加载频率对高强钢筋疲劳试验的影响研究

林 辉,徐升桥

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

我国土木工程建设领域以钢筋混凝土结构为主，热轧带肋钢筋为主要原材料。2013年全国各大区域热轧带肋钢筋产量分布如图1所示。由于铁路工程结构刚度较大，荷载作用较大，高强钢筋的应用有助于改善结构受力。铁路工程结构由于受重复-交变荷载的作用，往往在低于材料允许应力的服役条件下产生疲劳破坏。虽然建工行业标准提出了高强钢筋的疲劳设计参数，但其试验样本少，且主要采用大型钢铁企业产品数据，代表性差。重要的是建筑结构疲劳受力特性不显著，铁路工程不能直接参考使用。目前，铁路标准中缺少HRB400及以上高强钢筋的疲劳性能设计参数。为充分发挥高强钢筋的技术经济性能，有效降低钢筋用量，中国铁路总公司组织开展了铁路工程应用高强钢筋的相关试验研究，第一阶段进行了高、低频试验对高强钢筋疲劳性能影响的研究。

图1 2013年全国各大区域热轧带肋钢筋产量分布

1 疲劳试验加载频率

从19世纪中叶开展系统的疲劳试验以来，疲劳试验设备有了较大的发展。从最初的旋转疲劳试验机发展到电液伺服试验机，再到超声疲劳试验机，正是疲劳试验加载速度的稳步提高，才使构件的长寿命、甚至超长寿命的疲劳性能研究成为可能。

例如，若采用10 Hz的常规电液伺服疲劳试验机进行超长寿命的疲劳性能试验研究(一般要求大于109次)，则一个试件就需要加载3年，这实际成了一种无法完成的试验计划。此时，若采用超声疲劳试验系统，则可以将一个试件的时间控制在14 h以内。由于铁路工程应用高强钢筋相关试验，样本量大、加载次数高，若采用常规疲劳试验机，试验周期将变得无法承受。因此，本次试验研究先探索加载频率更高的电磁共振式高频试验机应用到试验中。

2 高强钢筋疲劳试验取样

课题采用的热轧带肋钢筋(HRB400和HRB500级别)进行统一取样，总体上涵盖不同区域的大、中、小型钢筋生产厂家，每件样品从不同根钢筋选取[1-3]。依据《钢筋混凝土用钢材试验方法》(GB/T28900—2012)和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》(GB1499.2—2007)的要求检验钢筋母材的力学和化学性能，其中部分HRB400钢筋化学成分检验结果见表1；部分HRB400钢筋力学性能检验结果见表2；部分HRB400钢筋金相和晶粒度检验结果见表3。

表1 部分HRB400钢筋化学成分检验结果

续表1

表2 部分HRB400钢筋力学性能检验结果

表3 部分HRB400钢筋金相和晶粒度检验结果

3 加载频率对高强钢筋母材疲劳性能影响

为验证高强钢筋母材在高、低频动态加载下性能的稳定性，试验选取同一批HRB400φ16 mm的钢筋进行高、低频比对试验。试验选取8支试样，设定应力范围分别为240、256、288 MPa和320 MPa四档。每档试验两支试样，将试件随机分为两组，保证每组试样覆盖4种不同应力范围。一组在INSTRON 8801疲劳试验机上进行，频率设定为10 Hz；一组在SINCOTEC高频疲劳试验机上进行，频率设定为60～70 Hz。通过相同应力范围不同频率进行比对，得到高强钢筋母材高、低频疲劳试验结果，如图2所示。

图2 高强钢筋母材高、低频疲劳试验结果柱状图

由图2可知，同批同规格高强钢筋母材的疲劳性能在不同频率下基本相同，即频率效应对高强钢筋母材的疲劳性能没有太大影响。无论中国标准还是国外标准[4-5]，对高强钢筋疲劳试验的频率规定均为0～120 Hz，并未根据使用工况的不同而对频率的高、低做出具体要求。高强钢筋母材疲劳性能试验结果与标准规定的一致，即频率效应对高强钢筋母材的疲劳性能基本没有影响，可以根据实际情况选用频率进行高强钢筋母材疲劳试验。

4 加载频率对高强钢筋连接接头疲劳性能影响

4.1 电弧焊连接接头

为验证高强钢筋电弧焊连接接头在高、低频动态加载下性能的稳定性，试验选取同一批HRB400φ16 mm的钢筋，采用同一工艺、同一工人和同一设备，制作出一批试件。电弧焊连接接头严格按照《钢筋焊接及验收规程》(JGJ 18—2012)制作并验收。试件随机分为2组，一组在MTS电液伺服试验机上进行疲劳试验，频率设定为15 Hz；一组在GPS350高频疲劳试验机上进行疲劳试验，频率设定为约100 Hz。试验得到高强钢筋电弧焊连接接头高、低频疲劳试验结果，如图3所示。

图3 高强钢筋电弧焊连接接头高、低频疲劳试验结果

由图3可知，不同疲劳试验频率得到的试验数据基本分布在同一条直线附近，用高频和低频数据回归得到的曲线非常接近。从两中值S-N曲线上得到的低频疲劳试验200万次疲劳强度为83.8 MPa，高频疲劳试验200万次疲劳强度为83.2 MPa，相差很小。结果说明在0到120赫兹范围，加载频率对高强钢筋电弧焊连接接头疲劳性能的影响很小[6-9]。

为进一步验证高强钢筋电弧焊连接接头高、低频疲劳试验结果的一致性，将进行数理统计检验。S-N曲线的斜线段是对疲劳试验数据在双对数坐标内的线性回归，判断2种加载频率对同一批试件的试验结果是否具有显著影响的实质，是判断2条回归曲线的参数是否有显著性差异，此时可采用Chow检验进行判断[10-13]。Chow检验的基本思路是：如果2个回归的参数确有不同，则2组数据混合后进行回归的残差平方和将显著大于2组数据分别进行回归的残差平方和。

高频试验机进行的疲劳试验数据为第1组，共有17个有效试样；低频试验机进行的疲劳试验数据为第2组，共有7个有效试样。高频试验机数据得到的S-N曲线为：LogN=α1+α2LogS；低频试验机数据得到的S-N曲线为：LogN=β1+β2LogS。根据高、低频疲劳试验差异性Chow检验的原理和程序，提出原假设和备择假设为

H0:αi=βi(i=1，2)；

H1:存在i，αi≠βi(i=1，2)

(1)

根据Chow检验原理，可构造出统计量

(2)

此时：F～F(k+1，n1+n2-2k-2)中k为回归曲线中的系数个数，此处k=2。代入式(2)，可得F=0.26，取显著性水平α=0.1，置信度水平为90%，查表可得F0.1(3.17=2.42)>F=0.26。因此，不能拒绝原假设，即高强钢筋电弧焊连接接头高、低频疲劳试验结果相同。

4.2 闪光对焊连接接头

为验证高强钢筋闪光对焊连接接头在高、低频动态加载下性能的稳定性，试验选取同一批HRB400和HRB500直径16 mm的钢筋进行高、低频比对试验。试验前对闪光对焊焊接质量进行外观检查和力学性能检测。外观检查主要内容为：(1)对焊接头表面应呈圆滑、带毛刺状，不得有肉眼可见的裂纹；(2)与电级接触处的钢筋表面，不得有明显烧伤；(3)接头处的弯折角不得大于2°；(4)接头处的轴线偏移不得大于钢筋直径的0.1倍，且不得大于1 mm。力学性能检测包括拉伸和冷弯等目前国家标准规定的内容。试件随机分为2组，一组在MTS Landmark低频疲劳试验机上进行疲劳试验，频率设定为15 Hz。一组在GPS350高频疲劳试验机上进行疲劳试验，频率设定为约80 Hz。

图4 高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB400应力比0.2)

试验得到高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB400应力比0.2)，如图4所示；高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB400应力比0.4)，如图5所示；高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB500应力比0.2)，如图6所示。

图5 高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB400应力比0.4)

图6 高强钢筋闪光对焊连接接头高、低频疲劳试验结果(HRB500应力比0.2)

由图3～图6可知，无论HRB400级高强钢筋还是HRB500级高强钢筋，同批同规格高强钢筋闪光对焊连接接头的疲劳性能基本相同。同时，无论试验应力比0.2还是应力比0.4，同批同规格高强钢筋闪光对焊连接接头的疲劳性能也基本相同，即频率效应对高强钢筋闪光对焊连接接头的疲劳性能没有太大影响，可以根据实际情况选用频率进行高强钢筋闪光对焊连接接头的疲劳试验。

4.3 机械连接接头

根据铁科院等开展的铁路用滚轧直螺纹、镦粗直螺纹和挤压型3种机械连接接头的疲劳性能试验研究，滚轧直螺纹连接组件的疲劳性能最好[14-15]。因此本课题机械连接接头采用剥肋滚压直螺纹连接接头的连接方式。

为验证高强钢筋机械连接接头在高、低频动态加载下性能的稳定性，试验选取同一批HRB400φ16 mm的钢筋，采用同一工艺、同一工人和同一设备，制作出一批试件。对钢筋剥肋滚压直螺纹连接接头按照《钢筋机械连接通用技术规程》(JGJ107—2010)、《钢筋机械连接用套筒》(JGT163—2013)和《铁路混凝土工程钢筋机械连接技术暂行规定》(铁建设[2010]41号)要求进行加工和检测。试件随机分为2组，一组在MTS Landmark电液伺服试验机上进行疲劳试验，频率设定为18 Hz。一组在PLG-200高频疲劳试验机上进行疲劳试验，频率设定为约130 Hz。试验得到高强钢筋机械连接接头高、低频疲劳试验结果，如图7所示。

图7 高强钢筋机械连接接头高、低频疲劳试验结果

由图7可知：(1)在疲劳寿命小于100万次时，低频测试结果普遍高于高频测试结果；(2)应力范围较高时，高低频结果差异越大，应力范围较低时，高低频结果差异较小；(3)由S-N曲线的趋势可判断，在疲劳寿命高于100万次时，低频测试结果将会低于高频测试结果。经查找原因，高频疲劳试验机在动态标定过程中数值标定不准造成低频与高频的比值约为1.1。经反算，如果高频疲劳试验机动态标定准确，频率效应对高强钢筋机械连接接头的疲劳性能没有太大影响，可以根据实际情况选用频率进行高强钢筋机械连接接头的疲劳试验。

5 结论

(1)采用高、低频疲劳试验机的高强钢筋母材对比疲劳试验结果无明显差异，高频疲劳试验机可用于母材的疲劳试验。

(2)采用高、低频疲劳试验机的电弧焊连接接头对比疲劳试验结果无明显差异，高频疲劳试验机可用于电弧焊连接接头的疲劳试验。

(3)采用高、低频疲劳试验机的闪光对焊连接接头对比疲劳试验结果无明显差异，高频疲劳试验机可用于闪光对焊连接接头的疲劳试验。

(4)采用高、低频疲劳试验机的机械连接接头对比疲劳试验结果无明显差异，高频疲劳试验机可用于机械连接接头的疲劳试验。

综上所述，高频疲劳试验机可用于高强钢筋母材及其连接接头的疲劳试验，大幅提高了疲劳试验效率。

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