地铁钢筋混凝土梁刚度衰减规律试验研究.pdf

3 5 8 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 4卷第 4期 2 0 1 3年 4月 Vo 1 4 4 No 4 Ap r 。2 0 1 3 地铁钢筋混凝土梁刚度衰减规律试验研究 陈梦成，秦臻 ，王 凯，谢 力 ( 华东交通大学土木建筑学院 ， 3 3 0 0 1 3 ， 南昌) 摘 要 ：采用四点弯曲疲劳试验 ， 模拟研 究了地铁钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减劣化特点以及与疲劳荷 载应 力水平 闾的关系 ， 试验 同时还得到空气环境 以及杂散 电流和氯盐环境耦合环境下的腐蚀疲劳S 一 方程 。研究表 明 ， 在相 同应力水平作 用下 ， 腐蚀疲 劳构件和空白样的疲劳刚度衰减过程均呈典 型的三阶段特征 ， 相对 空白样 ， 腐蚀疲劳构件表现出典型的腐蚀疲劳特征 。同时还通过对比分析 ， 得 出不同应力水平下腐蚀疲劳构件 的疲劳刚 度衰减过程总体上均呈现 出三阶段特征 ， 衰退速 率会随应力水平增大而增加 ， 并且当应力水平较大时衰减 过程 可能会退化成二阶段 。 关键词 ：地铁钢筋混凝土 ；疲劳刚度 ；应力水平 ；杂散 电流 ；氯离子 ；疲劳寿命 中图分类号 ：T U5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 3 5 8 0 4 EXPER【 M匮N I AL RES EARCH ON S TI FFNES S DEr El UORA1 1I oN LAW S oF S UBW AY REI NFoRCED CoNCRETE BEAM CHEN Me n g - c h e n g ，QI N Z h e n，W AN G K a i ，XI E L i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h it e c t u r e ，E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，3 3 0 0 1 3 ， Na n c h a r ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th r o u g h t h e f o u r- p o i n t b e n d i n g f a t i g u e t e s t ， t h e f a t i gue s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n a t t e n u a t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f t he s u b wa y r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n f a t i gu e l o a d a n d s t r e s s l e v e l we r e s t u d i e d o n s i mu l a t i o nC o r r o s i o n f a t i g u e e q u a t i o n s o f S N u n d e r t h e c o u p l e d e n v i r o n me n t o f s t r a y c u r r e n t a n d c h l o rin e s alt e n v i r o n me n t h a v e a l s o b e e n p r e s e n t e d i n t h e e x p e r i me n t s T h e r e s e a r c h s h o we d t h a t i n t h e s a me l o a d l e v e 1 f a t i g u e s t i f f n e s s a t t e n u a t i o n p r o c e s s e s 0 f c o r r o s i o n f a t i g u e s p e c i me n s a n d t h e c o n t r a s t s p e c i me n s p r e s e n t t h e t y p i c a l t h r e e s t a g e c h a r a c t e r i s t i c s Co mp a r e t o t h e c o n t r a s t s p e c i me n s ，c o rro s i o n f a t i gu e s p e c i me n s s h o w t h e t y p i c a l c o rro s i o n f a t i g u e f e a t u r e T h r o u g h c o mp a r i s o n a n d an a l y s i s u n d e r d i ff e r e n t l o a d l e v e l s ，f a t i gu e s t i ff n e s s a t t e n u a t i o n p r o c e s s o f c o r r o s i o n f a t i gu e s p e c i me n s s h o w t h r e e s t a g e c h a r a c t e ris t i c s o n t h e wh o l e ，t h e d e c a y r a t e wi l l i n c r e a s e s a s l o a d l e v e l i n c r e a s e s ， a n d t h e a t t e n u a t i o n p r o c e s s ma y d e g e n e r a t e i n t o t wo s t a g e s wh e n t h e l o a d l e v e l b e c o me b i g g e r Ke y wo r ds ：me t r o r e i nfo r c e d c o n c r e t e ；f a t i g u e s t i f f n e s s ；l o a d l e v e l ；s t r a y c u rre n t ；c h l o r i n e s a l t ；f a t i g u e l i f e 钢筋混凝土因为其 自身具有较好的服役性能 ， 在 基础工程建设 中得以广泛应用。而对于采油平 台、 铁 路 、 桥梁等基础工程建设， 其主体混凝土结构不但会受 到外部机械荷载作用 ， 有时还会遇到腐蚀环境 。 目前国 内外许多学者对钢筋混凝土中多因素协 同作用下其刚 度退化规律进行了大量研究 ， 并获得了丰富成果。 刚度是体现结构构件承载力的重要指标 ，因此 ， 对复 杂腐蚀环境 中构件刚度变化规律 的实际研究意 义重大 。有文献也提出疲劳模量 的概念 ， 即施加 的应 力和应变比值 ， 疲劳模量的变化可看做材料刚度 的变 化 。 疲劳模量作为衡量钢筋混凝土构件刚度大小 的指 收稿 日期 ：2 0 1 3 一 O 1 0 4 基 金项 目 ：国家“ 9 7 3 ” 计 划项 目( 2 0 1 1 C B 6 1 2 2 1 0 ， 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 0 0 2 0 5 0， 5 0 9 6 8 0 0 6 ) 作者简介 ：陈梦成 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 江两高安人， 教授 ， 博 士 ， 主要研究方向 为 重大 土 木 工程 安 全 性 与耐 久 性 ， e ma i h m e n g c h e n g _ c h e n y a h o o Com cn 标 ， 其数值与组成构件 的材料特性 、 工作环境等 有直 接关系。 当采用直流供电牵 引方式 的地铁列车在运行时 ， 会有部分电流泄漏到土壤中，这部分迷失电流专业术 语上称之为杂散电流 ， 它将对土壤中的金属类结构， 如 钢轨 、埋地金属管线和地下工程混凝土主体结构内部 钢筋等造成严重的环境腐蚀 ， 从而加速结构性能退化 、 降低结构承载力、 缩短结构服役寿命、 增加结构维修费 用 ， 严重影响了轨道结构的耐久性 、 安全性和经济性 。 广州 1 和天津等地地铁均 出现了因杂散电流腐蚀导致的 管道穿孔现象。由于地铁混凝土主体结构通常距离地 面较深 ， 地下侵蚀介质如氯离子等含量丰富 ， 若土壤透 水性较强 则氯离子极易通过混凝土渗透到钢筋表面 ， 诱发钢筋腐蚀 ， 因此 ， 地铁混凝土主体结构常会受到列 车运动荷载、 杂散电流和氯离子等多种因素协同作用 ， 势必加剧结构的损伤劣化 ，给地下列车的安全运行造 2 0 1 3 年 4月 陈梦成 ， 等 ： 地铁钢筋混凝土梁刚度衰减规律试验研究 3 5 9 成 了极大威胁 。 目前对杂散 电流 、 氯盐和疲劳荷载三因 素耦合协 同作用对混凝土结构疲劳性能影响缺乏深入 的研究。 综上所述 ，有必要对地铁混凝土结构的疲劳损伤 特性尤其是疲劳刚度演变规律进行研究。本文针对不 同应力水平下杂散 电流和氯盐耦合作用的弯曲疲劳刚 度衰减变化规律 ，研究了应力水平对多重腐蚀介质下 疲劳损伤劣化过程的影响变化规律。并根据所得试验 数据建 立杂散 电流一 氯离子一 弯 曲疲劳共 同作用下钢 筋混凝土构件的S 一 寿命曲线方程 ，为地铁混凝 土结 构 的耐久性 、安全性设计和寿命预测提供理论依据和 试 验基 础 。 l 试验概况 1 1试 件设计 试验用钢筋混凝土试件尺寸为 1 0 0 ram 1 6 0 m m 1 2 0 0 mm。试件 中主筋采 用HR B 3 3 5 级 带肋钢筋 直 径空1 2 ； 架 力筋采用H P B 2 3 5 级光 圆钢筋 ， 直径( p 6 ， 箍 筋 与架力筋为 同一类钢筋 ， 设计 间距 为8 0 m m。 1 2 钢筋 的力学性能 ：屈服强度 为4 9 7 3 MP a ，抗拉强度 为6 2 1 2 MP a 。( D 6 钢 筋 的力 学 性 能 ：屈服 强 度 为 4 9 7 3 MP a ， 抗 拉强度 为4 2 1 1 MP a 。钢筋混凝 土试件 保护层厚度设计为2 0 mm。 钢筋混凝 土试件结构如图 1 所 示 。 ( a ) ( b ) 图 1 试件 尺寸及截 面配 筋示意 ( a ) 立面 ； ( b ) 1 - 1剖面 2 q b 6 2 91 2 浇筑混 凝土 用水泥 为P 0 4 2 5 级 普通 硅酸 盐水 泥 ； 中砂 来 自赣江 ， 最大石子粒径为2 5 m m； 混凝土强 度等级 为C 4 0 ，配合 比为 ：水泥 ： 砂： 石子： 水= 1 ： 1 3 5 ： 2 5 ： 0 3 5 。纵 向受拉主筋一段接有长约2 m的导线 ； 主 筋与箍筋相交处用塑料管绝缘 ，防 止电流从 主筋泄 露到其他部位钢筋。 1 2试验 装 置 试验在华东交通大学结构工程重点实验室MT S 电 液伺服疲劳试验机上完成的， 试验系统如图2 所示 。所 有试验均为四点弯曲疲劳试验 。 图 2试验加 载装置 1 3试 验方 法 钢 筋混凝土试件在 自然养护9 0 d 后移至上述疲劳 试验系统中疲劳试验时同时施加 弯曲疲劳荷载与杂 散电流 。 疲劳试验过程中按照不同应力水平( r ： P u ， 式 中 ： 为疲劳荷载 的极大值 ， 尸 u 为试件静载极限承 载力 ，本文为7 5 k N) 0 6 0 ， 0 7 0， 0 8 0 P u 进行疲劳加载控 制， 采用正弦波加载 ， 频 率为3 5 H z 。依据刚度控 制原 则，以疲劳试验机记录的钢筋混凝土试件跨中挠度位 置达N3 o ， 或 者当疲劳寿命达N2 x l O 次时 ， 中断 疲劳试验。 杂散电流施加 由自制可控硅直流电源提供 的直流 电模拟 。 杂散 电流一 氯离子腐蚀环境模拟按如下方式进 行 ： 第一步 ， 将 自然养护好的梁试件放入装有3 5 ( 水 的质量分数) N a C 1 溶液的防腐钢箱中 ， 浸泡2 3 d ， 以确 保 主筋与下述钢板之 间在 刚通 电时能够形成 电流通 路 。注意钢箱中N a C 1 溶液 上表面处位于主筋水平直径 位置( 图3 ) ； 第二步， 将3 O V直流电源正极与试件主筋一 段焊接导线相连 ， 电源负极则与不锈钢板相连 ， 同时在 电流回路中串联一 固定电阻， 大 小为1 0 0 n， 以使杂散 电流模拟过程中保持稳定 。 为便于对比 ， 同时也进行了 一 组空气环境下钢筋混凝土梁弯曲疲劳试验 。Y H D一 5 O 动态挠度仪3 0 6 D F 智能信号采集处理分析仪用来 记录梁试件每一循环弯曲疲劳荷载作用下最大跨中挠 图 3 加载系统示意 3 6 0 建筑技术 第 4 4卷第 4期 度 。考虑到疲劳试验的离散性 ， 最终均以3 根平行试件 试验数据的平均值作为测试结果。 2 试验结果分析 2 1 疲 劳 刚度 衰减 规律 对 比 图4 给 出了空气环境和腐蚀环境下应力水平为0 6 时试验的疲 劳模 量比 ( E ， 式中 ： E 为疲劳弹性模 量 ； 为初始弹性模量 ) 随循环次数 ( ) 变化曲线 ， 其 中空气下应力水平 为0 6 试验作为空白样对比试验进 行 。由图4 可看 出， 随着循环次数的增加 疲劳模量均 呈不断衰减趋势。虽然疲劳试验的实际测试结果存在 一 定的离散性 ， 但可看出衰减过程大致相似 ， 表现 出一 定的规律性 ，均呈现三阶段特性。同时与空气下对比 样本相比 ， 腐蚀状态下疲劳寿命有明显的降低 ， 由表1 可知， 疲劳寿命下降了1 0 3 ， 表现 出明显的腐蚀疲劳 特征 。究其原因 ，主要在于杂散电流下的氯化钠溶液 构成的腐蚀介质极大地影响了构件的抗腐蚀性能。腐 蚀疲劳是腐蚀介质和交变应力对构件的耦合作用 ， 从 而使得疲劳不断促进腐蚀的发展 ，而腐蚀又缩短了结 构的疲劳寿命。 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 循环次数 万次 图 4 空气和腐蚀状态下 r = O 6疲劳模量衰减曲线 表1 腐蚀疲劳试验结果 空气状 态 腐蚀状态 应力水平 疲劳寿命， 次 疲劳寿命， 次 O 6 5 3 6 7 8 2 4 8 66 71 O 7 5 011 3 7 3 6 621 2 0_8 3 4 48 9 2 2 01 8 0 2 2 2 应 力水 平变化 对疲 劳 刚度影 响规律 图5 为腐 蚀环境下 应力水平分别 为0 6 ， 0 7 ， O 8 的疲劳模量一 荷载循环 次数 曲线 。 由于各状 态下试 验寿命 不同 ，为对模量 衰减状况进行 对比研究 ， 把 各试验数据统一在 以循环 次数为因变量 的图上。图 5中空心 点为试验实测 数据 。实线为 第二阶段拟 合 直 线 。 l O 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 循环次数IV 万次 图 5 不同应力水平下腐蚀疲劳模量衰减趋势对比 由图5 可知 ， 变化规律的第二阶段占据了试验 的绝 大部分 ，并且基本呈线性 ，对这些部分进行线性拟合 ( 图5 中实线) ， 得到其相关性很高 ， 均超过9 0 ， 由此可 见在这个阶段疲劳模量和循环次数之间存在较好的线 性关系。对此阶段拟合的表达式为： E = E o _ _ ( 1 ) 式中 E f ，l厂一 疲劳弹性模量 ； 一 初始弹性模量 ： 拟合直线段斜率绝对值 ； 循环次数 。 刚度衰减速率 是一个与腐蚀疲劳环境特征和构 件材料性能有关的参数 ， 由图5 可看 出， 在腐蚀环境相 同、 应力水平增大的条件下， 值越大 。 对应的构件疲劳 寿命越小 、 损伤劣化的程度越大 ， 从而可知 ， 的绝对值 反映了构件损伤速率的大小。对上述阶段拟合得到的 疲劳模量随循环次数变化的拟合方程分别为： E = E 0 0 0 0 5 1 N ( 2 ) E c ) = E o - 0 0 1 0 1 N ( 3 ) 置 = _0 0 2 06N ( 4) 则模量衰减速率|j 绝对值分别为0 0 0 5 1 ， 0 0 1 0 l ， 0 0 2 0 6 ， 应力水平为0 7 ， 0 8 下的 值分别为应力水平为 0 6 下后 值的2 4 倍左右。这表明在相 同腐蚀条件下 ， 随 着应力水平的提高 ，其对应的疲劳刚度衰减速率和劣 化程度均有不同程度的提高 ，疲劳寿命也有不同程度 的缩 短 。 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 0 0 O O O 0 O O 0 【 u一 丑诹 献 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 O O 0 O 0 O O O 。 一 目： H 咖 献 2 0 1 3 年 4月 陈梦成 ， 等 ： 地铁钢筋混凝土梁刚度衰减规律试验研究 3 6 1 同时由图5 可看出， 各构件疲劳模量随循环次数增 加而不断衰减 ， 具有典型的三阶段变化特征 ， 与现有国 内外研究结果相吻合 。第一阶段为循环荷载加载初始 阶段 ，此时梁试件疲劳刚度衰减速度较快 ，而且不稳 定 ； 随着疲劳荷载次数增加 ， 梁试件疲劳刚度退化进入 第二阶段 ， 整体呈现为平稳缓慢下降趋势 ， 此时疲劳刚 度与循环次数几乎呈线性关系，如图5 中实线所示 ， 这 一 阶段疲 劳寿命 次数约 占梁试件 疲劳寿命 的7 5 左 右 ； 进入第三阶段 ， 各梁试件疲劳刚度均有大幅度 的衰 减 ， 构件最终瞬间破坏 。并且可看出， 当腐蚀疲劳条件 严重时 ， 如 图5 中应力水平为0 7 和0 8 时 ， 整个腐蚀疲劳 刚度衰减过程 已有呈两阶段变化的趋势 。上述试验规 律与试件内部裂缝的萌生 、稳定扩展和不稳定扩展三 个阶段相互对应 ，宏观试验数据和微观试验现象相互 印证 。 2 3疲劳 寿命 预测 表1 为空气环境和腐蚀环境中不同应力水平作用 下疲劳寿命情况 ， 显然由表1 可知 ， 随着应力水平的提 高 ， 不论 是空气环境还 是腐蚀环境 ， 构件 的疲 劳寿命 均有不 同程度的减小 ， 虽然存 在一定的离散 性 ， 但 与 一 般 的疲劳试验结论是基本吻合 的。同时可看 出 ， 同 一 应力水平下腐蚀环境的疲劳寿命比空气下 有明显 的下降 。 均呈现 出典 型的腐蚀疲劳损失特征 。 从 而进 一 步验证了疲劳荷载与环境因素耦合作用对混凝 土 耐久性 的影响 ， 并且反映出腐蚀疲劳进一步深入研究 的必要性。 研究表明， 一般情况下构件和材料s 一 混凝土疲劳 方程可用下式表示： S = a - b l g N ( 5 ) 式中 卜疲劳荷载的最大应力水平； 口 ， 6 与加载方式 、 材料 、 应力比等相 关的试 验常数； 在|s 作用下混凝土的极限疲劳寿命 。 基于疲劳试验数据可得空气环境和腐蚀环境下疲 劳寿命5 一 曲线( 图6 ) 的疲劳方程 ： S = 5 7 8 2 9 - 0 8 9 8 7 l ( 6 ) S = 3 4 7 1 3 - 0 5 0 2 2 l g N ( 7 ) 3结语 ( 1 )在相同应力水平下 ， 钢筋混凝土试件 受杂散 电流和氯盐共同作用的腐蚀疲劳刚度损伤劣化过程与 空气状态下相似 ，并且 由于腐蚀介质和交变应力的共 同耦合作用 ，腐蚀疲劳条件下的损伤演变过程表现 出 典型的腐蚀疲劳特征。 图 6 空气环境和腐蚀环境 下疲劳寿命 S 一 曲线 ( 2 )对处于相 同腐蚀环境中 的钢筋混凝土试件。 疲劳荷载对腐蚀具有促进作用 ， 随着应力水平的提高， 构件腐蚀疲劳损伤劣化速率和损伤劣化程度均不断提 高 ， 并且应力水平越高 ， 对构件损伤越明显。同时也可 看出。 虽然各试件损伤劣化程度不同， 但是总体上均呈 典型的三阶段特征 ，当应力水平较高、腐蚀条件严重 时 ， 劣化过程可能退化为两阶段 。 ( 3 )根据不 同应力水平下杂散 电流和氯盐耦合作 用的弯曲疲劳试验数据 ， 得 出应力水平一 疲劳寿命关系 曲线 ， 即s - 曲线 ， 建立本文设置特定腐蚀环境下腐蚀 疲劳构件s 一 疲劳方程 ，为杂散电流一 氯离子一 弯曲疲 劳荷载共同作用下地铁混凝土结构的耐久性 、安全性 设计和寿命预测提供理论依据和试验基础。 参考文献 1 慕儒 冻融循环与外部弯曲荷载、 盐溶液复 合作用下混凝土 的耐久 性与寿命预测 D 南京： 东南大学，2 0 0 0 2 何世钦，贡金鑫负载钢 筋混 凝土梁钢筋锈蚀及使 用性 能的研究 J 东南大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 7 4 4 7 9 3 蒋金洋， 孙伟， 金祖权 ， 等 疲 劳载 荷与碳化 耦合作 用下结构 混凝土 寿命 预测 J 建 筑材料 学报， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 3 0 4 3 0 9 4 王海超， 贡金鑫， 宋 元成 钢筋混凝土梁腐 蚀疲劳的试验 研究 J 建 筑结构学报，2 0 04， 2 5 ( 5 ) ： 1 0 5 - 1 1 0 5 易伟建 晓东 锈蚀钢 筋混凝土梁疲 劳性能试验 研究 J 土木工 程 学报， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 3 ) ：6 - 1 0 6 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( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 3 ) ：4 2 1 4 2 6 7 何世钦， 滕起 ，徐 锡权， 等 混凝土梁腐 蚀疲 劳刚度衰减规律 J 哈尔 滨工业大学学报，2 0 0 8 ， 4 0 ( 6 ) ： 9 6 1 - 9 6 4 8 黄文新 ， 殷素红 ， 李铁 锋 ， 等 杂散 电流对广仆1 地铁 混凝土溶蚀性能 影响的加速试验研究 J 混凝 土， 2 0 0 8 ， ( 8 ) ： 1 7 2 0 ， 3 3 9 赵宇辉地铁 杂散 电流腐蚀及其对隧道结构可 靠度与耐久性的影 响 D 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 7 1 O 侯保荣 ， 郭公 玉 ， 马士德 ， 等 海洋腐蚀环境 理论及其应 用 M 北 京 ： 科 学出版社， 1 9 9 9 陈传尧 疲 劳与断裂 M 武汉 ： 华 中科技大学 出版社， 2 0 0 2 1 2 陈梦成 ， 秦臻 ， 王凯 ， 等 杂散 电流与氯盐耦合 作用下钢筋 混凝 土 梁疲劳刚度衰减规律研究 J 高速铁路技术， 2 0 1 2， ( 2 ) ： 2 5 2 9