两种不同环境下预应力混凝土梁疲劳破坏试验对比分析.pdf

第 5 9卷第 9期 2 0 1 5年 9月 铁 道 标 准 设 计 RAI LWAY S TANDARD DESI GN V0 1 5 9 No 9 S e p201 5 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 7 60 7 两种不同环境下预应力混凝土梁疲劳破坏 试验对比分析 李进 洲 ( 中铁第 四勘察设计院集团有限公司 ， 武汉4 3 0 0 6 3 ) 摘 要 ： 以我 国 目前普通铁路 既有线上 3 2 m跨度全预应 力混凝土 简支 T梁为工程背景 ， 通过 1 2片 1 6预应 力混凝 土模 型梁非腐蚀环境和腐蚀环境 下疲 劳试验 ， 对预应 力混凝 土梁疲 劳破坏形 态进行研 究 ， 对其破 坏机理进行 分析 ， 结果表明非腐蚀环境 下， 恒、 活栽跨 中弯矩在 0 4 5 M 时为 配筋合 适的预 应力混凝 土 梁疲 劳破 坏时 的临界荷 栽点 ( M 为跨 中静载极限弯矩 ， 临界 点以疲 劳寿命为 2 0 0万次进 行定 义) ， 超过 该临界 点后 ， 需要 适时加 固； 腐蚀环 境 下 ， 梁底普通钢 筋锈蚀后 ( 预应 力筋不锈蚀 ) ， 疲劳损伤程度 随锈蚀 率增大 而增 大， 锈蚀 率越 大疲 劳寿命越 短 ； 锈蚀 率 7 为腐蚀疲 劳破坏的临界点( 临界点 以疲 劳寿命为 2 0 0万次进行定义) ， 超过 腐蚀 临界 点以后 ， 需要对预应力混 凝土梁进行加固。两种 不同环境 下预应 力混凝 土梁疲 劳破坏试验对比分析结果表 明， 预 应力混凝 土梁 中非预应 力 筋 虽然对静栽承载力贡献不天 ， 但是对疲劳抗裂作用明显 ， 设计 中应保证非预应 力钢 筋配置充足 ， 包括充足 的细密 的箍筋、 侧 面纵 向补充钢筋和 梁底纵向抗裂钢筋、 锚 下螺旋钢 筋等非预 应力筋 ， 以便 分散 裂缝 宽度 ， 提 高疲 劳破 坏 时的 延 性 。 关键词 ： 普通铁路 ；预应力混凝土梁 ；疲劳破 坏 ；机理分析 ；临界荷载 ；疲 劳延性 中图分类号 ： U 4 4 1 4 文献标识码 ： A D Ol ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 5 0 9 O 1 8 Co m p a r a t i v e Te s t Ana l y s i s o f Fa t i g u e Fa i l u r e o f Pr e s t r e s s e d C o n c r e t e( P C)B e a m i n T w o Di ffe r e n t E n v i r o n me n t s L I J i n z h o u ( C h i n a Ra i l w a y S i y a a n S u r v e y a n d De s i g n Gr o u p C o ，L t d ，Wu h a n 4 3 0 0 6 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ：W i t h r e f e r e n c e t o t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e s o f 3 2 m s pa n P C s i mp l y s up p o r t e d T t y p e b e a ms o n t h e e x i s t i n g l i n e s a n d t h e t e s t o f a t o t a l o f 1 2 1 6一 s c a l e PC mo d e l b e a ms u n d e r n o n - c o r r o s i o n a n d c o rro s i o n e n v i r o n me n t s，a n a n a l y s i s o f f a t i g u e pa t t e r n a n d me c h a n i s m o f PC b e a ms i s c o n d u c t e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m i d s p a n m o me n t 0 4 5 M u( Mu i s t h e l i m i t b e n d i n g mo m e n t )u n d e r t h e d e a d a n d l i v e l o a d s i s t h e c r i t i c a l l o a d i n g p o i n t o f f a t i g u e f a i l u r e o f P C b e a ms wi t h p r o p e r mi x e d r e i n f o r c e me n t( t h e c r i t i c a l l o a d i n g p o i n t o f f a t i g u e f a i l u r e i s d e fi n e d b y t h e f a t i g u e l i f e o f t wo mi l l i o n c y c l e s )u n d e r n o n c o rro s i o n e n v i r o n me n t Be y o n d t h e c r i t i c a l p o i n t ，0 4 5 M ，t h e f a t i g u e r e i n f o r c e me n t o f b e a m s h o u l d b e p r o p e r l y p r o v i d e d A s t o P C b e a ms w i t h c o r r o d e d s t e e l b a r s ( t h e p r e s t r e s s e d t e n d o n s a r e n o t n o c o r r o s i v e ) ，t h e f a t i g u e d a ma g e b e c o m e s h e a v i e r a n d t h e f a t i g u e l i f e s h o r t e r w i t h t h e i n c r e a s e o f c o rr o s i o n r a t eAn d t he c o r r o s i o n r a t e 7i s t h e c o r r o s i o n f a t i g ue c r i t i c a l p o i n t f t h e p o i n t i s d e f i ne d b y t h e f a t i g u e l i f e o f t w o m i l l i o n c y c l e s )a n d t h e b e a m s h o u l d b e s t r e n g t h e n e d i f t h e c o r r o s i o n r a t e o f s t e e l b a r s i s o v e r 7 T he r e s u l t s a l s o i n d i c a t e t h a t a l t h o ug h t h e n o n p r e s s t r e s s e d s t e e l b a r s ma y c o n t r i b u t e l i t t l e t o t h e s t a t i c l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f P C be a m ，t h e y ha v e a n o b v i o u s e f f e c t o n t h e f a t i g u e c r a c k i n g Th u s，i t s ha l l b e a d d r e s s e d t h a t t he r e s h a l l be s u f f i c i e n t n o n p r s t r e s s e d s t e e l b a r s wh i l e d e s i g n e d， i n c l u di n g 收稿 日期 ： 2 0 1 41 2 1 6 基金项 目： 国家 8 6 3高技术研究发展计划( 2 0 0 9 A A 1 1 Z 1 0 1 )； 国家 自然 科学基金( 5 1 2 7 8 4 9 6 ) 作者简介： 李进洲 ( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 工程师 ， 2 0 1 3年毕业 于中南大学土木 工程学院。 工学博士 ， E - ma i l ： L i _ j i n z h o u 0 9 1 0 1 2 6 C O B。 第 9期 李进 洲一 两种 不同环境 下预应力混凝土梁疲劳破坏试验对 比分析 7 7 s t i r r u p s，l o n g i t u di n a l r e i n f o r c e me n t a nd a n c h o r s p i r a l r e i n f o r c e me n t t o d i s p e r s e t h e c r a c k wi d t h a n d i mp r o v e t h e d u c t i l i t y i n c a s e o f f a t i g u e f a i l ur e Ke y w o r d s ：C o n v e r s i o n a l r a i l w a y ；P r e s t r e s s e d c o n c r e t e ( P C) b e a m；F a t i g u e f a i l u r e ； M e c h a n i s m a n a l y s i s；Cr i t i c a l l o a d i ng；Fa t i g u e d u c t i l i t y 目前， 我 国京广、 京沪、 京哈 、 陇海等繁忙铁路干线 大 量开行 时 速 2 0 02 5 0 k m“ 和 谐 号 ” 动 车 组 ， 在 列 车 速 度大 幅提 升 、 列 车密 度大 幅增加 的同时 ， 已经 普遍 开 行 5 0 0 0 6 5 0 0 t 重载货物列车。这种客货共线运行 ， 速 度 、 密 度 、 载重 三者 并 举 的运 输 组 织 模 式 成 为 世 界 铁路运输上的一项重大创举 。客运高速、 货 运重 载 已成为我国铁路建设和运营的发展方向。 根据我国普通铁路实施扩能改造后 ， 相应行车密 度不断提高 、 列车轴重不断增加的实际情况 ， 以目前我 国普通铁路既有线上 3 2 m跨度全预应力混凝土简支 T梁为 工程 背景 ， 通过 1 2片 1 6预 应力 混凝 土 模 型 梁 非腐蚀环境和腐蚀环境下疲劳试验 ， 对两种环境下预 应力混凝土梁疲劳破坏形态进行 了研究 ， 对其破坏机 理进行了分析。通过对 比， 揭示普通钢筋配筋率在预 应力混凝土梁疲劳抗裂 中的重要作用 ， 为预应力混凝 土梁疲劳设计提供一些参考 。 1 工程背 景 本文工程背景选择利用标准图号为专桥 2 0 5 9 F的 普通铁路上 3 2 m普通高度预应力混凝土简支直 线 T 梁 为原 型梁 H ， 其 断面见 图 1 。 l J 跨 中 ( a ) 断面 I 鲤 支座 跨 中 支座 图 1 3 2 m 预应力混凝土简支 T梁横断面 ( 单位 ： mm) 2试 件设 计与 制作 2 1 模 型 梁截 面尺 寸 模型梁截面尺寸按照 1： 6的缩尺 比例进行加工 制作 ， 其钢筋材料 、 混凝土强度与工程背景中的原 型梁相 同， 相关设计 参数 与截 面尺 寸分别见 表 1和 图 2 。 表 1 模型设计参数 全长L跨度L o梁高h腹板宽 湛凝+ 堕 堑 ! 竺 竺 塑竺垡! m m mm m m 一 ， n k M P a 束数 每束根数 5 5 0 5 3 0 41 7 8 0 C 5 2 1 8 6 0 l 2 普通 钢筋布置 图 2模型梁设计 ( 单位 ： mm) 2 2预埋传 感 器 预埋传感器主要是基 于应 变量测 的应变 片传感 器 ， 分别布置在普通钢筋和预应力筋及梁体跨 中截面 混 凝土 表 面上 ， 见 图 3 。 普通钢筋的应变片分别布置在跨 中和加载点所在 截面处 的钢筋下表面 。 。 。 预应力钢筋的应变片布置在模型梁 1 8跨 、 加载 点 、 跨中等 5处截面钢绞线的下表面 ， 所有应变片布置 ( b ) 模型梁钢筋布置 百 跨 中 支座 的方向与其所在钢绞线边丝的走 向一致 “ 。 梁体跨 中截面混凝土表面上应变片在腹板 中均匀 布置 ， 马蹄上居中布置 。 2 3试验试件参数 本文预应力混凝土梁两种不同环境下疲劳试验共 有 1 2片模型梁 ， 其中静载试验 2片 ， 非腐蚀环境下疲 劳试验 5片 ， 腐蚀环境下疲劳试验 5片， 主要参数见表 2及 表 3。 桥跨中心线桥跨中心线 8 2 铁道标准设计 第 5 9卷 表 5试件疲劳寿命 试件编号 疲劳破疲劳限值 k N疲劳寿命 万次 坏类型 下限上限 N 0 2 N f 备 注 越大疲劳寿命越短 ； 锈蚀率 7 为腐蚀疲劳破坏 的临 界点( 临界点以疲劳寿命为 2 0 0万次进行定义 ) ， 超过 腐蚀 临界点以后 ， 需要对预应力混凝土梁进行加固。 5 结 论 通过 1 2片预应力混凝土梁在非腐蚀环境和腐蚀 环境下疲劳试验结果对 比分析 ， 可以得出以下结论。 ( 1 ) 静载时发生典型弯曲破坏形态 的预应力混凝 土梁 ， 在非腐蚀环境下 ， 疲劳破坏时有一个过程 ， 疲劳 破坏前具有明显预兆 ； 疲劳破坏主要是梁内受拉普通 钢筋的疲劳断裂引起 ， 非预应力筋 的应力幅值 ( 预应 力钢筋和受压区混凝土的应力幅值较小) 是影响预应 力混凝土桥梁疲劳性能的关键 因素 ， 非预应力筋 的疲 劳断裂控制着预应力混凝土桥梁的弯曲疲劳裂缝分布 形式 和破坏 形态 。 ( 2)在 非 腐 蚀 环 境 下 ， 恒、 活 载 跨 中 弯 矩 在 ( 0 3 5 0 4 5 ) 时为配筋合适的预应力混凝土梁疲 劳破 坏时 的临界 荷载 点 ( 为跨 中静 载极 限弯 矩 ， 临 界点 以疲劳寿命为 2 0 0万次进行定义) ， 超过该临界 点后 ， 需要 适时 加 固。 ( 3 ) 在腐蚀环境下 ， 梁底普通钢筋锈蚀后 ( 预应力 筋不锈蚀 ) ， 疲劳损伤程度随锈蚀率增大而增大 ， 锈蚀 率越大疲劳寿命越短 ； 锈蚀率 7 为腐蚀疲劳破坏 的 临界点( 临界点以疲劳寿命为 2 0 0万次进行定义) ， 超 过腐蚀 临界点以后 ， 需要对预应力混凝土梁进行加 固。 ( 4 ) 非腐蚀环境和腐蚀环境下 ， 预应力混凝土梁 中非预应力筋虽然对静载承载力贡献不大， 但是对疲 劳抗裂作用明显， 设计中应保证非预应力钢筋配置充 足 ， 包括充足的细密的箍筋、 侧面纵向补充钢筋和梁底 纵向抗裂钢筋、 锚下螺旋钢筋等非预应力筋 ， 以便分散 裂缝宽度， 提高疲劳破坏时的延性。 参考文 献 ： 1 耿志修 大秦 铁路 重载 运输 技术 M 北京 ： 中 国铁道 出版 社 ， 2 0 0 9： 16 2 左 家强 大秦铁路开行 2万 t 级重载列车对既有桥梁 上部结构 的 影 响 J 铁道标准设计 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 34 4 3 L 德艳 大轴重列车对既有线简支 T梁的静力影响研究 J 铁道 标准设计 ， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 7 47 6 4 铁道第三勘察设计院集团有限公 司 大轴重重载单元列车技术研 究 报告 R 天津 ： 铁道第 三勘察设计院集团有限公司， 2 0 0 9 5 李永贵 邯长邯济铁路扩能改造工程设计方案研究 J 铁道标准 设计， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 4 9 5 2 6 李进洲， 余志武 大轴重列车对既有线 3 2 m预应力混凝土 简支 T 梁的疲劳影响研究 【 J 铁道标 准设计 ， 2 0 1 4 ( 1 O )： 5 66 1 7 高立强 横梁腹板切 1：3 形状对正交 异性钢桥面板疲劳性能 的影 响 研究 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 4( 1 2 ) ： 6 7 7 1 8 余志武 ， 李进洲 ， 宋力 重载铁路桥 梁疲劳试验研究 J 土木工程 学报 ， 2 0 1 2 ， 4 5 ( 1 2 ) ： 1 1 51 2 6 9 李进洲 ， 余 志武 ， 宋力 重载铁路桥 梁疲劳变形和裂缝扩展规律研 究 J 土木工程学报 ， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 9 ) ： 7 2 8 2 1 O 李进洲 ， 余志武， 宋力 疲劳重复荷载下重载铁路桥梁 中性轴变 化 规律研究 J 铁道学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5( 6 ) ： 9 61 0 0 1 1 余志武 ， 李进 洲， 宋力 疲劳荷载后重载铁路桥梁剩余静载 承载 力 试验研究 J 铁道学报 ， 2 0 1 4 ( 4 ) ： 7 68 5 1 2 李进洲 ， 余志武， 宋 力 疲劳重复荷载下预应力混凝土梁 的刚度退 化规律研究 J 公路交通科技 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 8 ) ： 6 26 9 【 1 3 余志武 ， 李进洲 ， 宋力 普通钢笳锈蚀后预应力混凝土梁疲 劳试 验 研究 J 公路交通科技 ， 2 0 1 4 ( 4 ) ： 6 47 2 1 4 李进洲 预应力混 凝土桥 梁疲劳力 学行 为试 验研 究及 理论分 析 D 长沙 ： 中南 大学 ， 2 0 1 3 1 5 卢树圣 现代预应力混凝土理论与应用 M 北京 ： 中国铁 道出版 社 2 0 0 0 ( 上接 第 7 5页) 徐君兰 ， 孙淑红 钢桥 M 2版 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 1 1 李福生 北京密云潮白河 大桥钢箱梁三滑道顶推施工技术 J 铁 道勘察 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 8 38 5 王福兴 京杭运河常州邹 区大桥钢箱梁安装施工技术 J 铁道勘 察 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 6 26 4 李立 峰， 邵旭东 ， 易伟建， 等 扁平 钢箱梁局部 稳定模型试 验 J 中国公路学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 3 ) ： 6 06 5 顾兴宇， 周世 忠 车辆荷 载下 钢箱 梁沥 青混凝 土铺 装 受力 分析 J 东南大学学报 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 6 ) ： 1 82 0 郭 金琼， 房贞政 ， 郑政 箱形梁设计 理论 M 2版 北京 ： 人 民交 通 出版杜 ， 2 0 0 8 8 王冰 昌平轻轨钢一 混凝 土结 合连续 刚构桥设计 【 J 铁道 标准设 计 ， 2 0 1 4， 5 8 ( 6 ) ： 7 07 2 9 胡建华 现代 自锚式悬索桥理论与应用 M 北京 ： 人 民交通出版 社 ， 2 0 0 8 1 0刘世忠， 欧 阳永金 变截 面 薄壁箱 梁剪 力滞 剪切 变形 效应 分析 J 中国公路学报 ， 2 0 0 2 ， 1 5 ( 3 ) ： 6 1 6 3 1 1 欧阳永金 大宽跨 比连续钢箱 梁桥 的剪力滞效应研究 J 世界桥 梁 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 2 93 2 1 2 陈艳 贵广铁 路大跨 度预应力 混凝 土连续梁 端部局 部应 力分 析 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 3 ( 2) ： 5 76 0 ：