【52監測網】第82期 侵蝕環境下預應力板梁全壽命周期疲勞特性試驗研究
 52監測網專家報告分享-第82期 侵蝕環境下預應力板梁全壽全周期疲勞特性試驗研究 鄭元勛 重大基礎設施檢測修復國家地方聯合工程實驗室 目錄 一、 緒論 二、 預應力混凝土空心板模型制作及破環試驗 三、 不利環境侵蝕作用下預應力空心板梁疲勞特性 四、 雙重損傷預應力板梁加固 五、 不利環境侵蝕作用下損傷加固預應力空心板梁疲勞特性 六、 結論 內容簡介 一、 緒論 1.交通基礎設施發展迅速 至2017年底，公路總通車里程：460萬公里；高速公路：突破13萬公里，居世界第一位！ 橋梁：80萬余座、4600余萬米；其中，特大橋梁近3900座、約700萬米； 大橋80000余座、2100余萬米。 2.橋梁結構早期破壞普遍、事故頻發
鄭元勛，郭慧吉，謝寧.基于統計分析的橋梁坍塌事故原因剖析及預防措施研究[J].中外公路，2017，37(6) :12—133.
辦法？ 檢測評估 重建or加固處理 加固處理：存在問題 加固構建依舊會受到不利環境侵蝕，導致其耐久性劣化及疲勞壽命衰減，不同于侵蝕環境作用下哪種加固方法加固效果較優？不同侵蝕環境作用下構件及加固構件疲勞壽命如何評價預估？ 3.橋梁結構耐久性及加固耐久性現狀及存在問題 ?結構耐久性研究現狀 第一階段：材料耐久性（標準試件為主） 第二階段：耐久性設計及評價：添加纖維、評價方法 第三階段：非預應力小構件耐久性研究 ?存在問題 ?鑒于耐久性試驗設備尺寸所限，目前開展的耐久性試驗大多基于非預應力構件開展的，而實際中橋梁結構多為預應力構件； ?針對預應力空心板梁耐久性與疲勞特性之間相關關系的研究亟待開展； ?結構加固耐久性及疲勞特性研究現狀 ?加固構件傳統的抗彎抗剪評價指標 ?加固材料耐久性 ?加固材料對健康構件加固效果及耐久性研究 ?研究對象大多基千非預應力小構件 ?存在問題 ?鑒千耐久性試驗設備尺寸所限，目前開展的耐久性試驗大多基于標準構件或材料開展，且以健康構件為主，而實際工程中加固構件多為損傷構件，兩者間存在一定差異； ?針對損傷加固預應力空心板梁耐久性與其疲勞特性相關關系的研究亟待開展。 主要研究思路
二、預應力混凝土空心板模型制作及破壞試驗 1.先張法預應力混凝土空心試驗的設計 ?原材料選擇 非預應力鋼筋 預應力鋼絞線 混凝土(C50) ?預應力混凝土空心板設計 本次試驗針對的是河南省內常用的公路橋梁20m預應力混凝土空心板，設計荷載為公路汽車二級荷載。 設計極限荷載 預應力筋計算 ?預應力混凝土空心板模型設計 根據本次實驗目的以及實驗條件通過運用相似性原理對原型空心板進行轉換設計 相似比計算公式
?預應力混凝土空心板模型澆筑 2.預應力混凝土空心實驗板破環試驗 ?實驗目的 (1) 確定空心板的最大極限荷載與最先破壞位置 (2) 確定疲勞試驗的最大應力比與疲勞振幅以及重點觀測部位。 (3) 通過靜載極限荷載試驗來確定混疑土裂縫寬度。 (4) 根據靜載極限破壞時的裂縫寬度來確定疲勞試驗時試驗空心板的損壞標準。 ?加載方式 本次預應力空心試驗板靜載試驗主要采用三分點加載法進行加載。
?實驗設備 本次靜載試驗擬采用的加載設備主要為50噸液壓千斤頂以及豎向反力鋼梁進行極限靜載試驗。預應力混凝土試驗空心板在靜載過程中混凝土應變數據由武漢華巖HY-65830008型數碼應變計測量，試驗板撓度由武漢華巖 HY-65050F型數碼位移計進行測量。 ?測量內容 （1）荷載量測 （2）位移與裂縫量測 （3）應變測量 ?實驗現象觀測 16.5噸時，出現支座處斜向上45度角剪切裂縫。 隨著荷載的逐步增加，預應力試驗板逐漸出現橫向貫通裂縫、豎向貫通裂縫、端頭斜向貫通裂縫甚至頂板開裂。在荷載達到24.5噸時，預應力試驗空心板達到極限承載力破壞狀態。 ?應變數據分析 ?撓度數據分析 ?截面承載力理論計算 1）首先，進行截面抗剪強度上下限復核 2）距支座x=200薄弱處斜截面抗剪承載力 本章小結 1）通過利用相似性原理確定了并制作了預應力空心板梁模型。 2）最大極限荷載及最先破壞位置的確定，為疲勞試驗加載荷載及損壞標準確定提供依據。 三、不利于環境侵蝕作用下預應力空心板梁疲勞特性 （一）碳化侵蝕作用下預應力空心板梁疲勞特性 1.預應力混凝土空心板梁及同期試塊碳化試驗 ?預應力空心板快速碳化腐蝕試驗 1） 碳化池升級改造 2） 液壓式壓力試驗機 3） 實驗環境 4） 試驗分組 ?碳化腐蝕后混凝土試塊力學性能試驗 1） 混凝土立方體試塊抗壓強度試驗 試驗步驟及過程按照規范進行 2） 混凝土立方體試塊軸心抗壓強度試驗 2.碳化腐蝕條件下空心試驗板疲勞試驗 ?疲勞試驗準備以及設備布置 1） 疲勞試驗主要設備及疲勞加載方案 采用的主要設備： 鄭州大學25噸疲勞試驗機； 武漢華巖數碼應變計； 武漢華巖數碼位移計； 中國地震局工程力學研究所891—4拾振器 電阻式應變片 東方所INV306V型網絡分布式采集分析儀以及DZ型電渦流位移 具體疲勞加載方式為三分點加載，疲勞加載采用的應力比為0.8，頻率為5HZ。 每50萬次疲勞加載后進行一次靜載試驗用以測定應變以及位移情況。 試驗板分為三組，分別為未經過碳化腐蝕(BW)、輕度碳化腐蝕(BQ)以及重度碳化腐蝕(BZ)。 ?不同碳化侵蝕程度下預應力試驗板疲勞性能分析 拉壓應變、試驗板撓度、試驗板裂縫、動態應變、動態位移、動態阻尼預計動態頻率。 預應力試驗板在不同碳化條件下裂縫分析 預應力試驗板在不同碳化條件下混凝土應力與撓度分析 預應力試驗板在不同碳化條件下動態數據分析 預應力試驗板動態撓度數據分析 預應力試驗板自振頻率分析 預應力試驗板阻尼數據分析 ?碳化腐蝕對疲勞特性影響分析 3.預應力空心板構件承載力及疲勞數值分析 ?試驗板靜載試驗模擬對比 1） 模型的建立 2） ANSYS具體模擬結果 不同碳化侵蝕條件下試驗板疲勞試驗模擬 1） 計算最大等效力 2） 疲勞分析 （二）氯離子侵蝕作用下預應力混凝土空心板疲勞特性 1.氯離子對混凝土結構侵蝕機理 2.預應力空心板及同期試塊氯離子侵蝕試驗 3.氯離子侵蝕條件下混凝土空心試驗板疲勞試驗 （三）凍融循環作用下預應力空心板疲勞特性 1.預應力混凝土空心板凍融循環實驗 2.不同凍融循環次數下實驗梁疲勞試驗過程 四、雙重損傷預應力空心板梁加固處理 1.損傷預應力混凝土空心板梁加固處理 2.損傷預應力混凝土空心板梁加固 3.加固試驗板加固前后靜載試驗對比分析 4.本章小結 本章主要結論如下： 1）比粘貼鋼板法加固試驗板前后撓度數據發現，加固后試驗板的撓度要明顯小于加固前的撓度，其撓度降低了10%-40%；對比分析粘貼鋼板加固后對試驗板應變的影響，加固后試驗板跨中壓應變與拉應變要小于加固之前的應變-，其應變減小了10%-20%。 2)對比粘貼碳纖維布加固試驗梁前后的靜載試驗數據發現，加固后試驗板的撓度明顯小于加固前的撓度，其撓度降低了10%-30%;受力方面，碳纖維加固后，在150KN荷載作用下，試驗板的跨中壓應變與拉應變要小于加固之前的應變，說明碳纖維加固后試驗板的應變水水平有所改善，其減小范圍為5%-20%。 五、不利環境侵蝕作用下損傷加固預應力空心板梁疲勞特性 （一）碳化侵蝕損傷加固預應力空心板梁疲勞特性試驗 1.損傷加固預應力混凝土空心板梁碳化試驗 ?損傷加固預應力空心板塊快速碳化腐蝕試驗 ?碳化腐蝕后混凝土試塊力學性能試驗 2.碳化腐蝕條件下加固空心試驗板疲勞試驗 ?疲勞試驗準備以及設備布置 ?未收到侵蝕加固實驗板疲勞試驗 ?受到碳化侵蝕加固試驗板疲勞試驗 3.本章小節 主要結果如下： (1)對前期經過疲勞損傷的試驗板(腹板處裂縫寬度在0.2mm左右)，采用粘貼鋼板法與粘貼碳纖維布法進行加固，無論是經過碳化侵蝕的試驗板(碳化深度0.5mm)還是未經受侵蝕的試驗板，均能夠滿足200萬次疲勞。 (2)試驗過程中發現，粘貼鋼板法與粘貼碳纖維布法加固能有效抑制裂縫的開展，粘貼碳纖維布法加固的試驗板，裂縫發展緩慢，新出現裂紋較少；經過粘貼鋼板法加固的試驗板，沒有觀察到新裂縫出現。 (3)在兩種加固方式下，相同疲勞次數下的撓度均大于未受到侵蝕的試驗板，且受到侵蝕的試驗板，在150萬次疲勞之前，撓度增加比較平穩，在150萬次到200萬次的疲勞過程中，撓度增加較快，且在200萬次疲勞時，撓度均大于或接近于正常使用狀態下的撓度。 (4)在疲勞試驗中，隨著疲勞次數的增加，混凝土拉壓應變均隨著疲勞次數增加而增加，經過碳化侵蝕過后，試驗板的混凝土應變變化呈現出逐漸增加的趨勢，碳化侵蝕會影響實驗板的變形及應變水平。經過侵蝕過后，隨著疲勞次數的增加，相同疲勞次數下，相同荷載下的應變明顯高于未受碳化侵蝕的試驗板。 （二）加固空心板凍融試驗及疲勞特性試驗研究 1.損傷加固預應力混凝土空心板梁凍融循環試驗 2.凍融循環作用下損傷加固預應力實驗梁疲勞試驗 3.本章小結 試驗結果如： (1）對前期經過疲勞損傷的試驗板(腹板處裂縫寬度在0.2mm左右），采用粘貼鋼板法與粘貼碳纖維布法進行加固，只有B-3(粘貼碳纖維布加固的試驗板經受過50次凍融循環），經過200萬次疲勞，頂板受損嚴重，碳纖維布有局部剝，無論是經過凍融循環侵蝕的試驗板(50次凍融循環）還是未經受侵蝕的試驗板，均能夠滿足200萬次疲勞。 (2)在兩種加固方式下(相同疲勞次數下的撓度均大于未受到侵蝕的試驗板；且受到侵蝕的試驗板，在150萬次疲勞之前，撓度增加比較平穩，在150萬次到200萬次的疲勞過程中，撓度增加較快，且在200萬次疲勞時，撓度均大于或接近于正常使用狀態下的撓度。 (3)在疲勞試驗中，隨著疲勞次數的增加，混凝土拉壓應變均隨著疲勞次數增加而增加，經過腐蝕過后，試驗板的混凝土應變變化呈現出逐漸增加的趨勢，侵蝕會影響試驗板的變形，并增加試驗板的應變水平。經過侵蝕過后，隨著疲勞次數的增加，相同疲勞次數，相同荷載下的應變要明顯高于未受過侵蝕的試驗板。 本章小結 (1 )通過對不同侵蝕環境作用下鋼板加固預應力空心板梁跨中撓度對比分析，在疲勞荷載作用下，相對碳化侵蝕，凍融侵蝕對加固結構剛度衰減影響較大，因此，如果僅從剛度衰減規律考慮的話，凍融環境對鋼板加固構件剛度衰減影響最為顯著。 (2)通過對不同侵蝕環境作用下鋼板加固預應力空心板梁受力對比分析，說明加固構件經過不利環境侵蝕后，相對未侵蝕加固構件，侵蝕構件加固性能劣化較為嚴重。從應力增幅來看，對千鋼板加固構件來講，碳化侵蝕相對凍融侵蝕來講拉壓應力增幅較快。 (3)通過對不同侵蝕環境作用下碳纖維加固預應力空心板梁跨中撓度對比分析，疲勞荷載作用下，相對碳化侵蝕，凍融侵蝕對碳纖維加固結構剛度衰減影響較大，因此，如果僅從剛度衰減規律考慮的話，凍融環境對碳纖維加固構件剛度衰減影響較為顯著。 (4)通過對不同侵蝕環境作用下碳纖維加固預應力空心板梁受力對比分析，說明加固構件經過不利環境侵蝕后，相對未侵蝕加固構件，其加固性能劣化較為嚴重。從應力增幅來看，對于碳纖維加固構件來講，相對凍融侵蝕，碳化侵蝕對加固構件受力影響較大。 (5)同一環境作用下不同加固方法加固構件疲勞荷載作用下撓度與應力分析，對于碳化侵蝕環境，鋼板加固構件具有較好的受力性能及抗疲勞衰減特性；對于凍融侵蝕環境，碳纖維布加固構件相對鋼板加固構件具有較好的受力性能，而鋼板加固構件具有良好的抗疲勞衰減性能。 六、結論 系統研究了全壽命預應力板梁耐久性與疲勞壽命，為侵蝕環境作用下橋梁檢測評價及壽命預估提供理論支撐與技術支持。
《侵蝕環境下預應力板梁全壽命周期疲勞特性試驗研究》 鄭元勛 重大基礎設施檢測修復國家地方聯合工程實驗室 |
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