、聚丙烯纤维的混凝土表现出比普通混凝土更好的疲劳性能, 特别是表现在弯曲疲劳性能的提高, 但疲劳强度和疲劳寿命的提高程度与纤维的掺量有密切的关系; 当同时掺入碳纤维和聚丙烯纤维时, 由于正混杂效应, 对疲劳性能的提高更加显著。

(3) 预应力混凝土梁截面的应力状态将显著地影响疲劳荷载作用下梁的受力性能和变形性能, 增大预应力度将提高梁的疲劳性能。斜裂缝的开展仍然是影响预应力混凝土梁斜截面疲劳性能的重要因素。

(4) 粘钢加固对于加固后钢筋混凝土梁的疲劳性能有很大的影响。合适的粘钢加固方法可以大幅度地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能, 同时改变了普通钢筋混凝土梁疲劳破坏形态, 由通常的纯弯段的正截面破坏变为剪压区的斜截面剪压破坏; 同时梁的刚度也有比较明显的提高。但对于粘钢加固方法对钢筋混凝土梁的疲劳性能的提高程度, 以及具体的设计计算方法仍然需要进一步的研究。参 考 文 献:

[1]李秀芬, 吴佩刚, 赵光仪. 高强混凝土梁抗弯疲劳性能的

试验研究[J].土木工程学报, 1997, 30(5) :37-42. [2]陈浩军, 彭艺斌, 张起森. 冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件

疲劳性能的试验研究[J]. 东南大学学报, 2002, 32(5) :737-740.

[3]Tien S Chang, Clyde E Kesler. Fatigue behavior of reinforced

concrete beams[J]. ACI Journal Proceedings, 1958, 55(8) :245-254.

[4]李惠民, 顾传霖. 钢筋混凝土梁斜截面疲劳强度及裂缝

控制[J].建筑结构学报, 1989, 10(6) :2-9.

[5]Susanto T eng, Wei Ma, Fang Wang. Shear strength of concrete

deep beams under fati gue[J]. ACI Structural Journal, 2000, 97(4) :572-580.

[6]易 成, 沈世钊, 谢和平. 局部高密度钢纤维混凝土弯曲

疲劳性能研究[J].土木工程学报, 2001, 34(6) :1-6. [7]华 渊, 张少波, 姜稚清. 混杂纤维增强混凝土弯曲疲劳

性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品, 1997, (4) :40-43.

[8]Tarig Ahmed, Eldon Burley, Stephen Rigden. The state and fa

tigue strength of rein forced concrete beams affected by alkali-silica reaction[J]. ACI Materials Journal, 1998, 95(4) :376-筋混凝土梁发生斜截面疲劳破坏的情况, 可以认为, 部分预应力混凝土梁的斜截面疲劳破坏是由箍筋的疲劳断裂引起的, 第1根箍筋的疲劳断裂是梁达到斜截面疲劳极限状态的标志。

A. M. Ozell 和E. Ardaman [11]进行了8片先张法预应力钢筋混凝土梁的疲劳试验, 试验结果表明, 预应力筋的疲劳断裂是梁疲劳破坏的原因, 在疲劳加载的前期, 梁的变形很小, 但随着加载次数的增加, 在加载后期梁的挠度有显著的增大; 在疲劳试验过程中, 支座处没有出现剪切裂缝, 说明是梁的正截面疲劳破坏起控制作用。3. 2. 2 补强加固后的混凝土梁

粘钢加固是一种常用的加固混凝土梁的方法, 大量研究已经表明, 粘钢加固可以大幅度提高钢筋混凝土梁的静载强度, 对于其疲劳性能, 国内外部分学者也做了许多研究。

国内其他一些学者的研究也表明[12], 当粘钢补强方法适当时, 加固梁较对比梁的疲劳性能有明显提高, 其裂缝产生时间也显著地延长。在通常情况下, 混凝土原梁在重复荷载作用下, 其疲劳破坏均发生在跨中的纯弯段上; 而经粘钢补强的加固梁, 则常因为梁端剪力区补强方式不够妥善, 而使疲劳破坏多发生在梁端附近弯剪作用区, 且多在沿45%的主拉应力方向。经粘钢补强后的加固梁的刚度都有明显的提高, 混凝土梁正截面加固底部钢板对加固梁刚度的提高起了主要作用, 底部钢板厚度越大, 刚度提高越多。

Byung Hwan Oh 等人同样研究了粘钢加固钢筋混凝土梁的静载和疲劳性能, 试验中考虑了钢板厚度、锚固层厚度和剪跨比等因素的影响。疲劳试验的结果表明, 粘钢加固后梁的疲劳力学性能有显著的增强, 承受同样次数的疲劳荷载后, 加固后的梁与未加固的梁相比, 其变形有大幅度的下降。

通过总结国内外研究结果可以看到, 粘钢加固对钢筋混凝土梁疲劳性能影响较大, 加固后的梁疲劳性能有显著的增强, 不仅开裂延迟而且疲劳强度也获得提高。

4 主要结论

(1) 钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态主要包括正截面疲劳破坏和斜截面疲劳破坏。决定疲劳破坏形态的关键因素是配筋率, 当配筋率小于界限配筋率时为正截面弯拉破坏, 当配筋率大于界限配筋率时[13]

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[9]吕海燕, 戴公连, 李德建. 预应力混凝土梁在疲劳荷载作

用下的变形[J]. 长沙铁道学院学报, 1998, 16(1) :24-28.

[10]赵灿晖, 刘日圣, 江炳章. 重复荷载作用下无粘结部分

预应力混凝土梁的抗剪强度[J].中国公路学报, 2000, 13(4) :42-46.

[11]A M Ozell, E Ardaman. Fatigue tests of pre tensioned pre

stressed beams[J]. ACI Journal Proceedings. 1956, 53(10) :

413-424.

世界桥梁

2004年第3期

[12]翟爱良, 孙兆明, 冯耀奇. 粘钢加固混凝土梁疲劳性能

的试验研究[J].青岛建筑工程学院学报, 2002, 23(3) :7-11.

[13]Byung Hwan Oh, Jae Yeol Cho , Dae Gyun Park. Static and fa

tigue behavior of reinforced concrete beams s trengthened with steel plates for flexure[J]. ASCE Journal of Structural Engi neering, 2003, 129(4) :527-535.

An Overview of Domestic and Foreign Researches of

Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams

ZHA Qu an fan, XIAO Jian zhu ang

(Department of B uilding Engineering, Tongji Uni versity, Shanghai 200092, China)

Abstract:The fatigue problem of concrete structures has aroused much concern from civil engineers. Lots of scholars have c onduc ted their researches of the fatigue behavior of reinforced c oncrete (RC) beams that are very common in the concrete structures. Based on a multitude of domestic and foreign literatures, this paper sum marizes the development of the fatigue researches of the RC beams, analyzes the factors that may ha ve an effect on the fatigue failure of the beams, discusses the judgment of the fatigue failure and failure modes of the bea ms, and eventually, makes proposals on fatigue design of the bea ms on the basis of investigation and com parison of the theory and experiments.

Key words:reinforced c oncrete beam; fatigue behavior; fatigue design; fatigue experiment; overview

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2004年9月