钢筋混凝土板疲劳性能研究
2018-02-25马志莲王晓聪马晓晶赵红财常波
马志莲 王晓聪 马晓晶 赵红财 常波
【摘 要】钢筋混凝土桥面板的疲劳破坏是指在重复的交通荷载作用下，在应力未达到材料的极限强度，甚至低于其屈服强度的时候，突然发生的破坏。而材料固有寿命的消耗是结构发生疲劳破坏的本质原因。对于承载反复荷载作用的混凝土板结构，保证结构有足够的疲劳寿命，在有效使用期间内不会发生破坏，对结构的安全性有非常深远的意义。
【关键字】钢筋混凝土板；疲劳破坏；影响因素
中图分类号： TU375.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0087-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.035
Study on fatigue performance of reinforced concrete slab
MA Zhi-lian WANG Xiao-cong MA Xiao-jing ZHAO Hong-cai CHANG Bo
（School of civil and hydraulic engineering， ningxia university， Yinchuan Ningxia 750021， China）
【Abstract】the fatigue failure of reinforced concrete bridge slab refers to the failure that occurs suddenly when the stress does not reach the ultimate strength of the material or even lower than its yield strength under repeated traffic load. The consumption of the material's inherent life is the essential reason for the fatigue failure of the structure. For the concrete slab structure bearing repeated loads， it is of profound significance to ensure that the structure has enough fatigue life and will not be damaged during the effective use period.
【Key words】Reinforced concrete plate； Fatigue failure； Influencing factors
0 引言
由于某些因素，例如设计上的缺陷、施工中的质量等问题、环境因素的影响或者使用功能的变更等，现实中很多工程结构的疲劳强度往往会不符合规范标准[1]。而混凝土板疲劳是影响钢筋混凝土桥梁破坏的重要因素，所以，分析板疲劳性能，即混凝土板是否受损、受损程度、位置，从而预测其疲劳寿命，对此次试验和以后的混凝土板桥梁的相关研究都有很大的意义。
现如今我国国民经济高速发展[2]，交通基础设施建设较多，各种交通工具的使用更加频繁，导致它们的混凝土路面及相关构件受到的循环荷载作用相对增大，从而使其破坏的进度加快。现阶段，我国要求高质量建设。所以，研究影响钢筋混凝土面板的疲劳特性以及混凝土疲劳寿命的变化规律，讨论其安全问题及改善措施等，对现代工程来说很重要。本文研究混凝土疲劳特性的目的主要是为了了解影响混凝土疲劳特性的因素，以便采取措施来提高混凝土结构疲劳寿命、探求反复应力同混凝土疲劳寿命之间存在的定量关系同时建立混凝土的疲劳方程，以便估计混凝土结构的疲劳寿命[3]。
1 荷载与混凝土板变形關系
钢筋混凝土板承受反复荷载时，其刚度随循环次数的增加而减少的。对由于混凝土与荷载的关系，分析其中的原因主要有两个[4]：（1）在反复荷载下，混凝土内部损伤增加，变形逐渐增加，残余变形的存在导致变形模量的变化，变形模量（E）的下降伴随着整个疲劳过程；（2）拉区混凝土疲劳开裂及变形模量的变化使中和轴位置发生了变化，从而使构件截面的惯性矩（I）发生变化。下面进行钢筋混凝土板的应力、应变与荷载循环次数的关系的研究。
混凝土立方体抗压强度的弹性模量依据公式见1；抗压强度的计算公式见式2，计算精度约为0.1MPa，其劈裂抗拉强度的计算公式见式1-3，计算精度约为0.01MPa。由公式（2）和公式（3）确定公式（1）中的混凝土强度等级fcu，k，从而得出变形模量。
（1）混凝土立方体抗压强度的弹性模量依据公式2。
E=（1）
式中：
E——混凝土的弹性模量
fcu，k——混凝土的强度等级
（2）100mm×100mm×100mm非标准试件抗压强度（8）：
fcu=0.95（2）
式中：
fcu——混凝土立方体抗压强度（MPa）
E——压力最大荷载（N）
A——试件受压面积（mm2）
（3）100mm×100mm×100mm非标准试件劈裂抗拉强度（3）：
fts=0.85=0.541（3）
式中：
fts——混凝土立方体劈裂抗拉强度（MPa）F——压力最大荷载（N）
A——试件受压面积（mm2）
荷载水平S的确定：
S=（4）
Mk=（5）
式中：
S——荷载水平
M——疲劳上限荷载
Mk——静力使用荷载
Mu——极限承载荷载
基于上列公式，结合实验分析得：随着荷载的增大，混凝土的变形模量降低，开裂速度加快。而且受拉区混凝土率先达到破坏荷载，失去工作能力，此时，板试件荷载主要由钢筋承担，表明试验进入第二阶段[5]（疲劳破坏分为三个阶段[6]：一阶段为混凝土破坏，二阶段为钢筋屈服，三阶段结构发生破坏）。
2 荷载与受力钢筋应变关系
因为钢筋疲劳断裂主要由剩余截面面积N决定，于是在此我们用钢筋有效面积的减少量作为钢筋损伤量度。在疲劳加载过程中，有效面积随疲劳次数的增大而逐渐减少，因此会导致钢筋应力逐渐增大。循环加载下钢筋有效面积A如6所示。
2012年，朱劲松，闫广鹏等[7]通过ABAQUS建模及实桥验证，得出适用于多级加载下钢筋混凝土受弯构件变形钢筋疲劳寿命与钢筋疲劳应力幅Δσ的关系式如7所示。
lgN=14.7806-3.7928lg（Δσ/MPa）（7）
式中：
As—钢筋初始面积K—疲劳荷载分级数NM—第M级疲劳荷载作用总次数
xM—第M级疲劳荷载已作用次数fu—钢筋极限抗拉强度
σ—第M级疲劳荷载作用下钢筋最大应力
3 试件刚度分析
随着荷载的循环次数的增加，混凝土的变形模量降低，中和轴下移，截面惯性矩增大，混凝土和钢筋的应力减小，其应变增大，构件刚度降低。我们通过板试件抗弯刚度减低系数来反映构件刚度的变化情况：
θf=（8）
式中：
θf——刚度减低系数δd——疲劳荷载上限值对应冲切试验中的挠度值
δf——疲劳荷載上限值对应静力试验中的挠度值
挠度随荷载的增大而增大，且增大的较快，板的刚度却降低更快。因此得出结论：应力水平是影响板疲劳寿命的主要因素，应力水平越大，板疲劳寿命就越小。且应力水平的轻微降低可能导致板试件疲劳寿命成倍数增长。
本文了解了影响混凝土疲劳特性的因素及其规律，有利于为提高混凝土结构疲劳寿命采取有效措施，为探求混凝土疲劳寿命及其相关问题的研究提供参考。
4 结论
（1）随着交通荷载的增大，混凝土的变形模量降低，开裂速度加快。当受拉区混凝土率先达到破坏荷载，失去工作能力时，板试件荷载主要由钢筋承担，表明试验进入第二阶段，钢筋应变随应力增长速度加快增大。
（2）随着荷载循环次数的增加，混凝土的变形模量降低，混凝土和钢筋的应力减小、应变增加，构件刚度降低。
【参考文献】
[1]王春生，吴全友，缪文辉.钢筋混凝土桥面板疲劳寿命评估[J].长安大学学报（自然科学版），2013，33（2）：50-55.
[2]张伟丽.水工混凝土疲劳损伤特性研究[J].人民黄河， 2013（12）：133-135.
[3]王国荣，陈林燕，赵敏，等.压裂泵阀箱疲劳寿命影响因素的研究[J].石油机械，2013，41（1）：59-63.
[4]李志勇，董城，邹静蓉，et al. 路基含水量对水泥混凝土路面疲劳寿命的影响分析[J].中外公路， 2015（6）：41-46.
[5]魏亚.混凝土路面板早期开裂疲劳寿命预测[J].清华大学学报（自然科学版），2014（8）：983-986.
[6]杨秋宁，侯占修，毛明杰.轮荷载疲劳试验机在混凝土板构件研究中的应用[J].建筑技术与应用，2011.12.
[7]朱劲松，闫广鹏.钢筋混凝土桥面板疲劳数值分析方法[J].中国公路学报，2012，25（01）：59-66.
