混凝土梁腐蚀环境下疲劳可靠性分析.pdf

商艳等 ： 混凝土梁腐蚀环境下疲劳可靠性分析 圈 混凝土梁腐蚀环境下疲劳可靠性分析 商艳 ， 许波 ， 陈华 ( 1 内蒙古大学鄂尔多斯学院土木工程系 内蒙古哪尔多斯0 1 7 0 0 0； 2 哪尔 多斯市东方路桥集团股份有限公司 。 内蒙古鄂尔 多斯0 1 7 0 0 0) 【 摘要】 在试验的基础上研究了腐蚀环境下预应力混凝土梁疲劳可靠度的影响因素， 根据极限应力模式 提出了材料的极限状态方程并运用累积损伤理论和一次二阶矩法求解其疲劳可靠度指标。分析表明， 预应力钢 筋的腐蚀率及疲劳荷载的应力比对预应力混凝土梁疲劳可靠度影响大。 【 关键词】 预应力混凝土梁； 腐蚀 ； 疲劳； 可靠度指标 【 中图分类号】 T U 3 7 8 2 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 1 1 0 0 2 3 - 0 3 ANALYS I S oN F ATI GUE RELI ABI L I TY oF CoNCRETE BEAM D CoRRoS I 、 1 E ENVt ONM哐NT S HANG Ya n ，XU B o ，CHE N Hu a ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i ， O r d o s c o l l e g e o f I n n e r M o n g o l i a U n i v ， I n n e r Mo n g o l i a O r d o s 0 1 7 0 0 0，C h i n a； 2 D o n g F a n g Ro a d b rid g e G r o u p S h a r e s L i mi t e d C o mp a n y ， I n n e r Mo n g o l i a O r d o s 0 1 7 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e e x p e ri me n t ，thi s p a p e r s t u d i e s the p r o b l e m o f f a t i g u e r e l i a b i l i t y o f the s t r u c t u r e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m i n c o r r o s i v e e nv i r o n me n t ，b rin g s u p a ma t e ria l l i mi t s t a t e e q u a t i o n a c c o r d i n g t o the ma t e ria l l i mi t s tre s s mo d e l a n d s o l v e s t h e f a t i gue r e l i a b i l i ty i n d e x w i t I l a c c u mu l a t e d a ma g e t h e o r y me t h o d a n d L OS M me tho d T h e a n a l y s i s s h o w e d tha t the c o r r o s i o n r a t e o f p r e s t r e s s e d s t e e l a n d t he s tre s s r a t i o o f f a t i g u e l o a d i n g h a v e g r e a t e ffe c t o n f a t i gu e r e l i a b i ht y Ke y wo r d s ： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m；c o r r o s i o n；f a t i g u e ；r e l i ab i h ty i n d e x 普 通钢筋和预应 力混凝 土结构或 构件 ， 在工程 结 构 中大多除了受静态荷载外， 还受反复荷载的作用。 结构或构件承受静态荷载时， 其承载力主要来源于材 料 的极 限强度； 当承受反复荷载时， 结构将产生高度 疲劳 ， 其内部将由于疲劳损伤累积而产生破坏 ， 工程 上称之为疲 劳破坏。 目前 ， 工程上 大多数结构 是按极 限 状态设计 法 进 行静态设计 的 ， 同时验算其 在反复 荷载作 用下 的抗疲 劳能力。结构的疲劳性能可用概率方法来描述 ， 其 相应的可靠度为疲劳可靠度。国内外对于疲劳可靠 度已经有较多的研究 ， 而对于预应力混凝土梁在腐 蚀环境下疲 劳性能 的研究 较少 ， 文 中在试 验 的基 础 上 分析影响预应力混凝土梁腐蚀疲劳可靠性的因素 ， 并 给出腐蚀环境预应力混凝土梁疲劳可靠度指标 的计 算方法。 1 预应力混凝土梁疲劳可靠性 受腐蚀环境 的影响 基金项 目 内蒙古大学 院级项 目( $ 2 0 1 0 1 1 ) ( 1 ) 腐蚀环境下混凝土的疲劳性能。腐蚀环境 是指存在腐蚀介质能使预应力混凝土材料发生化学 或电化学反应的环境。研究表明受腐蚀疲劳作用的 高性能混凝土， 将会损失氯离子的扩散系数， 从而降 低抗渗性能。混凝 土的碳化既能削弱结构的受力面 积， 又可加速钢筋的锈蚀 ， 并缩短混凝土结构的疲劳 寿命 引 。 ( 2 ) 腐蚀环境下预应力钢绞线和普通钢筋的疲 劳性能。普通钢筋对锈蚀不如预应力钢绞线敏感 ， 普 通钢筋锈蚀后其截面面积若有明显减小 ， 其疲劳强度 会有明显的降低 。反之， 其疲劳强度没有明显的降 低。预应力筋在腐蚀环境下其表面将会产生锈坑 ， 在 疲劳荷载作用下其破坏将缩短 ， 破坏形式表现为无任 何先兆的脆性破坏 。 ( 3 ) 预应力钢绞线和混凝土在腐蚀环境下的粘 结性能。预应 力 钢 绞线 和 混凝 土两 种不 同的材 料之 2 4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 1期 ( 总第 1 7 3期) 所以能共同工作， 其主要原因是两者具有足够的粘结 强度 ， 能够承受两者之间相对滑移产生的粘结应力。 但是， 腐蚀后的预应力钢绞线和混凝土之间的粘结性 能发生了很大的变化 ， 顺筋裂纹减弱了混凝土对钢绞 线的约束作用 ， 导致粘结力下降， 降低结构的极限承 载力。通常钢绞线的腐蚀程度对粘结强度有一定的 影响， 当腐蚀程度不大时， 会导致摩擦作用的加强， 极 限粘结强度略有提高； 腐蚀程度较大时， 钢绞线锈涨， 裂缝变宽， 同时混凝土对钢绞线 的握裹作用降低 ， 极 限粘结强度降低 。 2 预应 力混凝土梁腐蚀环境下材 料的疲 劳性能 ( 1 ) 材料的s一 曲线。是通过对结构材料进 行等幅循环加载实验得到的， 是描述材料耐疲劳性能 的基本方程 ， 反应的是应力幅与循环次数问的关系， 在 | s 一 曲线 中高周疲 劳段 常用幂 函数表示 ： |s N= C ( 1 ) 对公式 ( 1 ) 两边取以 1 0为底的对数 ： m l g S+ l g N= l g C ( 2 ) 式 中， s为材料的应力幅； 为 |s 作用下材料可以 承受的应力循环次数 ； m和 C是材料的性能常数。 根据此公式可以在应力循环次数 的情况下， 求 出结构的疲劳强度。曾志斌等( 1 9 9 9 ) I s 通过对两批 共 l 9个有效实验样本进行回归分析得到了用于变形 钢筋的 s一 方程 ： 4 3 8 2 7 1 l g S+l g N=1 5 1 3 4 8 ( N0 ( 8 ) 其中， 为构件在变幅重复应力作用下的疲劳 强度； 为构件( 或构造细节) 在相应的变幅重复应 力作用下的等效应力幅。 ( 4 ) 疲劳可靠度指标。对于式( 8 ) 若假定 A or ， Aor 。均近似服从对数正态分布且二者相互独立 ， 结构 的可靠度指标可根据一次二阶矩方法求得 。 卢 S + ： ( 9 ) 式中， S 为等效等幅应力常用对数l g a or 的标准 差 ； Js 为疲劳 抗力 常用 对 数l g a or 的标 准差 ； l g a or 为 构件疲劳抗力常用对数的均值； l g c A or 为疲劳荷载等效 等幅应力常用对数 的均值 。 4 计算实例 I j 图1 跨 中截面 图 1所示为实验用 T型预应力混凝土梁跨 中截 面。梁全长 5 m， 计算跨度为 4 6 m， 梁底分别 配有两 根 直径 1 8 m m和8 m m的 级钢筋以及两根 7 + 5的预应 力钢绞线( A ：1 4 0 m m ) ， 试验用 荷载 为等幅正 弦函数 疲劳荷载， 荷载加载方式如图2所示 ( 不同梁的最大 荷载与梁极 限 荷载 的 比值分 别 为 0 4 、 0 5 、 0 6 ， 最 小 荷载的比值均为 0 0 5 ) ， 计算不同应力 比下预应力混 商艳等 ： 混凝土梁腐蚀环境下疲劳可靠性分析 凝土梁的疲劳可靠度指标。 图2 加载方式 ( 1 ) 疲劳荷载 F的确定。由试验得知梁的极限 承载力为2 7 9 k N， 则等幅正弦函数荷载的最大值分别 为 1 1 1 6 、 1 3 9 5 、 1 6 7 4 k N， 最小值均为 1 3 9 5 k N， 荷载 的频率 是 1 2 5赫兹 ， 应力 比P分别 为 0 1 2 5 ， 0 1 ， 0 0 8 3 ， 以P=0 1为例 ， 集中力 F= 6 2 7 7 5 s i n 2 5 I I x+ 7 6 7 2 5 ， 计算 得知 F的均值 和标 准差 为 7 6 7 2 5 k N 和 4 4 4 k N。 ( 2 ) 预应力钢绞线的s一 曲线的选取及应力 幅的计算。本试验 中钢绞线 的 s一曲线选用文献 1 3 中铁科院的研究结果 ， 由公式( 6 ) 计算得 出当 = 21 0 时， 钢 绞线 的疲 劳抗力对 数值 l g = 3 3 2 8 ， S R = 6 1 g N 2 9 4= 0 0 3 5 。因抗力 s一曲线通 常是在常数对数坐标中进行 回归的， 且所给出的 l g 一l g A6 e 值都是取 9 7 7 3 保证率， 即均值减去 2 倍标准 差的值 ， 故 ： l g R=l g R+2 SR=3 3 2 8 荷载作用下预应力钢绞线的应力为： 。 = 一0 。f ( h 。 一 ) ( 1 0 ) J f 根据规 范 计 算 钢 绞线 有效 预应 力值 = 9 3 8 1 3 M P a ， 钢绞线弹性模量 与混凝 土疲 劳弹性模量 的 比值 o 。 。 = 1 0 8 3 ， 混凝土截面有效高度 h o = 3 3 0 ， 混凝土 受压区高度 =2 0 4 m m， 跨 中截面惯性矩 I f =1 1 7 7 6 l 0 m m ， M=F a=1 7 0 0 F带入式 ( 1 0 ) ， 计 算得 到疲 劳应 力均值A6 o = 7 8 6 9 9 M P a ， 变异系数S = 0 1 1 1 。 q 嚣 辑 静 椒 ( 3 ) 疲劳可靠度指标计算。在腐蚀环境下预应 力混凝土梁的疲劳破坏主要以预应力钢绞线的断裂 为标准 ， 因此预应力 混凝 土梁 的疲 劳可靠 性可 以预应 力钢绞线的疲劳可靠度指标来衡量。根据公式 ( 9 ) 计 算得知在 P= 0 1时， 预应力混凝土梁在疲劳 2 0 0万次 的可靠度指标为 8： ：3 71 J o 0 3 5 + 0 1 1 1 同理计算： P= 0 1 2 5 ， 卢= 4 6 1 ， P= 0 0 8 3 ， 卢=3 0 8 根据以上数据得出预应力混凝土梁疲劳可靠度指标 与应 力 比的关系如图 3 所示 。 5结语 ( 1 ) 处于腐蚀环境下的预应力混凝土梁 ， 由于 预应力筋及非预应力筋的腐蚀， 其疲劳可靠性明显降 低， 目前对其的定量研究较少。 ( 2 ) 文中利用一次二阶距法计算了试验梁的疲 劳可靠度指标 ， 由于其预腐蚀的时间较短， 钢绞线的 腐蚀深度较小 ， 故假定腐蚀情况下钢绞线的疲劳可靠 性不随时间改变 ， 主要研究了荷载应力比对其疲劳可 靠性的影响， 结果表明预应力混凝土梁的疲劳可靠度 指标随应力比的增大而增大， 即应力幅越小， 其疲劳 性能越好 。 ( 3 ) 对于腐蚀环境 中的预应力混凝土结构， 在 其设计中应充分考虑荷载应力 比、 应力幅对结构耐久 性 的影 响。 参考文献 1 贡金鑫， 赵国藩 腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的 分析方法 J 土木工程学报， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 6 ) ： 5 0 5 6 2 贡金鑫， 王海超， 李金波 腐蚀环境中荷载作用对钢筋混凝土 梁腐蚀的影响 J 东南大学学报， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 3 ) ： 4 2 1 4 2 6 3 陈拴发， 廖卫东， 郑木莲 腐蚀疲劳下的高性能混凝土渗透性 及破坏机理 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 8 ) ： 3 1 3 4 4 A 1 一S u l a i m a n l G J ， K a l e e mu l la h M， B a s u n b u l l A ， e t a 1 I n f l u e n c e o f e o r r o s i an a n d c r a c k i n g o n b o n d b e h a v i o r a n d s ne n h o f r e i n - f o r c e d c o n c re t e m e m b e r s J A C I S u e t u r a l J o u rna l ， 1 9 9 0 ， v 8 7 ( 2 ) ： 2 2 0 2 3 1 5 曹建安， 文雨松锈蚀钢筋的疲劳试验研究 J 长沙铁道学 院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 1 51 8 6 张德峰， 吕志涛现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状 及特点 J 工业建筑， 2 0 0 0 ， 3 0 ( I 1 ) ： I 一 3 7 李富民氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应 D 北京： 中国矿业大学， 2 0 0 8 8 曾志斌， 李之榕 普通混凝土梁用钢筋的疲劳s 一 曲线研究 J 土木工程学报 ， 1 9 9 9， 3 2 ( 5 ) ： l O一1 4 9 常大民 江克斌桥梁结构可靠性分析与设计 M 北京： 中 国铁 道出版社 ， 1 9 9 5 1 0 G B 5 0 0 1 0- 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 收稿日期 2 0 1 2 0 6 1 2 作者简介 商艳( 1 9 7 6 一) ， 女， 山东德州人， 硕士， 讲师， 从 事土木工程 以及道路桥梁的教学和科研工作。