疲劳加载下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的试验研究*

孙俊祖 黄侨 任远

(东南大学交通学院，江苏南京210096)

钢筋锈蚀在钢筋混凝土桥梁结构的服役过程中普遍发生，是引致桥梁结构技术状况下降及耐久性劣化的重要因素之一．正常运营中的公路与铁路桥梁结构除受静力恒载的作用外，最主要的是承受车辆活载的反复作用，反复荷载的作用损伤累积到一定程度将引发无预兆的脆性疲劳破坏．沿海地区高氯离子含量的环境以及冬季除冰氯盐的大量使用加剧了桥梁结构中钢筋的锈蚀，日益增长的交通量及货运超载使得车辆荷载的反复作用越来越显著．毋庸置疑，钢筋混凝土桥梁结构处于腐蚀环境与车辆荷载反复作用的双重不利影响下，其正常使用性能将加速劣化，尤其是抗弯刚度将发生显著变化．钢筋混凝土梁的刚度是评价混凝土桥梁结构使用性能的重要指标之一．由此可见，科学可靠地定量描述锈蚀钢筋混凝土梁在疲劳反复荷载作用下的刚度具有重要的理论价值与工程意义．

目前，对于承载能力极限状态静力荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能的研究，在理论、试验方面积累了丰富的成果［1-6］．孙彬［7］通过分析影响锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的关键因素，提出了静载下考虑粘结力退化的抗弯刚度计算模型．张建仁等［8］通过37根锈蚀钢筋混凝土矩形梁的静载试验，给出了光圆与螺纹主筋随锈层厚度变化的刚度退化系数计算公式．然而，对于正常使用极限状态疲劳荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁刚度的研究，国内外的研究进展主要围绕定性的变化规律［9-14］，在定量计算公式方面，目前开展的研究较少，尚无统一的认识．王海超等［15］进行了疲劳荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁的试验研究，引入刚度降低系数对疲劳后的锈蚀钢筋混凝土梁的截面抗弯刚度计算公式进行修正．吴瑾等［16］根据锈蚀钢筋混凝土梁的弯曲疲劳试验结果，引入变形增大系数，基于建筑规范及欧洲规范拟合出了锈蚀钢筋混凝土梁在疲劳荷载下的跨中挠度计算公式．

文中在已有研究工作的基础上，结合既有钢筋混凝土梁桥的实际受力情况，进一步通过锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳加载试验，分析了锈蚀钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下刚度的变化规律，定量化地提出了疲劳加载下锈蚀钢筋混凝土梁刚度的计算公式，为既有混凝土桥梁结构锈蚀疲劳性能的研究提供可靠的理论支撑和可行的技术方法．

1 试验

1．1 试验梁设计与制作

本次试验共设计、制作了13根钢筋混凝土梁，其截面尺寸及配筋如图1所示．其中，1根试验梁进行静力加载，1根试验梁进行疲劳加载，11根试验梁加速锈蚀后进行疲劳加载．疲劳加载产生的钢筋疲劳应力下限值及应力幅值参考钢筋混凝土简支梁桥的自重恒载与汽车活载组合值确定．主筋采用直径为16mm的HRB335，实测屈服强度为478MPa、抗拉强度为608MPa．混凝土设计强度等级为C25，实测抗压强度为31．3MPa．主筋伸出梁端15cm，用于接线．绑扎钢筋前，逐根称量主筋的初始质量．

图1 试验梁截面尺寸及配筋图(单位:mm)Fig．1 Global and cross section dimension and reinforcing bar arrangement(Unit:mm)

1．2 电化学加速锈蚀试验

图2 主筋通直流电加速锈蚀试验照片Fig．2 Accelerated galvanic corrosion test of main reinforcing bars

试验梁成型并养护28d后，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(以下简称标准)的试验方法，对主筋通直流电进行电化学加速锈蚀，如图2所示．根据法拉第定律，通过施加大小不等的电流以及控制通电时间，从而使试验梁主筋达到不同的锈蚀率．电化学锈蚀达到预期的锈蚀率之后即进行疲劳加载试验．

1．3 疲劳试验加载与量测

试验梁采取3分点弯曲疲劳加载，挠度测点布置如图3所示．疲劳加载在双通道微机控制电液伺服动静态加载试验系统(型号:JAW-500 K/4)上进行(如图4所示)，采用力控制模式，正弦波形，加载频率为4Hz．经分析计算，疲劳荷载下限值取30kN，以模拟桥梁的恒载作用效应，上限值取70 kN，为试验梁静力破坏荷载的47．3%．主筋疲劳应力下限值为95．1MPa，上限值为 221．9MPa，应力幅为 126．8MPa．上述的试验荷载及其产生的应力效应相当于桥梁荷载在正常使用状态短期效应组合下的作用效应．当疲劳循环次数到达0次、1次、1万次、2万次、5万次、10万次、20万次、50万次、100万次、150万次、200万次后试验中止，对试验梁分级加静载至疲劳荷载上限值，每级10kN，采集挠度数据．当试验梁内任意1根主筋发生疲劳断裂，即试验力的变化超限，作动器自动卸载保护，防止破坏后的试验梁继续受力，试验终止．之后，凿碎混凝土取出锈蚀疲劳后的主筋，截取主筋疲劳断裂处两侧各5cm长区段，按照“标准”中的锈蚀率测定方法，除锈、打磨后称重，以质量损失作为实测的主筋锈蚀率．如循环200万次后仍未发生疲劳破坏则继续加静载至静力破坏．

图3 试验梁疲劳加载及挠度测点布置图Fig．3 Fatigue loading and deflection measurement layout of the specimens

图4 试验梁疲劳加载试验系统Fig．4 Fatigue loading test system for the specimens

2 试验结果与分析

2．1 锈胀裂缝

主筋锈蚀到一定程度后，在主筋附近的梁侧面或梁底面可以观察到顺筋锈胀裂缝的出现和发展(图5)，但同一主筋位置处的锈胀裂缝不会在梁侧面和底面同时出现．锈胀裂缝的出现，迅速削弱了钢筋和混凝土之间的粘结作用，粘结损伤随着裂缝的发展逐渐积累．

图5 J2、J3试验梁局部锈胀裂缝照片Fig．5 Local corrosion-induced cracks of J2and J3specimens

2．2 破坏形态

所有锈蚀后的试验梁在疲劳加载到一定次数后，均发生脆性疲劳破坏(图6)，其标志为梁内某一根主筋突然发生疲劳断裂，表现为疲劳荷载上限值突然下降，挠度突然增大，在钢筋断裂处形成较宽的主裂缝．试验梁在疲劳破坏时可清晰听到钢筋断裂的声音，无任何预兆，具有突然性、危险性．

图6 J1、J6试验梁疲劳破坏照片Fig．6 Fatigue failure of J1and J6specimens

未锈蚀的试验梁在循环200万次后不发生疲劳破坏，并在随后的静力破坏试验中表现出较好的延性破坏特征，实际破坏荷载为148kN，与未疲劳加载的未锈蚀梁的静力破坏荷载基本一致，表明疲劳作用对未锈蚀的钢筋混凝土梁的静力性能没有实质影响．

2．3 挠度变形

试验梁在不同疲劳循环次数后测得的分级静载下的跨中挠度如表1所示，从表1中可以发现:

(1)从初始的未循环加载未出现裂缝至循环1次后出现裂缝，试验梁的跨中挠度急剧增大，梁截面刚度大幅削弱(疲劳循环次数N=0，1次)．首次加载后刚度显著降低，是因为受拉区混凝土开裂并退出工作，中性轴上移，全截面抗弯惯矩转变为开裂截面抗弯惯矩．

(2)混凝土开裂后，在疲劳荷载的反复作用下，试验梁的跨中挠度逐渐增大，梁截面刚度进一步缓慢下降(N≤5万次)．这是由于主筋锈蚀后表面的锈层破坏并降低了主筋与混凝土之间的化学胶合力与静摩擦力，横肋的锈蚀进一步削减了主筋与混凝土之间的机械啮合作用，这将导致主筋与混凝土变形上的不一致，钢筋与混凝土之间的应变不均匀且有增大的趋势．在疲劳荷载的作用下，既有裂缝继续延伸发展、缓慢增宽以及逐渐新产生的竖向裂缝释放了这种变形的不协调，从而使得裂缝间主筋与混凝土的应变趋于一致．

(3)随着疲劳循环次数的持续增多，试验梁的跨中挠度基本保持不变，刚度维持稳定(N＞5万次)．这是由于疲劳裂缝的产生已基本完成，由锈蚀引起的主筋与混凝土之间的粘结退化及应变不协调的损伤再积累过程十分缓慢．

以上表明，在疲劳反复荷载作用下，试验梁开裂后随循环次数的增加跨中挠度的变化具有明显的两阶段特征，即缓慢增大并趋于稳定;与之相应，也间接反映出试验梁的刚度变化同样具有两阶段的变化特征，即缓慢减小并趋于稳定．

表1 分级静载下给定循环次数时跨中挠度实测值Table 1 Measured values of mid-span deflection under static step loading at prescribed number of fatigue cycles

续表1

3 疲劳加载下锈蚀钢筋混凝土梁刚度修正计算公式

通常，钢筋混凝土梁不能被视作各向同性的弹性材料，由于带裂缝工作，其截面抗弯刚度随荷载作用时间、作用大小的变化而变化．考虑到试验梁加载时间较短，仅对短期刚度展开研究，从而适用材料力学中均质弹性梁的跨中挠度计算公式:

式中:λ为与支承条件、荷载形式相关的系数，对于本试验，由结构力学易得λ=0．1065;l为计算跨径，本试验l=1．5m;f、M、B为跨中截面的挠度、弯矩及抗弯刚度．

JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(以下简称规范)第6．5．2条给出了钢筋混凝土受弯构件短期刚度(Bs)的计算公式:

式中各符号的定义及取值详见规范规定．

规范给出的短期刚度计算公式未考虑钢筋锈蚀与疲劳作用的影响．为了定量反映锈蚀与疲劳双重作用影响下梁截面抗弯刚度的变化，引入锈蚀作用刚度修正系数g(η)及疲劳作用刚度修正系数g(N)对规范中钢筋混凝土梁的短期刚度进行修正:

式中，η 为锈蚀率，c1、c2、d1、d2为待定系数．

结合式(1)-(5)，并根据本试验12片不同锈蚀率的试验梁在循环1次、1万次、2万次、5万次、10万次、20万次、50万次、100万次、…，荷载10、20、30、40、50、60、70 kN 情况下的 616 个挠度实测值，非线性拟合出 c1=0．091 2、c2=0．081 3、d1=4．2828、d2=2．1425，从而得到锈蚀钢筋混凝土梁在疲劳反复荷载作用下刚度的修正计算公式为

对于本次试验的试验梁，根据式(1)、(2)、(6)计算的挠度值与实测值的偏差分析的统计结果如图7所示．从图中可以看出，公式计算值与试验实测值的偏差绝大多数在0～15%，且其中大部分偏差在10%之内，检验了所拟合出的计算公式的可靠性．这样的误差对于工程应用而言是令人满意的，证明了文中提出的刚度修正计算公式具有一定的适用性，可为锈蚀钢筋混凝土梁桥长期活载作用下挠度变形的计算与评估提供参考．

图7 试验梁刚度修正计算公式偏差分布图Fig．7 Deviation distribution of modified calculation formula for flexural stiffness

4 结论

(1)所有锈蚀后的试验梁在循环加载到一定次数后，均发生脆性疲劳破坏，标志为试验梁内的某一根主筋疲劳断裂，无任何预兆，具有突然性、危险性．未锈蚀的试验梁在循环200万次后不发生疲劳破坏，并在静载破坏试验中表现出较好的延性破坏特征，表明疲劳作用对未锈蚀梁的静力性能没有实质影响．

(2)在疲劳反复荷载作用下，试验梁截面抗弯刚度随循环次数的变化具有明显的两阶段特征，即缓慢减小并趋于稳定．

(3)在试验梁截面抗弯刚度变化规律定性分析的基础上，引入分别考虑钢筋锈蚀与疲劳作用的刚度修正系数，定量化地提出了锈蚀钢筋混凝土梁在疲劳反复荷载作用下刚度的修正计算公式，并对公式的计算值与试验实测值进行了对比验证，可用于长期车辆活载作用下锈蚀钢筋混凝土梁桥挠度变形的计算与评估．

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