摘要：本文通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土空心梁的多級(jí)等幅疲勞試驗(yàn)來(lái)研究其疲勞性，同時(shí)就疲勞荷載作用下的鋼筋混凝土空心梁的疲勞性能試驗(yàn)研究提出了初步探索。
　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土空心梁；疲勞；撓度
　　引言
　　結(jié)構(gòu)物在服役期內(nèi)要經(jīng)受若干年復(fù)雜的荷載歷程，疲勞破壞是其主要失效模式之一。國(guó)內(nèi)在以往的混凝土結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)中往往忽略了時(shí)間歷程上的隨機(jī)性，常假設(shè)荷載是一個(gè)幅值不變的等幅重復(fù)荷載。設(shè)計(jì)要求在這一等幅重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生疲勞破壞。已有的混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)也主要以等幅疲勞試驗(yàn)為主，少量的變幅疲勞試驗(yàn)一般也只是二級(jí)或是三級(jí)變幅疲勞試驗(yàn)。而實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的重復(fù)荷載不是一個(gè)幅值不變的等幅荷載，而是一個(gè)大量重復(fù)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)荷載。這些疲勞試驗(yàn)雖然相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是與實(shí)際服役荷載譜相差較大，且試驗(yàn)中不能適當(dāng)?shù)乜紤]不同荷載循壞之間的相互影響，因此由等幅疲勞試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相差很大。比較理想的是試驗(yàn)荷載盡可能接近實(shí)際的工作狀態(tài)，這就需要開(kāi)展多等級(jí)變幅疲勞試驗(yàn)的研究。
　　1疲勞試驗(yàn)方案
　　疲勞試驗(yàn)在PMS-500數(shù)顯式液壓脈動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。先分級(jí)加載至疲勞荷載上限，然后卸載，再施加靜載到疲勞荷載上限，反復(fù)2次，以消除加載系統(tǒng)各部分的間隙和檢驗(yàn)加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常。然后以頻率2-4hz進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞荷載下限取為0.15Mu-0.2Mu(Mu為靜力極限荷載)。疲勞荷載上限分別取為0.5Mu,0.55Mu,0.577Mu,0.6Mu。當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到1萬(wàn)、5萬(wàn)、20萬(wàn)、60萬(wàn)、100萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)次…時(shí)，停止疲勞荷載，采用靜力加載方法逐級(jí)加載至疲勞荷載上限，逐級(jí)量測(cè)混凝土和鋼筋的應(yīng)變、梁的撓度和裂縫寬度等力學(xué)性能指標(biāo)。
　　2試驗(yàn)現(xiàn)象
　　對(duì)鋼筋混凝土空心梁的疲勞進(jìn)行全壽命的觀(guān)測(cè)，由于在疲勞前的第一次靜載荷載上限已經(jīng)超過(guò)開(kāi)裂荷載，所以在純彎段和彎剪段共出現(xiàn)5-6條首批裂縫，純彎段最大裂縫寬度達(dá)0.2-0.3mm。長(zhǎng)度沿梁向上延伸到約梁高的一半，裂縫在梁的兩側(cè)大致成對(duì)稱(chēng)分布。荷載循環(huán)1萬(wàn)次之后，原有裂縫有少許擴(kuò)展，并在原裂縫之間新增1-2道裂縫，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，裂縫的寬度和長(zhǎng)度都隨著增加，達(dá)到50萬(wàn)次左右時(shí)，底部裂縫橫向貫穿整個(gè)橫截面，而且在梁底面沿縱向也有所延伸。到80萬(wàn)次之后，彎剪段以及純彎段次裂縫裂縫停止增長(zhǎng)并且逐漸閉合，純彎段主裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，底部混凝土逐漸有脫落現(xiàn)象發(fā)生。到100多萬(wàn)次以后靜載時(shí)最大側(cè)面裂縫寬度有1-2mm，梁的剛度逐漸下降。將近破壞時(shí)，撓度用肉眼觀(guān)察己經(jīng)變化很明顯。破壞時(shí)能聽(tīng)見(jiàn)“砰”的一聲，肉眼可見(jiàn)底部受拉縱筋有2-3根發(fā)生疲勞斷裂，梁底混凝土部分掉落。上部受壓區(qū)混凝土被壓碎，上部的架立鋼筋也被壓屈。受拉鋼筋發(fā)生疲勞斷裂后，裂縫寬度急劇開(kāi)展，但是梁仍能承受疲勞荷載的作用。各梁破壞位置均位于加載點(diǎn)處。
　　試驗(yàn)梁的破壞均是以鋼筋疲勞斷裂為標(biāo)志，鋼筋混凝土梁的疲勞破壞與普通靜載受彎破壞的主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)：
　　(1)普通靜載受彎破壞屬于延性破壞，有一定的屈服點(diǎn)，而疲勞破壞則是脆性破壞，鋼筋疲勞斷裂前無(wú)明顯征兆。
　　(2)普通靜載受彎破壞時(shí)鋼筋的應(yīng)力一般能達(dá)到或超過(guò)屈服強(qiáng)度，而疲勞破壞時(shí)鋼筋一般小于屈服強(qiáng)度。
　　(3)鋼筋疲勞斷裂的斷裂面與普通靜載拉斷的斷面形式不同，普通靜載拉斷時(shí)鋼筋斷面有明顯頸縮現(xiàn)象，鋼筋有一定的伸長(zhǎng)率，而疲勞破壞的鋼筋則是突然斷裂，截面較平滑，無(wú)頸縮現(xiàn)象。
　　3撓度結(jié)果及其分析
　　對(duì)一根梁而言，試驗(yàn)表明在疲勞荷載作用下構(gòu)件的撓度隨著荷載重復(fù)次數(shù)的增加而不斷增大。在循環(huán)初期撓度增加速度很快，在中期趨于緩和，到臨近破壞時(shí)撓度增加速度再次稍微變快，每根梁疲勞破壞時(shí)的最大跨中撓度都跟靜載破壞時(shí)的撓度比較接近。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梁在壽命中期剛度變化不明顯，跨中撓度的增加更多是來(lái)自于殘余撓度的貢獻(xiàn)。當(dāng)構(gòu)件承受的應(yīng)力幅比較大時(shí)撓度增加也較大，這說(shuō)明在高應(yīng)力幅下，構(gòu)件的剛度降低的更快。由此可見(jiàn)應(yīng)力幅對(duì)撓度的影響是很大的。在荷載循環(huán)初期，不同應(yīng)力幅下的梁的撓度區(qū)分不是特別明顯，但隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，撓度增加越快。各條荷載撓度曲線(xiàn)間隔越來(lái)越大。
　　4應(yīng)變結(jié)果及其分析
　　4.1混凝土應(yīng)變
　　鋼筋混凝土梁受壓區(qū)混凝土應(yīng)變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增多而增大，其發(fā)展變化規(guī)律和混凝土在軸心受壓疲勞荷載作用下的應(yīng)變變化規(guī)律基本相同。在初始的2-5萬(wàn)次內(nèi)，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變發(fā)展變化顯著：隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加，增長(zhǎng)速率逐漸減緩而進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展階段。反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土梁的混凝土受壓邊緣的峰值應(yīng)變值的變化規(guī)律呈三個(gè)階段：即初始階段、平穩(wěn)發(fā)展階段和加速發(fā)展階段，這說(shuō)明以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同的混凝土疲勞損傷累積的三階段發(fā)展規(guī)律在鋼筋混凝土構(gòu)件中仍然成立。
　　鋼筋混凝土梁正截面混凝土應(yīng)變?cè)谄�勞荷載作用下基本呈線(xiàn)性分布。受壓區(qū)混凝土應(yīng)變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)N增加而增大。壓區(qū)混凝土的波峰值應(yīng)變不斷遞增，反映了在循環(huán)荷載作用下，混凝土變形逐漸增大，材料性能逐漸劣化，疲勞損傷逐漸積累。
　　4.2鋼筋應(yīng)變
　　在重復(fù)荷載作用下，鋼筋的應(yīng)變?cè)诔跗谠鲩L(zhǎng)比較大，變化比較顯著;隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加，增長(zhǎng)速率趨緩而進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展階段;臨近破壞時(shí)鋼筋應(yīng)變又發(fā)生了較大幅度的增長(zhǎng)。當(dāng)構(gòu)件第一次加卸荷載后鋼筋已經(jīng)存在著殘余變形，且在重復(fù)荷載下這種殘余變形不斷積累使總的變形有所增加。這個(gè)應(yīng)變變化過(guò)程說(shuō)明了構(gòu)件經(jīng)過(guò)重復(fù)荷載作用后鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力有了較大程度的退化。這是由于受壓區(qū)混凝土的塑性發(fā)展和彈性模量的降低從而導(dǎo)致裂縫的發(fā)展，受拉區(qū)混凝土不斷退出工作等引起的內(nèi)力重分布的結(jié)果。鋼筋中的平均應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)實(shí)際上也包括了相當(dāng)部分的殘余應(yīng)變的增長(zhǎng)。
　　結(jié)束語(yǔ)
　　一般情況下，試件梁的跨中撓度在疲勞試驗(yàn)初始階段增長(zhǎng)較快，此后隨著循環(huán)次數(shù)的增加，施加荷載相對(duì)較大的試件梁的跨中撓度繼續(xù)增長(zhǎng)，施加荷載相對(duì)較小的試件梁的跨中撓度增長(zhǎng)緩慢，但都隨著循環(huán)次數(shù)增加而增長(zhǎng)。反映了在循環(huán)荷載作用下，混凝土材料的彈性模量逐漸減小，材料性能逐漸劣化，疲勞損傷逐漸積累。
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