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    第42卷第2期 2016年4月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 33 锈蚀钢筋混凝土公路桥梁疲劳性能研究综述 刘磊,傅宇方 交通运输部公路科学研究院交通运输部旧桥检测与加固行业重点实验室,北京1OO088 摘要我国现行混凝土桥梁设计规范中缺乏疲劳设计的相关内容,滞后于国外同类规范;另外,我国混凝土桥梁 占比较高,随着交通荷载的攀升以及桥梁结构性能的退化,在役混凝土桥梁结构的疲劳性能开始受到普遍关注。 基于上述背景,本文综述了公路桥梁结构疲劳荷载及应力水平,混凝土材料、钢筋及锈蚀钢筋、锈蚀钢筋混凝土梁 疲劳性能的既有研究成果,总结了已有锈蚀公路钢筋混凝土桥梁的疲劳性能研究中存在的问题,提出了锈蚀钢筋 混凝土梁疲劳性能研究面临的难点及发展趋势,以供致力于桥梁结构疲劳及长期性能的研究人员及工程技术人员 参考。 关键词锈蚀;钢筋混凝土;桥梁;疲劳;综述 中图分类号U 447 文献标志码A 文章编号1008193320160203305 Review of fatigue behavior of corroded reinforced concrete highway bridges LIU Lei.FU Yufang Research Institute of Highway,Key Laboratory of Bridge Detection&Reinforcement Technology,MOT,Beijing 100088,China AbstractNo fatigue details were specified in current Concrete bridge design code in China,which laged behind similar foreign design codes.Besides,concrete bridges took a large amount in highway bridges in China and along with rising traffic loads and structural degradation,fatigue behavior of concrete bridges has been laid greater attention in recent years.Based on the background mentioned above,researches on fatigue load and stress level,fatigue properties of concrete,steel bars as well as reinforced concrete beams on highway bridges were reviewed,a summary of the problems and trends in this field were given to provide reference for researchers and engineers engaged in fatigue and long term perances of bridges. Key wordscorrosion;reinforced concrete;bridges;fatigue;review 0 引 言 截至2013年底,我国公路桥梁已超过7O万座, 其中混凝土桥梁占比90%以上。随着交通流量 和重载车辆数量的快速增长,因活/恒荷载比例相对 较高,中小跨径混凝土桥梁的疲劳问题日益凸 显 J。调查数据显示,“十一五”期间我国公路危旧 桥梁费用达到300400亿元 ,其中钢筋锈蚀是影 响混凝土耐久性和导致结构破坏的主要原因之 一【4j 。然而,我国现行混凝土桥梁设计规范缺乏有 关疲劳设计的要求与规定,滞后于国外同类规范,而 且环境腐蚀对疲劳的影响尚未考虑。因此,研究锈 收稿日期2015-0113 基金项目交通运输部应用基础研究项目2013 319 223 1lo 作者简介刘磊1986一,男,硕士,研究方向混凝土桥梁耐久性。 通讯作者傅宇方1972一,研究员,研究方向桥梁结构耐久性。 E-mailyf,fufioh.all Emailliulei0905163.corn 蚀钢筋混凝土桥梁结构的疲劳性能,对新桥安全设 计和旧桥服役性能与寿命评估具有重要的理论研究 与应用价值。 1 公路桥梁疲劳荷载及应力水平 研究 结构疲劳强度设计和承载力设计存在本质差 别。承载力设计针对结构的极限状态,要求结构按 最不利状态设计,而疲劳设计则是针对材料经历损 伤累积过程且远未达到极限强度而发生的破坏。疲 劳破坏不仅与荷载水平有关,而且与荷载作用频率 有关 ],一般通过荷载谱建立相应的疲劳荷载模 型。以国内外主要设计规范为例,欧洲规范EN1991 1指出[6],疲劳现象由车辆荷载作用产生的应力 谱引起,应力谱取决于车辆的几何尺寸、轴重、车辆 间距、交通流组成以及动力效应;疲劳车辆荷载的布 置与承载力设计荷载的布置也有区别,EN19912 要求承载力设计时车辆荷载应布置在结构受力最不 利位置,但对于疲劳荷载设计代表值或模型,车道的 34 四川建筑科学研究 第42卷 布置及数量取决于一般状态时的交通情况。美国 AASHTO规范 中的疲劳极限状态通过对车辆在 预计的应力循环次数下产生的应力幅进行限值,疲 劳车辆荷载采用静载条件下的单车模型,并考虑车 辆的动力效应,疲劳荷载的频率依据单车道日平均 交通量确定。我国现行公路混凝土桥梁规范中尚没 有关于疲劳设计方面的内容,文献[8-9]在研究制订 中国公路钢桥疲劳设计标准时,依据等效累积损伤 原理,提出了以车队形式表示的我国标准疲劳车辆 荷载模型。 疲劳车辆荷载模型是研究桥梁结构疲劳性能的 重要基础内容,直接影响实际结构疲劳计算的外部 作用。大量研究表明,材料的疲劳破坏取决于材料 在外力作用下的应力水平,通常用应力幅、应力比等 指标表征I1。。。目前,国内针对在役}昆凝土桥梁结构 在实际运营荷载作用下的疲劳应力水平研究较少, 混凝土梁疲劳性能试验所采用的荷载上下限与实际 结构所处的应力水平无明确对应关系。黄华、刘 鸣对公路I级、II级荷载作用下20 m简支钢筋混 凝土T梁进行研究,得到了该跨度桥梁混凝土和钢 筋的疲劳应力幅与应力水平;孙晓燕等 通过模拟 一定超载作用次数的桥梁构件专项试验,指出设计 荷载作用下在役钢筋混凝土简支梁桥的效应一般为 极限承载力的41%一62%,但当实际荷载超过设计 荷载一至丽个等级,最高效应值可能达到设计极限 承载力的0.9倍;徐凯 通过对三座高速公路桥梁 和国道桥梁荷载效应的调查,发现这些桥梁的荷载 效应最大值约为现行设计规范公路I级荷载的1.9 ~2.6倍。 2钢筋、混凝土材料疲劳性能研究 目前,对钢筋及混凝土两种单一材料的疲劳性 能研究成果较多。钢筋力学性能与钢板、钢管等一 般钢结构材料相同,且钢结构疲劳性能研究起步早, 所以研究成果相对成熟。混凝土作为一种人工复合 材料,受其微/细观结构影响,力学性能离散性大,因 而疲劳性能规律也较复杂。 2.1 普通钢筋及锈蚀钢筋的疲劳性能 普通钢筋疲劳性能研究多集中于钢筋应力幅与 极限循环次数的关系;而锈蚀钢筋因锈蚀程度不同, 对结构性能的影响主要表现在钢筋有效面积、钢筋 屈服强度以及锈蚀后疲劳寿命的降低等方面。 2.1.1普通钢筋的疲劳性能 自1852年德国工程师Wohler以表格形式建立 了金属材料应力幅与疲劳寿命的关系以来,钢筋疲 劳寿命广泛采用应力幅与循环次数关系曲线Js_Ⅳ 曲线表达。ECCS、JSCE、铁科院等均针对该式中 参数的取值进行了研究 1 ;林晨等 进行了高强 混凝土结构中400 N/mm 和500 N/mm 两种强度 钢筋的疲劳试验,参照英国规范确定了带肋钢筋疲 劳试验的标准与方法,钢筋金相分析结果表明晶粒 度对疲劳强度的影响不明显。 2.1.2锈蚀钢筋的疲劳性能 锈蚀对钢筋材料疲劳性能的影响主要表现在以 下方面锈蚀减小了钢筋有效受力面积、锈蚀钢筋的 屈服强度,锈蚀钢筋的疲劳寿命较未锈蚀钢筋也有 所下降。Luo等印对不同锈蚀率下的钢筋有效面 积进行了研究,冯秀峰等 引入累积损伤理论,研 究了多级荷载作用后特定循环次数下的锈蚀钢筋有 效面积;Lil j、张建仁等 建立了不同锈蚀率下钢 筋屈服强度的理论公式;李士彬等 分别进行了 自然锈蚀和加速锈蚀下的锈蚀钢筋疲劳试验,建立 了两种条件不同锈蚀率下的锈蚀钢筋|s_Ⅳ曲线;周 正祥_2 对17根不同锈蚀率的钢筋进行了轴向拉伸 疲劳试验,试验结果认为应力比对钢筋疲劳性能影 响不大,锈蚀率超过6%时,钢筋的弹性模量随疲劳 累积损伤呈现逐渐减小趋势。 2.2混凝土材料的疲劳性能 由于混凝土受压性能突出,对于混凝土疲劳性 能的研究多集中于单轴受压状态,主要包括应力水 平与荷载循环次数关系曲线s_Ⅳ曲线、混凝土疲 劳本构关系和混凝土疲劳累积损伤演变规律三方面 的研究。 2.2.1 混凝土材料的Js 曲线 AasJakobsen 于20世纪70年代提出了以混 凝土最大压应力和应力比表示的经典的混凝土单轴 受压s 曲线并给出参数取值方法;王瑞敏等 根 据混凝土在等幅循环应力下应变发展和裂缝扩展规 律,推导了以混凝土最大压应变 与混凝土失稳 扩展时的总应变unstab表示的S 曲线方程。 2.2.2混凝土疲劳本构关系 目前,对于混凝土疲劳本构关系的研究主要围 绕混凝土弹性模量随循环次数的变化规律、材料本 身特性与损伤累积残余应变建立应力一应变关系两 种方法展开。 混凝土的弹性模量是衡量混凝土刚度大小的指 标,研究混凝土弹性模量随循环次数的变化规律能 从本质上反映混凝土力学特性的变化情况 。 Holmen_2 最早给出了混凝土弹性模量与初始弹性 模量和损伤度实际循环次数与极限循环次数之 比之间的关系;Luo 将循环荷载下混凝土的总应 变分为初始应变和疲劳应变两部分,根据疲劳应变 2016 No.2 刘磊,等锈蚀钢筋混凝土公路桥梁疲劳陛能研究综述 35 与循环次数的关系,建立了以混凝土最大压应力与 应力比表示的弹性模量随循环次数的退化关系;雷 兵等 结合混凝土s1V双对数曲线的形式,将Ho1. men关系式中的损伤度也改为双对数形式。以上研 究成果仅用于常应力幅下的疲劳研究;冯秀峰等_1 ] 将变幅重复应力作用下混凝土的累积疲劳残余应变 代人弹性模量的表达式,得到变幅循环荷载作用下 混凝土受压疲劳变形模量的预测公式。然而有学者 也指出,疲劳l生能与材料强度和韧性密切相关,弹性 模量并不能很好地反映材料韧性,且仅用弹性模量 很难预测混凝土疲劳寿命 j。 朱劲松等 根据疲劳试验得出的混凝土受压 疲劳破坏时最大总应变与单调加载应力一应变曲线 下降段最大应力对应的应变相当的结论,以单调加 载应力一应变关系曲线上该点处的应变作为疲劳破 坏的依据,引入损伤变量建立了混凝土疲劳损伤后 的等效单轴受压本构关系。 2.2.3混凝土疲劳累积损伤演变规律 残余应变表征了微塑性变形和微裂纹的不可恢 复程度,较之总应变更能反映混凝土材料的固有特 性 ,因此混凝土的疲劳累积损伤多围绕残余应变 开展。Oh 根据 昆凝土疲劳损伤累积的三阶段过 程,提出了以给定应力水平下实际循环次数与极限 循环次数之比为变量的非线性累积损伤曲线;李朝 阳等 通过棱柱体等幅轴心受压疲劳试验发现,混 凝土应变增长和所施加的循环应力上限成正比,建 立了残余应变与荷载水平的函数关系,通过对疲劳 过程的分析,将三阶段线性损伤累积方程等效为简 单实用的疲劳损伤两阶段累积方程;肖建庄等 对 完全采用再生粗骨料的混凝土进行了单轴受压疲劳 试验,以疲劳模量与初始模量之比定义疲劳损伤,推 导出一种简单实用的单轴等幅疲劳荷载作用下再生 混凝土疲劳劣化演变方程。 3 普通钢筋混凝土受弯构件的疲劳 性能研究 钢筋混凝土构件同钢筋、混凝土单一材料的疲 劳的区别主要表现在以下三方面 1钢筋混凝土受弯构件中,由于裂缝的产生及 发展,钢筋在裂缝处存在应力集中,导致钢筋应力不 均匀并在最大裂缝宽度处发生断裂破坏; 2钢筋混凝土受弯构件中受压区混凝土应力 存在应力梯度,与轴心受压素混凝土构件的全截面 疲劳存在明显差别,素混凝土材料的单轴受压疲劳 特性很难符合受弯构件中受压区混凝土实际应力分 布特征; 3钢筋与混凝土之间的粘结性能是决定钢筋 混凝土构件使用性能和疲劳强度的重要因素,考虑 有效粘结作用与仅考虑材料疲劳性能的构件疲劳性 能分析方法存在较大差别。 由于以上方面的综合影响,钢筋混凝土构件层 面的疲劳性能研究更为复杂,尚没有提出系统且有 效的钢筋混凝土构件层面的疲劳评价体系,理论层 面的研究成果也非常有限。李秀芬 、朱红兵 等 基于试验并通过数据拟合得出了一系列规律 曲线,但在实际工程中的适用性仍非常有限;XIANG 等 考虑了钢筋混凝土构件中的应力重分布效应, 通过应力层状分布机理建立了受弯构件的疲劳损伤 演变方程;潘华等 基于已有钢筋和混凝土轴心疲 劳本构关系的研究成果,分析了粘结应力分布规律, 推导出包含钢筋与混凝土两种材料的平均截面本构 关系,并运用条带法编制了数值计算程序,计算结果 与试验吻合较好;朱劲松等 提出了高周循环荷载 下受弯构件中钢筋与混凝土各自的疲劳本构关系, 采用Abaqus软件建立了钢筋混凝土桥面板数值模 型,验证了所提出的疲劳本构关系的合理性,对实际 钢筋混凝土桥面板进行了疲劳数值分析与疲劳寿命 预测;雷兵 根据已有混凝土材料疲劳本构关系、 疲劳失效准则和预应力钢筋s 曲线,建立了类似 疲劳试验的疲劳全过程分析方法;冯秀峰等Ⅲ 采用 混凝土弯曲疲劳弹性模量和钢筋有效面积作为损伤 变量,通过正截面应力分析,考虑了由于两种材料损 伤机理不同而产生的疲劳损伤过程中的应力重分布 效应,并采用分段线性的方法,提出了一种考虑两种 材料共同作用的非线性疲劳损伤全过程分析方法。 4 锈蚀钢筋混凝土受弯构件的疲劳 性能研究 钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的疲劳性能影响表 现在 ㈣ 1铁锈体积膨胀会在混凝土中产生沿钢筋径 向分布的内压力和环向的拉应力,当环向拉应力大 于混凝土的抗拉强度时,混凝土就会沿着钢筋纵向 开裂,进而影响混凝土结构的使用性能; 2锈蚀不仅减少了钢筋的有效截面,更严重的 是蚀坑导致钢筋应力集中加大,疲劳损伤会加速腐 蚀介质渗透过程,进而加剧混凝土构件的损伤,降低 构件的抗疲劳性能。随着在役钢筋混凝土桥梁结构 长期性能研究的深入,对锈蚀钢筋}昆凝土桥梁承载 能力和疲劳性能的研究也逐渐得到加强。 4.1 锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳承载力 张建仁等_l 通过对48根梁进行快速锈蚀及极 36 四JlI建筑科学研究 第42卷 限抗弯承载力试验,指出锈蚀率达到一定程度后平 截面假定不再成立,并通过建立新的锈蚀钢筋一混凝 土应变协调关系,建立了锈蚀钢筋混凝土正截面抗 弯承载力的修正计算公式,此公式虽经过了试验验 证,但未考虑锈蚀引起的钢筋与混凝土之间粘结破 坏机制的影响;孙彬等 统筹考虑了钢筋锈蚀程度 和截面配筋指标的影响,定义并推导了钢筋混凝土 梁“强度利用系数”的计算公式,建立了不同配筋率 下的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法,实用 性更强;王海超等 系统分析了钢筋混凝土受弯构 件正截面腐蚀疲劳验算时的破坏形态及准则、参数 选择等问题,认为锈蚀程度不高时平截面假定仍然 适用,并对疲劳和腐蚀共同作用造成的材料劣化给 出了量化参数,根据规范推导了钢筋 昆凝土受弯构 件正截面的疲劳验算公式,修正了材料参数和构件 的几何参数,确定了受压区 昆凝土最大压应力和钢 筋允许疲劳幅值的计算原则和方法;吴瑾等 结合 自己进行的锈蚀梁的弯曲疲劳试验以及收集的国内 外共34根锈蚀钢筋混凝土梁疲劳试验结果,回归得 到s 曲线方程中的材料性能系数,参照锈蚀钢筋 混凝土梁短期刚度模型和CEB.FIP中的变形增大 系数,得出并验证了疲劳荷载作用下锈蚀钢筋混凝 土梁跨中挠度计算公式;Luo等钊推导了受压混凝 土疲劳弹性模量的退化规律,将P 线性累积损伤 理论引入锈蚀钢筋有效面积,以平截面假定为基础, 建立了同时考虑钢筋及混凝土疲劳时变效应的弯曲 疲劳寿命预测方法。 4.2锈蚀钢筋混凝土梁的粘结疲劳性能 锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结机理较为复杂, 对锈蚀和疲劳共同作用下的钢筋与混凝土之间粘结 性能的研究目前还十分有限。牛荻涛等 综合锈 蚀后强度降低、锈胀裂缝引起的极限粘结强度降低 的规律,基于规范中的抗弯承载力计算方法,提出协 同工作系数综合反映锈蚀引起的粘结破坏对构件承 载力的影响;范进等 舶 对不同锈蚀率下的试件进行 拉拔疲劳试验,假定锈蚀和疲劳对粘结性能的影响 相互对立,考虑锈蚀对粘结强度的影响和疲劳引起 的累积损伤,根据试验结果拟合出不同锈蚀率下平 均粘结强度与荷载循环次数和锈蚀率的关系式,但 此式只针对试验条件下特定循环荷载幅值,不能体 现极粘结疲劳寿命在不同荷载幅值的差异性;彭修 宁等 制作了模拟受弯构件剪跨区的半梁式粘结 构件,通过钢筋开槽内贴应变片的方法测量了粘结 区各点的钢筋应变,对13根不同锈蚀率的试件进行 了先疲劳后中心拉拔试验,定性给出了疲劳循环次 数、钢筋锈蚀率和钢筋与混凝土间的粘结滑移关系, 分析了锈蚀钢筋混凝土梁剪跨段粘结应变分布的劣 化规律;A1.Hammoud等 副进行了静载和循环荷载 下的未锈蚀和锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验,得出 钢筋受力端和自由端的滑移基本一致,且滑移量随 着疲劳循环次数的变化基本保持不变,直至疲劳破 坏时突然增加;在未锈蚀的参考梁中,在疲劳破坏之 前钢筋和混凝土之间的滑移也未显著增大;同时,锈 蚀梁较未锈蚀梁滑移出现的时间更早。 5结论及展望 1我国现行公路混凝土桥梁设计规范尚缺少 关于疲劳设计的规定,滞后于国内JbN关规范,且国 内外设计规范中尚没有考虑环境因素引起的混凝土 结构疲劳l生能的退化,故应加强公路混凝土桥梁疲 劳荷载模型研究,进一步深化实际运营荷载和环境 腐蚀对结构疲劳损伤及其对疲劳寿命的影响研究; 2对混凝土疲劳性能的研究多集中于单轴受 压循环荷载下的研究,由于受弯构件横截面存在应 力梯度,考虑应力层状分布的混凝土受弯疲劳性能 尚需进一步深入; 3钢筋}昆凝土构件作为一种人工复合材料,其 受力状态与各向同性材料存在较大差别,而已有的 疲劳破坏判定准则多依据单一材料的研究成果建 立,不能全面反映构件的力学特征,此外,钢筋与混 凝土粘结疲劳性能更为复杂,考虑钢筋与混凝土共 同作用的构件层面的疲劳分析方法值得进一步 研究; 4钢筋锈蚀产物降低粘结力,导致锈蚀钢筋和 混凝土粘结面产生滑移,影响钢筋与混凝土应变的 协调变形,因此,基于平截面假定的受弯构件疲劳分 析方法的有效性需要进一步研究; 5锈蚀钢筋与混凝土的粘结作用机理复杂,现 有研究多采用拉拔试验方法,与实际结构受力状态 难以匹配,锈蚀对粘结性能的影响应是在役桥梁结 构疲劳和长期性能研究的重点之一。 参考文献 [1]李士彬,汤红卫,等.自然锈蚀钢筋的疲劳试验[J].建筑材料 学报,2014,1758l1-815. 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