带不同绝缘措施的钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究.pdf

2 0 1 3年第 1 1期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 2 3 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 2 3 - 0 4 带不 同绝缘措 施的钢 筋混凝土梁疲劳性 能试验研 究 杨 政 ， 黄 河山 ， 赵 坪锐 ( 西南交通大学 土木5 1 2 程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 板 式无砟 轨道 是我 国应 用 十分普 遍 的一种 轨道 结构 形 式 ， 但 由于轨 道板 、 底 座 、 凸形挡 台内的钢 筋 回路 与钢轨 通 过 电流之 间的互感 作 用 ， 影 响 了谐 振 式无 绝缘轨 道 电路 的传输 长度 ， 所 以轨道 板 内必 须做 绝缘措施。轨道结构 目前采取的绝缘措施有三种 ： 钢筋的交叉点加设 绝缘卡、 采用绝缘套管、 采用涂层 钢 筋。本 文主要 探 讨 带三种 绝缘 措施 的钢 筋 混凝 土 梁试 件 的疲 劳性 能 ， 通过 试验 的 方法得 出极 限荷 载、 跨 中挠度 以及 纯 弯段 应 变 ， 综合 比较得 出带 绝缘套 筒 的钢 筋混凝 土 梁试件极 限荷 栽值 最 大 ， 带 绝缘卡 的 钢 筋混凝 土 梁试件 疲 劳性 能最好 。 关键 词 ： 钢 筋混凝 土 梁 疲 劳试 验疲 劳次数跨 中挠 度纯 弯段 应 变 中图分 类号 ： U 2 1 3 2 4 4文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 3 1 1 0 8 板式 无砟 轨道 是 我 国应 用 十分普 遍 的一种 轨 道结 构形式 ， 轨道板具有质量易保障、 耐久性高、 抗裂性好 ， 施 工速度 快 ， 轨道 可 修 复 性 较好 等 优点 。但 由于 轨道 板 、 底座 、 凸形挡 台 内 的钢 筋 回路 与钢轨 通过 电流之 间 的互感作用 ， 影响了谐振式无绝缘轨道 电路的传输长 度 。若 不做 绝缘 处 理 ， 板 式 轨 道 、 双 块 式 、 长 枕 埋 入 式 等无砟轨道 ， 轨道 电路传输距离与标准要求 的1 0 0 0 1 4 0 0 m ( 2 Q) 差距很大。因此 ， 降低无砟轨道 区段 对 Z P W 2 0 0 0轨道电路 的传输影 响， 解 决无 砟轨道与 Z P W 2 0 0 0轨 道 电路 相 适 应 的 问题 ， 是 我 国无 砟 轨 道 大规模 推 广使 用 中必须 解决 的重 要 问题 。 根据 国 内最新 的 研 究 测试 结 果 ， 板式 轨 道 凸形 挡 台及底座内的钢筋可不做绝缘处理 ， 但轨道板 内的钢 筋绝 缘处 理仍 然存 在数 量多 、 难 度大 的 问题 ， 对 采取 不 同绝 缘措 施 的钢筋 混凝 土进 行力 学分 析很 有必 要 。 轨道 结构 目前 采 取 的绝 缘 措 施 有 3种 ： 钢 筋 的交 叉点 加设 绝缘 卡 、 采用 绝缘 套管 、 采 用涂层 钢筋 。本文 探讨带 3种绝缘措施 的钢筋混凝土梁试件 的疲劳性 能 ， 通过 试验 的方 法得 出极 限荷 载 、 跨 中挠度 以及 纯弯 段应变 ， 综合 比较 3种绝缘措施下 的钢筋混凝 土梁试 件性 能 。 l试 验 模 型 设 计 1 1试 件形 式及 尺寸 本次试 验 采用 标 准 试 件 ， 横 截 面 为 1 5 0 m m x 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 1 5 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 3 0 8 2 0 作者简介 ： 杨政( 1 9 8 7 一) ， 男 ， 江西景德镇人 ， 硕士研究生。 1 5 0 m m， 长度为 5 5 0 mm的小梁试件。钢筋混凝土梁 试件采用一次性成型 ， 共 2 0根 ， 一般 的钢筋混凝土试 件 、 带 绝 缘卡 的钢 筋混凝 土试 件 、 带 涂层 绝缘 钢筋 的钢 筋混 凝 土试件 、 带绝 缘套 管 的钢筋 混凝 土试 件各 5根 ， 其 中 2根做静 载试 验 ， 3根 做疲 劳试验 。 1 2试 件原 材料 和用 量 本 次试验 所 有 试 件 的 强度 按 C 4 0混 凝 土 进 行 制 作 ， 骨料 粒 径 最 大 不 大 于 4 0 mm。 钢 筋 采 用 H R B 3 3 5 钢筋 ， 钢 筋直 径 1 2 m m， 上 下 两层 配 筋 ， 并 设 置 架立 筋 来模拟道床板的横向配筋 ， 架立钢筋直径 1 2 m m， 间距 1 5 0 m m。钢筋 的配 置如 图 1 所 示 。 横向钢筋 1 2 图 1 钢筋配置示意 ( 单位 ： m m) 2试验概况 2 1 静载 试验 本次 试验 采用 万能试 验 机进行 钢筋 混凝 土梁试 件 的抗弯强度试验 ， 万能试验机 的量程为 1 0 0 0 k N。静 载试 验采 用两 级加 载 ， 首先 采用 负荷控 制 ， 负 荷大 小为 0 5 k N， 用于测量仪表 准确、 荷载偏心 和减小测试误 差。在荷载上升阶段采用位移控制， 大小为 1 m m m i n ， 直至加载破坏 ， 试验结束条件取破坏荷载的 6 0 。加 载采 用三 分点 加载 。 铁道建筑 2 2疲劳试 验 等 幅疲劳 试验按 正 弦 波 加 载 ， 加 载频 率 根 据疲 劳 荷载上限值确定。在疲劳试验过程 中， 分别重复加载 至 1 ， 5， 1 0 ， 2 0， 4 0， 8 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0和 2 0 0万 次 时 ， 停 止疲 劳荷载 ， 先卸载至0 ， 测量混凝土残余挠度和残余裂缝宽 度 ， 再分级加 载到疲 劳 荷载 的上 限 ， 测 量混 凝 土梁 试件 的应变 、 梁挠 度 和裂缝 宽 度等 。与此 同 时 ， 在整 个 疲 劳 试验过程 中 ， 每隔一定 的荷 载循环 次数进 行一次 动态测 量 ， 由动态采集 系统 自动读 取动应 变和动挠度等数值 。 3试验结果与分析 3 1 静载试 验 结果 与分析 图 2图 5分 别为各 种钢 筋混 凝 土 梁试 件 的抗 弯 荷载 与挠 度 的关系 。 堇 辅 稼 一 ； 挠度 ram 图 2 一般钢筋混凝土梁试件 图 3 带绝缘卡 的钢筋混凝土梁试件 图 4 带涂层钢筋 的钢筋混凝土梁试件 图 5 带绝缘套筒的钢筋混凝土梁试 件 各种 钢筋 混凝 土梁试 件在静 载 下的极 限荷 载如表 1 所示 。各种钢 筋混凝 土梁试件开 裂 的情 况如 图 6 所示 。 表 1 各种试件静载极限强度 k N 注 ： 由于刚开始位移控制 时， 位 移过快 ， 尚未来得及 观测裂缝 的开 裂情况及记录抗弯情况 ， 且由于采用人工判断裂 缝开裂以及读数 ， 不能 保证裂缝开裂 与开裂荷载的对应， 因此 ， 开裂荷载均取的整数 。 图 6 钢筋混凝 土梁试件破坏形态 从图 6可以看出， 裂纹基本都是斜裂缝 ， 从支座处 开始发 展 ， 逐 步开 裂到加 载点 ， 出现 这种情况 可 能是 由 于 支座太 大 ， 且不 光 滑 ， 出现应 力集 中的原 因 。另外 ， 还有可能是由于钢筋配筋率较小 ， 导致钢筋混凝土梁 试件 出现 斜拉破 坏 。 通过 以上分 析可知 ： 1 ) 对 于采用 了绝 缘措 施 的 钢筋 混 凝 土梁 试 件 ， 其 极 限抗拉 强度也 存 在着 一 定 的偏 差 ， 这 说 明 绝缘 措 施 对钢筋混凝土梁试件的极限抗弯强度的影响具有一定 的随机性 。 2 ) 尽管绝缘措施对 钢筋 混凝土梁试件 的极限抗 弯强度的影响具有随机性 ， 但和一般的钢筋混凝土梁 相 比 ， 绝 缘措 施降低 了钢 筋混凝 土梁 的极 限抗弯 强度 。 3 ) 3种 绝缘措 施 的钢筋混 凝 土试 件 开裂 抗弯 荷载 接近 ， 带绝缘套筒的钢筋混凝土试件极限荷载值最大。 3 2疲劳 试验 结果处理 与分 析 3 2 1 钢 筋混凝 土 梁试件 的跨 中挠 度 比较 图 7图 l 0分别 为各 种 钢 筋 混 凝 土 梁 试 件 的 疲 劳次 数与跨 中挠 度 的关 系 。 跨 中挠度 由百分 表测 得 的左 右支 座下沉 量 和跨 中 百分表测得的位移量计算得出， 试验过程 中每小时记 2 0 1 3年第 1 1期 杨政等 ： 带不同绝缘措施 的钢筋混凝土梁疲 劳性 能试 验研 究 2 5 皇 吕 嚣 搬 图 7 带绝缘 涂层钢筋混凝土梁试件 宕 吕 哥 暑 岳 搬 疲 劳次数 万次 图 8带绝缘卡钢筋混凝土梁试件 图 9 带绝缘套管钢筋混凝 土梁试件 图 1 O 普通钢筋 混凝 土梁试件 录一次疲劳次数和一分钟百分表读数 ， 正弦加载取一 分钟百分表读数 的均值作为相应疲劳荷载循环次数的 挠 度值 。 可 以看 出随着 疲 劳荷 载循 环 次 数 的 增 加 ， 3种 绝 缘措施 的钢筋混凝土梁试件挠度增长的变化规律基本 相 同。但 是增加 的幅 度不 同 ， 在 加载 初 期 挠 度 趋 于稳 定 ， 但 是在 加 载次数 超 过 某 个 限 值 的 时候 挠 度 增 长 比 较 快 ， 随后 又趋 于稳 定 。 3 2 2 钢 筋混 凝土 梁试件 的 应 变比较 图 1 1图 1 4分别 为各 种 钢筋 混 凝 土 梁试 件 的疲 劳次数与应变的关系。 应变值 由 F a m o s 软件读 出， 记 录方法同挠度记录 方法 。正 弦加 载提 取 出每 小 时 l 2个 应变 片应 变 的 最 大及最小值 ， 并取均值作为相应疲劳荷载循环次数 的 2 j 争 ( 翅 赦 图 1 1 带绝缘涂层钢筋混凝土梁试件 4 50 400 3 50 3 00 2 5 0 2 00 l 5 0 ： 一6 出 一 - lI； 图 1 2 带绝 缘卡钢筋混凝 土梁试件 图 1 3带绝缘套管钢筋混凝土梁试件 一2 【 ) ( 】 ! ! ； 0 一： 图 1 4普通钢筋混凝土梁试件 应变 值 。 可 以看 出 3种 绝缘措 施 的钢筋 混凝 土梁 试件 随着 疲劳荷载循环次数的增加， 应变均有不同程度的增长 ， 应变的增长最后都有继续增长的趋势 。 3 2 3 钢 筋混凝 土 小梁的 疲 劳性 能 综合 比较 1 ) 带绝缘涂层 的钢筋混凝土小梁应变及挠度 如图 7 、 图 1 1 所示 ， 带绝缘涂层的钢筋 昆 凝土小梁 最大压 应变约 为 一1 0 5 0 1 0， 最 大挠度 约为 2 6 mlT l ， 压应变增加 了约 1 5 0 ， 挠度增 加 了约 6 0 7 9 。 在 4 0万 次左 右开 始 应 变 和挠 度 随 着 疲 劳 次数 的增 加 而增加较快 ， 应变在 1 1 0万次左右开始保持平稳 ， 挠度 在 1 4 0万次左右开始保持平稳 ， 最终 2 0 0万次疲劳加 载 以后 带 绝 缘 涂 层 的 钢 筋 混 凝 土 小 梁 未 发 生 疲 劳 破 坏 。 2 6 铁道建筑 2 ) 带绝缘 卡 的钢筋混 凝土 小梁应 变及 挠度 如 图 8 、 图 1 2所 示 ， 带绝 缘 卡 的钢 筋 混 凝 土 小 梁 最 大 拉 应 变 约 为 1 1 4 1 2 1 0 ， 最 大 挠 度 约 为 1 0 5 m m， 拉 应 变增 加 了 约 1 2 ， 挠 度 增 加 了 约 6 6 。在 4 0万 次左 右开始 挠度 和应变 随着疲 劳 次数 的增 加 而增加 较快 ， 挠 度 在 1 4 0万 次 左右 开 始保 持平 稳 ， 最终 2 0 0万 次疲 劳 加 载 以后 带 绝 缘 卡 的钢 筋 混凝 土 小梁 未发生 疲劳破 坏 。 3 ) 带绝缘套管的钢筋混凝土小梁应变及挠度 如 图 9 、 图 1 3所 示 ， 带绝 缘 套 管 的钢 筋 混 凝 土 小 梁最 大 压 应 变 约 为 一1 3 0 0 01 0， 最 大 挠 度 约 为 1 5 0 m m， 压 应 变 增 加 了 约1 2 0 ， 挠 度 增 加 了 约 1 1 。在 2 5万 次左 右 开始 应 变 和挠 度 随着疲 劳次 数 的增加 而增加 较快 ， 应变 和挠度 在 7 5万次左 右开 始保 持平 稳 ， 最终 2 0 0万次 疲 劳加 载 以后 带绝 缘 套 管 的钢 筋 混凝 土小梁 未发 生疲 劳破坏 。 4 ) 综 合 比较 3种 绝缘 措施 的钢筋 混凝 土小梁 疲 劳抗 弯 刚度 。带 绝缘 卡 的钢 筋混 凝土小 梁跨 中挠度 增加最 小 ， 带绝 缘 套 管 的钢 筋 混凝 土 小 梁跨 中 挠 度次 之 ， 带绝 缘涂 层 的 钢筋 混 凝 土 小梁 跨 中挠度 增 加 最大 。带 绝缘 卡 的钢筋 混 凝 土 小梁 挠 度 增 量小 ， 说 明带绝 缘卡 的钢筋 混凝 土小梁 有更 好 的结 构抗 变形 能 力 ， 带绝缘套管的抗变形能力次之 ， 带绝缘涂层的抗变 形 能力 较差 。综合 比较 可知 带绝缘 卡 的疲 劳 承载能 力 较好 。 疲 劳强度 。3种绝缘 措施 的钢筋 混 凝 土小 梁 加 载 2 0 0万次都未出现破坏， 说明 3种绝缘措施 的钢筋 混凝 土小梁 均满 足 2 0 0万次疲 劳加 载 。应 变增量 带 绝 缘 卡 的钢筋 混凝 土小 梁 最 小 ， 带绝 缘 套 管 的钢 筋 混 凝 土小 梁次 之 ， 带 绝缘 涂层 的钢 筋 混凝 土 小 梁 应变 增 量 最大 ， 说 明带绝 缘卡 的钢 筋 混 凝 土小 梁 具 有 较好 的疲 劳 强度 。 裂 缝 比较 。裂 缝 多 集 中 于 支 座 处 以及 加 载 点 处 ， 3种 绝缘 措 施 的 钢筋 混 凝 土小 梁 均 在 支 座点 处 出 现 了剪 切破坏 以及 加 载点 的拉 伸破 坏 ， 在 纯 弯 段 出现 的裂缝较 少 。3种 绝缘 措施 的钢 筋混 凝 土小 梁 中带 绝 缘涂层的钢筋混凝土小梁 出现的裂缝数 目最多。 4试 验 结论 通 过 3组 带不 同绝缘 措施 的钢筋 混凝 土小梁 试 件 的模 型试验 ， 研究 了在 静 载和 2 0 0万 次 循 环加 载 作 用 下 梁体 的受 力 性 能 ， 分 析 了 试 验 梁 静 载 极 限荷 载 、 应 变 、 跨 中截 面抗弯 刚度 、 梁体 裂缝等 ， 试验 研究 表 明 ： 1 ) 对于 采用 了绝缘 措 施 的钢 筋 混凝 土 梁试 件 ， 其 极 限抗 拉强 度也存 在 着 一定 的 偏 差 ， 这说 明绝缘 措 施 对钢筋 混凝 土梁试 件 的极 限抗 弯强度 的影 响具有 一定 的随机性 。 2 ) 尽 管 绝 缘措 施 对 钢 筋混 凝 土 梁 试 件 的极 限抗 弯强度 的影 响具有 随机 性 ， 但 与 一般 的钢 筋 混凝 土 梁 相 比 ， 绝 缘措 施降低 了钢筋 混凝 土梁 的极 限抗弯强 度 。 3 ) 疲 劳试 验 中 ， 带绝 缘 卡 的钢 筋混 凝 土 小梁 跨 中 挠 度增 加最小 ， 带绝 缘 套 管 的钢 筋 混凝 土 小 梁跨 中挠 度 次之 ， 带绝缘 涂层 的钢筋 混 凝 土小 梁 跨 中挠度 增 加 最大 。带 绝缘 卡 的钢筋 混 凝 土 小梁 挠 度增 量 小 ， 说 明 带 绝缘 卡 的钢 筋 混 凝 土 小 梁 有 更 好 的 结 构 抗 变 形 能 力 ， 带绝 缘套管 的抗 变形能 力次 之 ， 带绝 缘涂 层 的抗 变 形能力较差。综合 比较可知带绝缘卡的疲劳承载能力 较 好 。 4 ) 3种 绝缘措 施 的钢筋 混凝 土小 梁加 载 2 0 0万 次 都 未 出现破坏 ， 说 明 3种绝 缘 措 施 的钢 筋 混凝 土 小 梁 均满足 2 0 0万次 疲劳加 载 。应变增 量带绝 缘卡 的钢 筋 混凝土 小梁最 小 ， 带 绝缘套 管 的钢筋 混凝土 小梁 次之 ， 带绝缘 涂层 的钢筋 混凝 土 小 梁 应变 增 量 最 大 ， 说 明带 绝缘 卡的钢 筋混凝 土小梁 具有 较好 的疲 劳强度 。 5 ) 疲 劳 试验 中 ， 裂缝 多 集 中 于支 座处 以及加 载 点 处 ， 3种绝 缘措 施 的钢 筋 混 凝 土小 梁 均 在 支 座点 处 出 现 了剪 切破 坏 以及 加 载点 的拉 伸 破坏 ， 在 纯 弯 段 出现 的裂 缝较少 。3种绝 缘措施 的 钢筋 混凝 土 小 梁 中带绝 缘涂层 的钢筋混凝 土小 梁 出现 的裂 缝数 目最 多。 6 ) 建议多做几组试件 ， 并在支座处涂油 ， 保证 支 座处 光滑 ， 避免应 力集 中； 同时 ， 如 果条件 允许 ， 建 议重 新浇筑试件确保此规律的可信性。 综上 ， 三种 绝缘 措施 的钢 筋 混凝 土 小 梁疲 劳 寿 命 均 达到 2 0 0万次 ， 带 绝缘 卡 的钢 筋混 凝 土 小 梁疲 劳 性 能 较好 ， 带绝 缘套管 的钢筋 混凝 土小 梁次之 ， 带绝 缘涂 层 的钢 筋混凝 土小 梁较差 。 参 考 文 献 1 钱振地 ， 赵国堂 ， 杨 奎芳 板 式无砟轨道 对无绝缘 轨道 电路 适 应性研究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ： 7 1 7 2 2 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京 ： 清华大 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 3 陈开利 碳纤维加 固钢筋混凝 土梁疲劳性 能试验研究 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 9 ( 增 2 ) ： 4 0 - 4 4 ， 7 1 ( 责任 审编 王红)