超载作用下钢筋混凝土梁承载性能试验研究

吴非，钟铭

（北京中交桥宇科技有限公司，北京 100102）

0 引言

随着我国交通事业的快速发展，“超载”所引发的事故逐年增多。“超载”是指实际车辆荷载超过桥梁设计荷载。超载现象可能会导致桥梁出现结构损伤、性能下降、承载能力降低等影响安全性的问题，甚至会导致桥梁垮塌，造成人员财产损失。因此，探究超载对桥梁结构的影响是一个具有现实意义的研究。

目前，超载作用对结构构件承载性能的影响和劣化机理研究尚少。张建仁[1]通过对一座长期超载的钢筋混凝土简支梁进行破坏试验，得出超载致使结构力学行为由弹性向塑性转变。金伟良[2]等通过试验研究发现超载作用对结构混凝土损伤程度的影响大于钢筋。鉴于以上超载疲劳试验研究中最大应力幅值取值偏小或加载次数较少，本文的试验研究选取最大应力水平分别为0.7、0.8、0.9倍试验梁静载极限承载力，作用次数达到10000次，并考虑剪跨比、配筋率的影响，讨论超载作用对钢筋混凝土梁承载性能的影响。

1 试验设计

1.1 试件设计

1.1.1 材料参数

混凝土设计强度等级为C40，试件水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料为粒径小于16mm的碎石，细集料为江沙。混凝土的配合比为水泥∶水∶砂∶碎石∶减水剂=1∶0.43∶1.80∶3.51∶0.0075。实测混凝土棱柱体28天轴心抗压强度为33.5KN·mm2。

纵向主筋均采用HRB335钢筋，极限抗拉强度实测值为561MPa，屈服强度为408MPa；箍筋采用HPB300钢筋，极限抗拉强度实测值为452MPa，屈服强度为320MPa。

1.1.2 试件尺寸及配筋

考虑桥梁荷载为移动荷载，不同加载点对桥梁结构的影响有差异，该试验共制作10根钢筋混凝土梁（RC梁），均为矩形截面简支梁，分为两组，每组5个。

第一组：编号CB1～CB5

此组为弯曲破坏试件（剪跨比为3.5），均为矩形截面简支梁，外观尺寸b×h×L=200mm×300mm×2900mm。其中编号CB1～CB4的试验梁，梁底部纵向受拉钢筋为3根直径12mm的HRB335钢筋，顶部架立筋为2根直径10mm的HPB300钢筋，纵筋配筋率为0.65%（As=339，As/bh0=0.65%），详见图1。CB5梁梁底部纵向受拉钢筋为3根直径18mm的HRB335钢筋，顶部架立筋为2根直径10mm的HRB235钢筋，纵筋配筋率为1.48%（As=763，As/bh0=1.48%），详见图2。

图1 CB1～4试验梁尺寸及配筋图（单位：mm）

图2 CB5试验梁尺寸及配筋图（单位：mm）

第二组：编号ZB1～ZB5

此组为剪弯混合破坏试件（剪跨比为2.5），均为矩形截面简支梁，外观尺寸b×h×L=200mm×300mm×2400mm。其中编号ZB1～ZB4的试验梁，底部纵向受拉钢筋为3根直径12mm的HRB335钢筋，顶部架立筋为2根直径10mm的HPB300钢筋，纵筋配筋率为0.65%（As=339，As/bh0=0.65%），详见图3；ZB5梁梁底部纵向受拉钢筋为3根直径18mm的HRB335钢筋，顶部架立筋为2根直径10mm的HPB300钢筋，纵筋配筋率为1.48%（As=763，As/bh0=1.48%），详见图4。

图3 ZB1～4试验梁尺寸及配筋图（单位：mm）

图4 ZB5试验梁尺寸及配筋图（单位：mm）

保护层厚度取25mm，5根梁的箍筋均为直径8mm的HPB300钢筋，箍筋间距为100mm，箍筋末端做成135度弯钩，弯钩末端平直段不小于40mm。

1.2 加载方式

此次试验使用天津城建大学结构实验室内的250kN伺服作动器疲劳试验机进行，并通过动态采集仪采集钢筋和混凝土的应变，加载方式为三分点处两点对称加载。CB系列梁中参考梁CB1静载受弯破坏，得到抗弯极限承载力为S，按要求变幅疲劳加载时，CB2～CB5疲劳荷载上限值取0.7S、0.8S、0.9S和0.8S，下限值都取0.1S。ZB系列梁中参考梁ZB1静载破坏，破坏状态仍为受弯控制，抗弯极限承载力为S，ZB2～ZB5疲劳荷载上限值取0.7S、0.8S、0.9S和0.8S，下限值取0.1S。具体加载方式见表1。

表1 试验参数

1.3 测点布置

此次试验在试验梁的两端支座处各布置1个量程为50mm的位移计，在梁跨中处布置2个量程为100mm的位移计。试验梁梁底每根受拉钢筋跨中部位粘贴钢筋应变片，电阻应变片标距2mm。试验梁跨中部位分别在梁顶粘贴4个（2动态、2静态）、梁侧面粘贴5个规格为80mm的丝绕式电阻应变片，测点连接布置见图5。

图5 测点连接布置图

此次试验过程中针对产生的裂缝，利用精度为0.02mm的裂缝观测仪观察裂缝宽度，并且及时标出裂缝出现时的荷载和裂缝开展的走向。

2 承载性能试验结果及分析

2.1 超载对挠度的影响分析

2.1.1 CB组试验梁

试验结果表明：同一加载幅值作用下，CB2～CB5挠度随加载次数增多而稳定增长；不同加载幅值作用下，相同加载次数的梁挠度和随加载幅值增高而增大，如图6所示；残余挠度随加载次数的增大有相同的发展趋势，如图7所示。

图6 CB组试验梁挠度随加载幅值、次数的增大趋势

图7 CB组试验梁残余挠度随加载幅值、次数的增大趋势

钢筋混凝土梁的挠度及残余挠度的发展对预加荷载幅值和疲劳次数非常敏感。主要表现为：

（1）CB2和CB3在1000次疲劳循环前，挠度线性发展，主筋与受压区混凝土均在弹性范围；超过1000次疲劳循环后，挠度快速增加，受压区混凝土仍在弹性范围。

（2）CB4经过10次疲劳循环后跨中挠度快速发展且累积应变超过了屈服应变，100次疲劳循环后，主筋进入了屈服后的钢筋强化段，而受压区混凝土始终处于弹性范围。

（3）试验梁在超载后有较明显的不可恢复变形，即残余变形，超载作用下CB2～CB4残余变形的发展趋势与总挠度的发展趋势相类似。

（4）同一加载幅值下。配筋率较低(0.65%)的CB2～CB4挠度发展快，且有明显的残余变形。

通过以上试验现象的分析可知，超载作用下钢筋混凝土梁在较少的疲劳次数下，挠度和残余变形快速增大，而超载幅值越高，所需要进入此快速发展阶段的疲劳次数越少。常幅疲劳作用下，钢筋混凝土梁挠度与残余变形基本线性稳定发展，当主筋疲劳断裂时，挠度与残余变形才快速发展，这是现在钢筋混凝土梁桥疲劳寿命和性能评估[3]的基础。而适当的调高钢筋混凝土适筋梁的配筋率，可以减小钢筋混凝土梁的挠度和残余变形。

2.1.2 ZB组试验梁（剪跨比2.5）

ZB2、ZB5未发生疲劳破坏，在静力10000次加载循环后正截面破坏；ZB3、ZB4分别在在超载疲劳循环199次、78次时斜截面破坏。疲劳破坏时的主筋屈服、箍筋应力尚小。陈才生等[4]的超载试验结果也证明，其超载最大幅值比为0.75时发生斜截面混凝土疲劳破坏，但疲劳破坏时斜截面箍筋断裂，而幅值比为0.60时发生正截面疲劳破坏。

试验梁的跨中挠度、残余挠度随加载幅值、次数的增大呈现线性增大趋势，如图8～图9所示；在同等加载幅值条件下，ZB组试验梁超载疲劳斜裂缝损伤快速发展，而受弯裂缝和主筋应变均小于CB组试验梁，箍筋应力尚小，疲劳破坏特征为混凝土斜截面脆性破坏，造成跨中挠度试验值均小于CB组试验梁。

图8 ZB组试验梁挠度随加载幅值、次数的增大趋势

图9 ZB组试验梁残余挠度随加载幅值、次数的增大趋势

2.2 超载对裂缝特征的影响

2.2.1 CB组试验梁

CB组试验梁为受弯构件，其受弯裂缝宽度随加载幅值和次数增大而加剧的现象显著，纯弯段最大裂缝宽度和残余裂缝宽度的发展趋势如图10所示。

图10 CB组试验梁纯弯段最大裂缝宽度随加载次数的变化

试验结果表明：

（1）试验梁在静力荷载0.3～0.4S作用下开裂，裂缝分布于纯弯段和加载点处，超载对钢筋混凝土构件造成损伤，其损伤程度随着预加荷载幅值的增高和反复加载次数的增加而加剧，宏观表现为最大裂缝宽度增加。

（2）CB2～CB4在1次加载循环后纯弯段最大裂缝高度在0.67～0.83h（h为梁高）之间，裂缝高度随着预加荷载幅值的增高而增大，在10次加载循环后纯弯段裂缝高度稳定在0.85h左右不再增长。

（3）CB5在超过100次加载循环后纯弯段裂缝高度稳定在0.67h不再增长，最大裂缝宽度远小于CB2，因此，在适筋梁设计中适当增大纵筋配筋率可以减小最大裂缝宽度。

2.2.2 ZB组试验梁

ZB组试验梁为剪弯构件，静力加载至0.3S'时纯弯段开裂，加载达到0.7S'时，在靠近加载点的剪弯段出现斜裂缝，纯弯段裂缝和斜裂缝均从梁底出现向梁顶延伸；ZB3、ZB4疲劳破坏特征为斜截面破坏，疲劳过程中也是以此斜裂缝的发展最为显著。临界斜裂缝的宽度随加载幅值和次数增大而加剧的发展趋势如图11所示。

图11 ZB组试验梁最大斜裂缝宽度随加载次数的变化

2.3 超载对极限承载力和正常使用承载力的影响

2.3.1 极限承载力

CB组、ZB组两组试验梁静力和疲劳后的极限承载力试验结果如表3所示。

表3 试验梁疲劳后承载力试验结果

CB1、ZB1为参考梁，静力加载破坏形态均为正截面破坏，破坏时施加的荷载分别为130.4kN和173.4KN。对CB2～CB4，多次超载作用下，钢筋发生较大塑性变形，而试验梁虽然开裂、变形损伤严重，但受压区混凝土为边缘局部损伤，使得CB2～CB4的极限承载力有轻微提高。CB5极限承载力下降0.13%。ZB2疲劳后承载力下降了2.71%；ZB3和ZB4分别在疲劳199次和78次时破坏，承载力下降显著，说明超载作用对剪弯构件承载力的影响显著，疲劳寿命随超载幅值的增大而大减小。ZB5受试验加载最大250.0kN的条件限制，未得到其实际疲劳后承载力。

2.3.2 正常使用受弯承载力

此次试验中以钢筋混凝土适筋梁疲劳后试验再加载达到纵筋首次屈服为基准。试验屈服时，CB1～CB4的加载分别为：85.7kN、78.24kN、85.49kN和74.34kN。CB2、CB4试 验梁有明显下降。由于CB2、CB4试验梁疲劳后的残余裂缝宽度分别为1.0mm和1.5mm，刚度下降且残余变形明显，即残余变形或应变的增大效应使得截面恒载下的截面应力增大，导致疲劳后钢筋混凝土梁抵抗外荷载作用的正常使用承载力下降。

3 结论

超载对钢筋混凝土梁的裂缝大小、截面应力分布有较为显著的影响，它增大了同一荷载水准下结构中的应力和最大裂缝宽度，过大的超载幅值和作用次数会使疲劳寿命显著减小。对于未发生超载疲劳破坏的钢筋混凝土梁，虽然损伤严重，疲劳后的受弯承载力降低仍不明显，本文试验并结合文献[2]的研究，受弯极限承载力降低基本在5%以内，超载损伤后钢筋混凝土梁的受弯极限承载力受截面受损后的材料强度控制。

超载会使钢筋混凝土梁正常使用承载性能下降，“正常使用承载力下降”的根本原因为，残余变形或应变的增大效应使得截面恒载下的截面应力增大，导致疲劳后钢筋混凝土梁抵抗外荷载作用的能力下降，而且损伤越严重的钢筋混凝土梁承受外荷载的能力下降也越多。