疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化规律及计算公式.pdf
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1、第 3 6卷 第 2期 2 0 1 4年 4月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 6 No 2 Ap r 2O1 4 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 - 4 7 6 4 2 0 1 4 0 2 0 0 1 疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化规律 及计算公式 朱红兵 。 , 赵 耀 , 李 秀。 , 余 志武 ( 1 武汉科技 大学 城
2、 市建设 学院 , 武汉 4 3 0 0 7 0; 2 中南大学 土木 工程 学院 , 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 3 武汉理工大学 华夏 学院, 武 汉 4 3 0 2 2 3 ) 摘 要 : 对承 受疲 劳荷载反 复作用 的钢 筋混凝 土 结构 而 言, 疲 劳是 一 种重 要 的损伤 形 式 , 如 何判 断和 描 述其损 伤程度是 结构损伤 与寿命评估领 域 的一 大难题 。结构刚度 会 随损 伤发展 而逐渐发 生 不可逆 的退化 , 刚度退化与疲劳损伤之间存在一定的内在关联 , 且刚度测试简单易行, 开展 了一 系列的疲劳试 验研究刚度退化规律和计算方法。通过疲劳试验观测, 钢
3、筋混凝土梁刚度退化呈现 出非常明显的三阶 段 规律 , 刚度退化 曲线符合“ S ” 型形 态。根 据刚度 退化规律 对试验数据进 行拟合 , 得到 可用 于计算钢 筋 混凝土梁刚度退化程度的公式, 该公式与 1 0 根试验梁的试验结果吻合度较好 , 能够实现对刚度退化的 描 述 。利 用钢筋混 凝土梁 刚度 退化计 算公 式 , 可 以预 测 结构在服 役过 程 中的 变形发展 情 况 , 也 可 以进 行 结构疲 劳损伤 、 性 能退化程度判 定及剩余 寿命预 测。 关 键 词 : 疲 劳荷 载 ; 刚度 退化 ; 计 算公 式 ; 钢 筋 混凝 土 梁 中图分类号 : U 4 4 1 4
4、 ; U 4 4 8 3 4 ; T U9 7 3 2 5 4 文献标志码 : A文章编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 1 0 5 Re i nf o r c e d Co nc r e t e Be a m S S t i f f n e s s De g e ne r a t i o n Re g u l a t i o n a n d i t s Ca l c u l a t i o n Fo r mu l a Und e r t he Ac t i o n o f Fa t i g u e Lo a d Zh u Ho n g bi
5、n g , Zh ao Y oo , Li Xi u。, Y u Zh i wu ( 1 S c ho ol of Ci v i l Eng i n e e r i n g,W uh a n Uni ve r s i t y o f Sc i e nc e an d Te c hn ol og y,W u ha n 4 30 07 0,PR Chi na; 2Sc ho ol of Ci v i l En gi n e e r i n g,Ce nt r al So ut h Uni v e r s i t y,Ch a ngs ha 41 00 75,PR Chi na; 3 Sc h o
6、o l o f H u a x i a , W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y , W u h a n 4 3 0 2 2 3 ,P R Ch i n a ) Ab s t r a c t: Fa t i g u e f a i l u r e i s a f a t a l d a ma g e f o r t h e r e i n f o r c e d c o nc r e t e s t r u c t u r e b e a r i n g f a t i g u e l o a d r e p e a t e d
7、 l y Th a t h o w t o e s t i ma t e o r de s c r i be t he d e gr e e o f f a t i g u e da ma g e i s a c h a l l e ng e i n a r e a s o f s t r u c t u r e d a ma g e a n d l i f e s p a n e s t i ma t i o n St r u c t u r e S s t i f f ne s s d e g e n e r a t e s i r r e v e r s i b l y a l o n
8、g wi t h t h e d a ma g e p r o g r e s s Th e r e i s a c e r t a i n i n h e r e n t r e l e v a nc e be t we e n s t i f f n e s s d e g e ne r a t i o n a n d f a t i g u e d a ma g e A s e r i e s o f f a t i g u e t e s t s we r e c a r r i e d o ut t o s t u d y s t i f f n e s s d e g e ne r
9、 a t i o n r e g u l a t i o n d u e t o i t s s i mp l i c i t y a nd f e a s i bi l i t y Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ,r e i nf o r c e d c o n c r e t e b e a m S s t i f f ne s s d e g e ne r a t i o n p r e s e n t s a t h r e e - s t a g e r u l e s o b v i o u s l y,a n d
10、 t h e s t i f f ne s s d e g e ne r a t i o n c u r v e s a c c o r d wi t h S” s t y l e Ba s e d o n t h e s t i f f n e s s d e g e n e r a t i o n r e g u l a t i o n,t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms s t i f f n e s s d e g e n e r a t i o n c a l c ul a t i o n f o r mul a i
11、s o b t a i ne d b y f i t t i n g e x p e r i me n t a l d a t a The f o r mu l a h a s a p e r f e c t g o o d n e s s o f c o n t a c t a r e a wi t h 1 0 t e s t b e a ms e x p e r i me n t a l r e s u l t s,a n d i t c a n d e s c r i b e s r e i n f o r c e d c o nc r e t e b e a ms s t i f f
12、n e s s d e g e n e r a t i o n p e r f e c t l y Th e f o r m u l a c a n be u s e d t o f o r e c a s t t he d e f o r ma t i o n d e v e l o p i ng M e a n wh i l e,t h e r e s i d u a l l i f e o f t he s t r u c t u r e c a n b e u s e d t o d e c i s i o n s t r u c t u r e S f a t i g u e f r
13、 a c t u r e a nd t h e d e g r e e o f p e r f o r ma n c e d e g r a d a t i o n Ke y wo r d s: f a t i g ue l o a d;r e i nf o r c e d c onc r e t e b e a m ;s t i f f ne s s de ge ne r a t i on;c a l c u l a t i o n f o r m u l a 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 9 1 5 基金项 目: 国 家 西 部 交 通 建 设 科 技 项 目 ( 2 0 0 6 3
14、 1 8 0 0 0 1 9 ) ; 国 家 8 6 3计 划 ( 2 0 0 9 AA1 I Z l O 1 ) ; 湖 北 省 自然科 学 基 金 ( 2 01 1CDB23 9) 作者简介 : 朱红 兵( 1 9 7 7 一 ) , 男 , 副教授 , 博士 , 主要从 事工程结构疲劳性能研究 , ( E ma i l ) h n h y z h b 1 6 3 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 相对 于预 应 力? 昆凝 土 结 构 而 言 , 钢 筋 混 凝 土结 构具有造价低廉 、 施工
15、工艺简单等特点 , 是小跨径的 吊车梁、 梁桥等工程结构的首选形式 , 也是中国现存 的早 期修建 的既有公 路梁 桥 的主体 结 构 。在承 受 动 荷载反复作用结构的服役过程 中, 结构 的刚度和承 载能 力会 随着 重复 荷载作 用次 数 的增 长而 产 生动 态 的退化 。这种性能退化是循序渐进的 , 但 累计至一 定程 度后 , 结构 会 出现脆 性破 坏 , 而且 这种 破 坏是 不 可 预见性 和 随机 性 的 , 所 酿 成 的灾 难 后 果 必 然 异 常 严重 l】 。因此 , 承受动载反复作用结构的性能退化 及其病害诊治已是工程结构防灾减灾 的突 出问题 , 使 研究 人
16、员产 生 了很 大的兴 趣1 。 混 凝土结 构 的刚度 在一 定程 度上 能 反映 出结 构 的损伤 程度 , 而且 刚度测 试 简单易 行 , 如 果能 找 到结 构在疲 劳荷 载作 用下 的刚 度 退 化规 律 , 则 该 规 律 可 以作 为判 定 结 构 性 能 损 伤 程 度 的一 项 重 要 参 考 指 标 , 因此开展疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度 退化试验及其 刚度退化规律研究具 有很重要 的意 义 。长期 以来对钢筋混凝 土梁试件所做的疲劳 试验数 量 较多 , 取得 了很 多成果 , 而 且 也有 少 数成 果 描述 了梁 的刚 度 退 化 现象 , 但 仅 局 限于
17、对 刚 度 退 化 现象的描述, 对退化规律研究还不够充分l 8 l 。 通过 对 5 根 钢筋 混凝 土空 心板 梁和 5根 T梁 的 等 幅疲 劳试验 , 测 试 试 验 梁在 疲 劳荷 载 作 用 下 的刚 度退 化参 数 , 归纳 总结 出刚度 退化 规 律计 算式 , 为既 有混凝土桥梁 、 吊车梁等承受反复疲 劳荷载作用结 构 的损 伤退化 研究 提供 参考 。 l 钢筋混凝土梁疲劳刚度退化试验 1 1 钢 筋混凝 土 梁试件 梁试 件 的配筋 与截 面等参 数 主要参 考 部 颁空 心 板 梁及 T 梁桥参 数 , 在综 合 疲 劳 机加 载 能 力 后予 以 缩尺。为确保试件在
18、跨 中纯弯段 内受弯破坏 , 防止 试 验 中试件在 支 座 附近 局部 受 压 破 坏 或 受 剪 破 坏 , 在 试件 的支 座附 近及剪 弯段 加强 配筋 。 空 心板 试 件 采 用 横 断 面 为 6 0 0 mm 5 0 0 mm 的空 心矩 形截面 , 试 件净跨 径 3 8 m( 总 长 4 m) 。混 凝 土 保 护 层 厚 度 取 2 5 mm; 架 立 筋 和 箍 筋 为 R2 3 5 级光 圆 筋 , 直 径 8 mm; 纵 筋 和斜 筋 采 用 的 HR B 3 3 5 级螺纹筋 , 直径 2 0 mm。除箍 筋 采 用绑 扎 连接 外 , 其 余钢筋均为双面焊。梁试
19、件的尺寸及配筋如图 l 。混 凝土立方体试块 2 8 d 抗压强度平均值为 1 4 0 8 MP a 。 钢筋 为 涟 钢 产 品 , R 2 3 5光 圆筋 实测 屈 服 抗 拉 强 度 、 极限抗拉强度分别为 3 6 4 、 4 9 9 MP a ; HR B 3 3 5螺纹 钢实 测 屈 服 抗 拉 强 度 、 极 限 抗 拉 强 度 分 别 为 4 2 9 、 5 9 8 M Pa。 T形 截面 梁试 件 的箍 筋 和 架 立 筋 为 直径 8 mm 的 R2 3 5光 圆 筋 , 其 余 钢 筋 均 为 直 径 2 5 mm 的 HRB 3 3 5 螺 纹筋 。箍 筋 为绑 扎 连
20、接 , 其 余 钢 筋 均 双 面焊接 。试 件长 6 7 m, 净跨 径 6 5 m。梁 的尺寸 及 配 筋见 图 2 。混 凝土 净保 护 层厚 度 1 8 mm。混 凝 土 2 8天实 测立 方 体抗 压 强 度平 均值 为 2 7 9 MP a 。实 测 R 2 3 5 光 圆 筋 的 屈 服 抗 拉 强 度 、 极 限抗 拉 强 度 分 别 为 3 6 6 3 、 4 9 7 5 MP a ; 实 测HRB 3 3 5螺 纹 钢 筋 的屈 服 抗 拉 强 度 、 极 限 抗 拉 强 度 分 别 为 4 2 6 7 、 5 8 7 6 M Pa ( a ) 纵截面 ( h ) 横截面
21、图 1 空心板梁试件构造 ( 单位 : l n l n ) ( a 1 纵断面 图 2 T型截 面梁试件构造( 单位 :m m) 圈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 朱红兵, 等: 疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化规律及计算公式 1 2加 载装 置与 方法 采用 MT S疲 劳 试 验 机 加 载 , 分 配 梁 范 围 内为 纯弯 段 。试验 照 片 见 图 3 。试 验 工 况 及 结 果 见 表 1 所示 。 图 3疲 劳 试 验 加 载 照 片 表 1 疲 劳试 验 工 况 及 结 果 注 : PK I 为 空 心 板 梁 的 极 限 承
22、载 力 , 为 5 2 0 k N; P I 为 I 梁 的 极 限承载力 , 为 1 3 3 k N; 钢筋应 力幅 为试验疲 劳加 载时受 力主筋 对 应 于加载上 限与加载下 限所受应力的差值 , 由计算获得 。 1 3刚 度退化 表达 式 根 据 材料力 学 知 识 , 利 用 简 支梁 在 外 荷 载作 用 下 的挠 曲线方程 , 可获得 刚度 表达 式 为 B a M L 2 ( 1 ) 】 其 中: B为截面抗弯刚度 ; M 为截面弯矩 ; L为试件 的跨径 ; a为与支承条件 、 荷载等有关的挠度系数 ;f 为对应截面处试件挠度。 对于跨 中截面 , 分析试验条件可知 T梁的挠
23、度 系 数为 0 1 9 0 3 , 空 心 板 梁 的 挠 度 系 数 为 0 2 0 4 8 。 因此 T梁 的刚度 表 达 式 为 B = 8 0 4 2 I v l , 空 心 板 梁 的刚度 表达式 为 B = = = 2 9 5 6 7 。 j 计 算 弯矩增 量 ( 荷载 幅取 0至疲 劳 加 载上 限 ) 并 测 量 由 此 引 起 的 跨 中挠 度 增 量 , 即 B 一 2 9 5 6 7 试件 KL 一 2 KL 一 6 ) 或 B 一 8 。 4 2 试件 TL一 2 TL一 6) 。 1 4 试验 梁 刚度退 化情 况 疲 劳荷 载作 用 下试件 的 刚度退 化 幅度
24、见表 2 。 由表 2可知 , 在 疲 劳破 坏 时梁 试 件 刚度 均 明 显 下降( 均为初始刚度的 8 0 9 0 ) , T梁和空心板 试 件 的 刚 度 退 化 幅 度 平 均 值 分 别 为 8 3 5 、 8 4 6 ; 如不 区分 梁试 件 的截 面形式 , 刚度 退化 幅 度 平均值为 8 4 0 。由此可见 , T梁疲 劳破坏时的刚 度退化程度较空心板梁稍大 , 但差 异不是很大 。根 据表 2 结果 , 可认 为试件 的刚度退化衰减幅度与其 初 始 刚度关 联不 大 。 表 2各试 件疲劳破 坏时刚度退化幅度 试 件 编 号 退 化 幅 度 譬 KI ,2 KL一 3 K
25、L一 4 KL 5 KL一 6 TL一 2 TL 3 TL一 4 TI 5 TI 6 2 疲劳荷载作用 下钢筋 混凝土梁 刚度 退化规律 2 1刚度退 化表 征 定义 利 用 刚 度 退 化 规 律 表 征 的疲 劳 损 伤 程 度 为 。 D 一 Bo- Bn r ( 2) 其中: D 为损伤变 量 ( 利用试件 刚度 定义 , D 0 , 1 ) ; B 。 为试件初始刚度 ; B 为试件经受 次疲 劳加载后 的刚度 ; B 为试件疲劳破坏时( N 次反复 加载 ) 的 刚度 。 将 实 测刚 度 退 化 数 据 正 则 化 , 见 表 3 。建 立 刚 度退化定义的损伤变量 与疲劳寿命
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