RC混凝土梁疲劳的基本试验要点分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧颖（天津城投集团天津300381）

RC混凝土梁疲劳的基本试验要点分析

魏克勤（天津第一市政公路工程有限公司天津300133）

成慧颖（天津城投集团天津300381）

对碳纤维增强钢筋混凝土梁疲劳试验的全过程进行了分析讨论，并论证了疲劳试验在工程应用中的必要性。针对试验的基本要点，结合试验模型的受力情况，提出了相关建议。系统研究了试验在材料组成、构件制作、实验数据处理等方面的注意事项。结合相关资料制定了操作流程。

钢筋混凝土梁疲劳试验操作流程要点分析

0 引言

疲劳力学是建立在实验基础上的一门科学。目前对疲劳损伤机理、疲劳强度理论的研究虽然已经取得了许多成果，计算机模拟和其他计算手段也有了革命性的进步，但是试验仍然是材料和结构疲劳性能研究的基础和检验分析结果的唯一手段。只有模拟真实的荷载及使用环境，对所研究的对象进行实际使用环境下的疲劳性能试验，才能正确地评价它们的真实疲劳特性，验证疲劳设计的预期效果。

对于碳纤维（CFS）增强钢筋混凝土（RC）构件的研究来说，科学、系统的疲劳性能试验更为重要。目前国内外已经在逐步开始大规模的运用CFS粘贴加固RC构件的技术，但同时对这种增强结构的疲劳性能研究可以说还是刚刚起步，研究成果还相当缺乏。所以进行CFS增强RC构件的疲劳性能试验对于这项技术进一步的理论研究以及更有效、安全地在实际工程中运用具有至关重要的意义。[1]

1 CFS增强RC构件疲劳试验工作安排

疲劳性能试验主要就是研究材料或结构在反复荷载作用下的响应和性能，以及两者的变化规律；确定研究对象承受疲劳荷载的能力（这主要包括了疲劳极限和疲劳寿命两个方面）。通常要进行的检测项目有：设定分级的疲劳荷载水平，检测试件在不同疲劳荷载水平作用下的疲劳裂缝萌生和发展状况；设定编制的疲劳荷载谱，检测在这种疲劳荷载谱作用下试件各部分的疲劳响应（包括应力、应变、挠度等）；记录在不同的荷载水平下各试件在达到某些指定的损伤状态时所经历的疲劳荷载循环次数等。[2]

该类型疲劳试验的试验目的主要是研究在常幅疲劳荷载作用下CFS增强RC构件的疲劳性能，应进行以下的试验工作：

①进行材料性能试验。测定制作试件用的钢筋、混凝土和碳纤维薄板（CFS）的材料参数。

②设计疲劳试验，并根据此次疲劳试验研究的要求设计制作CFS增强RC构件，调试准备电液伺服疲劳试验机和应变信号动态采集与分析系统。

③分别对无增强的RC构件和粘贴CFS薄板增强的RC构件进行准静态试验，得出两者的静载结构性能数据。

④进行常幅疲劳荷载作用下的CFS增强RC构件的疲劳性能试验。测定各种有用和有效的数据。

⑤疲劳数据初步整理。为构件疲劳性能分析做准备。由于在试验中是不间断地对荷载、挠度、多个部位的应变等数据进行高频率采集记录，故得到的原始数据量是相当大的，但显然其中有很大一部分的细节是可以忽略掉的，所以应对原始记录的数据进行初步整理。

2 疲劳试验设计

试件组成材料：CFS增强RC构件包括混凝土、钢筋、碳纤维薄板（CFS）和粘结剂4个组成部分。每个部分的力学性能都直接影响到增强构件整体的疲劳性能，因此，有必要对它们进行材料性能试验以测定其材料力学参数。

2.1 试件设计与制备

设计三点弯曲试件尺寸时，一方面要考虑到试验条件，特别是疲劳试验仪器的限制；另一方面参考了其他相关试验中的试件尺寸。梁的配筋设计主要是考虑加载设备的量程范围，并要求设计的配筋是适筋情况。

2.2 试件养护

由于受试件尺寸和重量的限制，养护采用的是自然养护，即在养护室自然稳定的条件下，用麻袋将混凝土试件覆盖，并浇水保持试件湿润。养护28 d后移出养护室晾干。

2.3 CFS粘贴增强

试验在试验梁的底部受弯拉区域粘贴CFS，碳纤维方向为沿试验梁的纵向。加固粘贴方法为：①对RC试验梁的粘贴表面进行处理，使之平整、洁净；②将粘结剂均匀地涂抹在粘贴表面，厚度为0.5mm左右；③将CFS薄板贴于粘贴表面上，压实，检验确保粘贴界面无空洞、气泡后，用加压工具固定、加压。常温下固化，48～72 h即可达到设计强度。

2.4 加载方式

最常见的两种加载方式为三点弯曲加载和四点弯曲加载。三点弯曲的疲劳状态与实桥构件的疲劳状态更为接近。若采用三点弯曲疲劳试验方法，按照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ 012-1994）规定，重车轴载与标准轴载对刚性路面（混凝土路面）作用产生的疲劳损伤程度换算为16次方的关系，即等效换算系数为F=（P重/P标）16。相对而言，后轴荷载对桥梁钢筋混凝土结构的疲劳损伤会远远大于前轴荷载引起的疲劳损伤。[3]

3 疲劳试验数据检测

对于疲劳试验数据的检测、记录，主要分为两种形式：一种是疲劳试验进行过程中的实时检测和记录，这些数据是动态记录的，主要包括荷载、跨中挠度数据以及各点的应变数据；另一种是在疲劳试验短停和完全结束（包括试件破坏和加载次数达到200万次而试件没有破坏的两种情况）时进行的检测和记录，这些数据是静态或者准静态测量和记录的，主要是裂缝的发展情况。

在三点弯曲作用下，试件梁的跨中截面是结构的控制截面。因此应主要检测试件跨中的各点应变。同时应根据混凝土、钢筋、碳纤维的特性，选用不同的应变片。裂缝宽度测量主要使用裂缝读数、显微镜人工读数，试验过程中还需测量每根试件的裂缝间距。

4 试验操作流程

在所有试件的制备和仪器的准备、调试工作做好之后，即可以进入正式的疲劳试验了。在疲劳试验过程中，为了规范化试验操作，有利于试验的科学、安全、稳定进行，疲劳试验操作流程如图1所示：[4]

图1 疲劳试验流程图

5 小结

本文深入介绍了CFS增强RC构件的疲劳性能试验，包括了试验的设计、准备工作以及初步的试验结果整理和分析。选择和设计了疲劳试验的加载方式、数据采集系统以及疲劳试验的操作流程；对试件试验结果的数据检测进行了初步研究分析，提出了对疲劳试验过程中构件的跨中挠度变化进行主要跟踪的试验思路，并且应密切关注裂缝间距，以及在试验过程中裂缝的扩展情况。本文的研究成果可以为CFS增强RC构件的疲劳损伤试验提供相关的理论借鉴。■

[1]吴春秋，侯建国，戴晓艳.碳纤维片材加固混凝土梁中粘结界面应力的有限元分析[J].四川建筑科学研究，2004（1）：41-43.

[2]王文炜，赵国藩.玻璃纤维布加固的钢筋混凝土梁挠度计算[J].四川建筑科学研究，2004（3）：33-36.

[3]孙建敏，赵晓华.考虑二次加载时碳纤维布加固混凝土梁挠度的简化计算方法[J].四川建筑科学研究，2004（3）：50-52.

[4]曾祥蓉，江世永，陈进，等.不卸载时预应力碳纤维布加固混凝土梁有限元分析[J].四川建筑科学研究，2005（3）：60-62.

2011-03-09