桥梁结构钢筋应力集中、疲劳研究

2012-07-13段钢文

黑龙江交通科技 2012年2期

关键词：变幅准则裂纹

段钢文

(黑龙江省收费公路管理局)

桥梁结构钢筋应力集中、疲劳研究

段钢文

(黑龙江省收费公路管理局)

钢筋应力;钢筋的疲劳性能;材料疲劳剩余强度

桥梁结构构件在使用过程中会承受循环往复的车辆荷载、人群荷载和风荷载等作用，且加载次数频繁。在多次重复交变荷载作用下，构件反复变形过大，某些应力集中、循环应力幅值较大的构件可能会在低于材料屈服或极限强度条件下产生疲劳破坏，或虽未发生疲劳破坏，但构件由于材料疲劳剩余强度低于初始强度而造成极限承载能力有所下降。

造成构件疲劳破坏或极限承载能力下降的内因是材料中的初始缺陷在重复荷载作用下产生应力集中，导致材料内部缺陷发展、损伤累积而强度逐渐耗散，外因则是应力反复的循环特征和累积次数。在考虑材料疲劳对结构的影响时，需首先确定材料的疲劳强度，然后根据重复荷载特性计算材料在确定时刻的疲劳剩余强度，最后根据材料强度与构件承载力之间的关系得出结构的疲劳剩余承载力。在材料的疲劳性能研究中，一般是在等幅重复应力下进行试验，获得常幅疲劳强度和寿命的关系曲线，即S-N曲线，但在使用过程中钢筋混凝土结构承受的是一个随时间变换的变幅荷载，因此除了研究材料在等幅重复应力作用下的疲劳性能外，还需考察在变幅重复应力下的疲劳性能，其方法之一就是Miner线性累积损伤准则，利用此准则建立数学模型计算出材料在变幅循环应力作用下的疲劳剩余强度后，进一步就可得到结构的疲劳剩余承载能力。

1 钢筋的疲劳性能及疲劳剩余强度

前两者直接在空气中进行重复加卸载试验，比较容易做。后者将钢筋埋在混凝土梁的受拉区，对梁进行试验，更符合钢筋的实际受力情况。试验结果表明:原状钢筋的疲劳强度最低;梁内钢筋的疲劳断裂发生在纯弯段内裂缝截面附近，疲劳强度会稍高;试验中发现，钢筋的疲劳断裂口的起始点常常发生在表面横肋的根部或厂商标牌处。

钢筋的失效过程可分为三个主要阶段。(1)疲劳裂纹形成。钢筋在冶炼、轧制和加工过程中可能在内部和表面出现一些缺陷，如杂质、缝隙、刻痕和锈蚀斑等。荷载作用下，这些缺陷附近和表面横肋的凹角处产生应力集中。当应力过高，使钢筋晶粒滑移，就形成了初始裂纹。(2)疲劳裂纹扩展。应力重复次数的增加，裂纹逐渐扩展，损伤积累，减小了有效截面面积，钢筋截面上的裂纹面因为重复加卸载产生的变形增大和恢复，使之摩擦光滑而色暗。(3)当钢筋的剩余有效面积不再能承受既定的荷载(拉力)时，试件突然脆性断裂。断裂面上部分面积色泽新亮，呈粗糙的晶粒状。

研究表明影响疲劳强度最重要的因素是应力幅和钢筋的表面形状、弯曲、焊接和机械连接，所以在疲劳验算中对于某一种梁用钢筋母材，不考虑其弯曲时只需要考虑可变荷载产生的应力。

变形钢筋采用欧洲钢筋混凝土协会推荐的钢筋母材S-N疲劳寿命曲线

钢绞线

式中:N为钢筋的疲劳寿命;Δσ为循环应力幅。

2 Miner准则和材料疲劳剩余强度

桥梁结构在使用过程中所承受的汽车荷载一般并不是常幅循环，而是变幅的循环，且荷载历程很不规则，从而疲劳应力呈现出变幅﹑高循环﹑随机性的特点，传统的研究对象为各种常应力循环，即每一次应力循环中的应力幅均为常数，然而，在变幅循环下，混凝土和钢筋的疲劳累积损伤的累积速度与不同强度循环荷载的作用次序有关并且是非线性的，在循环应力很低的情况下也如此，各国学者曾做了很多的研究，提出了很多假设，包括非线性累积损伤模型，以及在计算中的累积分布函数的参数计算模型，但是目前已被桥梁工程界普遍接受的是“线性累积损伤准则”，即Miner准则，该准则比较简单并且容易计算，且钢筋在变幅重复应力下造成的损伤基本上符合Miner准则，混凝土梁是钢筋和混凝土的结合物，从损伤的过程来说，不符合线性损伤准则，但是具有足够的准确度。目前此准则被各个国家的规范广泛采用，该准则如下。

(1)将疲劳循环应力等价为若干级等幅应力循环，每一级循环应力幅所对应的循环次数分别为 n1，n2，ni，…，，…(Δσi，ni均可知)。假设 N1，N2，…，Ni，…，为循环应力幅Δσ1，Δσ2，…，Δσi，…，所对应的疲劳寿命，即表示在常幅应力Δσi作用下循环Ni次结构破坏。