第82期侵蚀环境下预应力板梁全寿命周期疲劳特性试验研究

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第82期侵蚀环境下预应力板梁全寿命周期疲劳特性试验研究

2020-5-7 11:44

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【52监测网】第82期侵蚀环境下预应力板梁全寿命周期疲劳特性试验研究

52监测网专家报告分享-第82期

侵蚀环境下预应力板梁全寿全周期疲劳特性试验研究

郑元勋重大基础设施检测修复国家地方联合工程实验室

一、绪论

二、预应力混凝土空心板模型制作及破环试验

三、不利环境侵蚀作用下预应力空心板梁疲劳特性

四、双重损伤预应力板梁加固

五、不利环境侵蚀作用下损伤加固预应力空心板梁疲劳特性

六、结论

内容简介

一、绪论

1.交通基础设施发展迅速

至2017年底，公路总通车里程：460万公里；高速公路：突破13万公里，居世界第一位！

桥梁：80万余座、4600余万米；其中，特大桥梁近3900座、约700万米；大桥80000余座、2100余万米。

2.桥梁结构早期破坏普遍、事故频发

郑元勋，郭慧吉，谢宁.基于统计分析的桥梁坍塌事故原因剖析及预防措施研究[J].中外公路，2017，37(6) :12—133.

办法？

检测评估

重建or加固处理

加固处理：存在问题

加固构建依旧会受到不利环境侵蚀，导致其耐久性劣化及疲劳寿命衰减，不同于侵蚀环境作用下哪种加固方法加固效果较优？不同侵蚀环境作用下构件及加固构件疲劳寿命如何评价预估？

3.桥梁结构耐久性及加固耐久性现状及存在问题

➢结构耐久性研究现状

第一阶段：材料耐久性（标准试件为主）

第二阶段：耐久性设计及评价：添加纤维、评价方法

第三阶段：非预应力小构件耐久性研究

➢存在问题

•鉴于耐久性试验设备尺寸所限，目前开展的耐久性试验大多基于非预应力构件开展的，而实际中桥梁结构多为预应力构件；

•针对预应力空心板梁耐久性与疲劳特性之间相关关系的研究亟待开展；

➢结构加固耐久性及疲劳特性研究现状

•加固构件传统的抗弯抗剪评价指标

•加固材料耐久性

•加固材料对健康构件加固效果及耐久性研究

•研究对象大多基千非预应力小构件

➢存在问题

•鉴千耐久性试验设备尺寸所限，目前开展的耐久性试验大多基于标准构件或材料开展，且以健康构件为主，而实际工程中加固构件多为损伤构件，两者间存在一定差异；

•针对损伤加固预应力空心板梁耐久性与其疲劳特性相关关系的研究亟待开展。

主要研究思路

二、预应力混凝土空心板模型制作及破坏试验

1.先张法预应力混凝土空心试验的设计

➢原材料选择

非预应力钢筋

预应力钢绞线

混凝土(C50)

➢预应力混凝土空心板设计

本次试验针对的是河南省内常用的公路桥梁20m预应力混凝土空心板，设计荷载为公路汽车二级荷载。

设计极限荷载

预应力筋计算

➢预应力混凝土空心板模型设计

根据本次实验目的以及实验条件通过运用相似性原理对原型空心板进行转换设计

相似比计算公式

➢预应力混凝土空心板模型浇筑

2.预应力混凝土空心实验板破环试验

➢实验目的

(1) 确定空心板的最大极限荷载与最先破坏位置

(2) 确定疲劳试验的最大应力比与疲劳振幅以及重点观测部位。

(3) 通过静载极限荷载试验来确定混疑土裂缝宽度。

(4) 根据静载极限破坏时的裂缝宽度来确定疲劳试验时试验空心板的损坏标准。

➢加载方式

本次预应力空心试验板静载试验主要采用三分点加载法进行加载。

➢实验设备

本次静载试验拟采用的加载设备主要为50吨液压千斤顶以及竖向反力钢梁进行极限静载试验。预应力混凝土试验空心板在静载过程中混凝土应变数据由武汉华岩HY-65830008型数码应变计测量，试验板挠度由武汉华岩 HY-65050F型数码位移计进行测量。

➢测量内容

（1）荷载量测

（2）位移与裂缝量测

（3）应变测量

➢实验现象观测

16.5吨时，出现支座处斜向上45度角剪切裂缝。

随着荷载的逐步增加，预应力试验板逐渐出现横向贯通裂缝、竖向贯通裂缝、端头斜向贯通裂缝甚至顶板开裂。在荷载达到24.5吨时，预应力试验空心板达到极限承载力破坏状态。

➢应变数据分析

➢挠度数据分析

➢截面承载力理论计算

1）首先，进行截面抗剪强度上下限复核

2）距支座x=200薄弱处斜截面抗剪承载力

本章小结

1）通过利用相似性原理确定了并制作了预应力空心板梁模型。

2）最大极限荷载及最先破坏位置的确定，为疲劳试验加载荷载及损坏标准确定提供依据。

三、不利于环境侵蚀作用下预应力空心板梁疲劳特性

（一）碳化侵蚀作用下预应力空心板梁疲劳特性

1.预应力混凝土空心板梁及同期试块碳化试验

➢预应力空心板快速碳化腐蚀试验

1）碳化池升级改造

2）液压式压力试验机

3）实验环境

4）试验分组

➢碳化腐蚀后混凝土试块力学性能试验

1）混凝土立方体试块抗压强度试验

试验步骤及过程按照规范进行

2）混凝土立方体试块轴心抗压强度试验

2.碳化腐蚀条件下空心试验板疲劳试验

➢疲劳试验准备以及设备布置

1）疲劳试验主要设备及疲劳加载方案

采用的主要设备：

郑州大学25吨疲劳试验机；

武汉华岩数码应变计；

武汉华岩数码位移计；

中国地震局工程力学研究所891—4拾振器

电阻式应变片

东方所INV306V型网络分布式采集分析仪以及DZ型电涡流位移

具体疲劳加载方式为三分点加载，疲劳加载采用的应力比为0.8，频率为5HZ。

每50万次疲劳加载后进行一次静载试验用以测定应变以及位移情况。

试验板分为三组，分别为未经过碳化腐蚀(BW)、轻度碳化腐蚀(BQ)以及重度碳化腐蚀(BZ)。

➢不同碳化侵蚀程度下预应力试验板疲劳性能分析

拉压应变、试验板挠度、试验板裂缝、动态应变、动态位移、动态阻尼预计动态频率。

预应力试验板在不同碳化条件下裂缝分析

预应力试验板在不同碳化条件下混凝土应力与挠度分析

预应力试验板在不同碳化条件下动态数据分析

预应力试验板动态挠度数据分析

预应力试验板自振频率分析

预应力试验板阻尼数据分析

➢碳化腐蚀对疲劳特性影响分析

3.预应力空心板构件承载力及疲劳数值分析

➢试验板静载试验模拟对比

1）模型的建立

2） ANSYS具体模拟结果

不同碳化侵蚀条件下试验板疲劳试验模拟

1）计算最大等效力

2）疲劳分析

（二）氯离子侵蚀作用下预应力混凝土空心板疲劳特性

1.氯离子对混凝土结构侵蚀机理

2.预应力空心板及同期试块氯离子侵蚀试验

3.氯离子侵蚀条件下混凝土空心试验板疲劳试验

（三）冻融循环作用下预应力空心板疲劳特性

1.预应力混凝土空心板冻融循环实验

2.不同冻融循环次数下实验梁疲劳试验过程

四、双重损伤预应力空心板梁加固处理

1.损伤预应力混凝土空心板梁加固处理

2.损伤预应力混凝土空心板梁加固

3.加固试验板加固前后静载试验对比分析

4.本章小结

本章主要结论如下：

1）比粘贴钢板法加固试验板前后挠度数据发现，加固后试验板的挠度要明显小于加固前的挠度，其挠度降低了10%-40%；对比分析粘贴钢板加固后对试验板应变的影响，加固后试验板跨中压应变与拉应变要小于加固之前的应变-，其应变减小了10%-20%。

2)对比粘贴碳纤维布加固试验梁前后的静载试验数据发现，加固后试验板的挠度明显小于加固前的挠度，其挠度降低了10%-30%;受力方面，碳纤维加固后，在150KN荷载作用下，试验板的跨中压应变与拉应变要小于加固之前的应变，说明碳纤维加固后试验板的应变水水平有所改善，其减小范围为5%-20%。

五、不利环境侵蚀作用下损伤加固预应力空心板梁疲劳特性

（一）碳化侵蚀损伤加固预应力空心板梁疲劳特性试验

1.损伤加固预应力混凝土空心板梁碳化试验

➢损伤加固预应力空心板块快速碳化腐蚀试验

➢碳化腐蚀后混凝土试块力学性能试验

2.碳化腐蚀条件下加固空心试验板疲劳试验

➢疲劳试验准备以及设备布置

➢未收到侵蚀加固实验板疲劳试验

➢受到碳化侵蚀加固试验板疲劳试验

3.本章小节

主要结果如下：

(1)对前期经过疲劳损伤的试验板(腹板处裂缝宽度在0.2mm左右)，采用粘贴钢板法与粘贴碳纤维布法进行加固，无论是经过碳化侵蚀的试验板(碳化深度0.5mm)还是未经受侵蚀的试验板，均能够满足200万次疲劳。

(2)试验过程中发现，粘贴钢板法与粘贴碳纤维布法加固能有效抑制裂缝的开展，粘贴碳纤维布法加固的试验板，裂缝发展缓慢，新出现裂纹较少；经过粘贴钢板法加固的试验板，没有观察到新裂缝出现。

(3)在两种加固方式下，相同疲劳次数下的挠度均大于未受到侵蚀的试验板，且受到侵蚀的试验板，在150万次疲劳之前，挠度增加比较平稳，在150万次到200万次的疲劳过程中，挠度增加较快，且在200万次疲劳时，挠度均大于或接近于正常使用状态下的挠度。

(4)在疲劳试验中，随着疲劳次数的增加，混凝土拉压应变均随着疲劳次数增加而增加，经过碳化侵蚀过后，试验板的混凝土应变变化呈现出逐渐增加的趋势，碳化侵蚀会影响实验板的变形及应变水平。经过侵蚀过后，随着疲劳次数的增加，相同疲劳次数下，相同荷载下的应变明显高于未受碳化侵蚀的试验板。

（二）加固空心板冻融试验及疲劳特性试验研究

1.损伤加固预应力混凝土空心板梁冻融循环试验

2.冻融循环作用下损伤加固预应力实验梁疲劳试验

3.本章小结

试验结果如：

(1）对前期经过疲劳损伤的试验板(腹板处裂缝宽度在0.2mm左右），采用粘贴钢板法与粘贴碳纤维布法进行加固，只有B-3(粘贴碳纤维布加固的试验板经受过50次冻融循环），经过200万次疲劳，顶板受损严重，碳纤维布有局部剥，无论是经过冻融循环侵蚀的试验板(50次冻融循环）还是未经受侵蚀的试验板，均能够满足200万次疲劳。

(2)在两种加固方式下(相同疲劳次数下的挠度均大于未受到侵蚀的试验板；且受到侵蚀的试验板，在150万次疲劳之前，挠度增加比较平稳，在150万次到200万次的疲劳过程中，挠度增加较快，且在200万次疲劳时，挠度均大于或接近于正常使用状态下的挠度。

(3)在疲劳试验中，随着疲劳次数的增加，混凝土拉压应变均随着疲劳次数增加而增加，经过腐蚀过后，试验板的混凝土应变变化呈现出逐渐增加的趋势，侵蚀会影响试验板的变形，并增加试验板的应变水平。经过侵蚀过后，随着疲劳次数的增加，相同疲劳次数，相同荷载下的应变要明显高于未受过侵蚀的试验板。

本章小结

(1 )通过对不同侵蚀环境作用下钢板加固预应力空心板梁跨中挠度对比分析，在疲劳荷载作用下，相对碳化侵蚀，冻融侵蚀对加固结构刚度衰减影响较大，因此，如果仅从刚度衰减规律考虑的话，冻融环境对钢板加固构件刚度衰减影响最为显著。

(2)通过对不同侵蚀环境作用下钢板加固预应力空心板梁受力对比分析，说明加固构件经过不利环境侵蚀后，相对未侵蚀加固构件，侵蚀构件加固性能劣化较为严重。从应力增幅来看，对千钢板加固构件来讲，碳化侵蚀相对冻融侵蚀来讲拉压应力增幅较快。

(3)通过对不同侵蚀环境作用下碳纤维加固预应力空心板梁跨中挠度对比分析，疲劳荷载作用下，相对碳化侵蚀，冻融侵蚀对碳纤维加固结构刚度衰减影响较大，因此，如果仅从刚度衰减规律考虑的话，冻融环境对碳纤维加固构件刚度衰减影响较为显著。

(4)通过对不同侵蚀环境作用下碳纤维加固预应力空心板梁受力对比分析，说明加固构件经过不利环境侵蚀后，相对未侵蚀加固构件，其加固性能劣化较为严重。从应力增幅来看，对于碳纤维加固构件来讲，相对冻融侵蚀，碳化侵蚀对加固构件受力影响较大。

(5)同一环境作用下不同加固方法加固构件疲劳荷载作用下挠度与应力分析，对于碳化侵蚀环境，钢板加固构件具有较好的受力性能及抗疲劳衰减特性；对于冻融侵蚀环境，碳纤维布加固构件相对钢板加固构件具有较好的受力性能，而钢板加固构件具有良好的抗疲劳衰减性能。

六、结论

系统研究了全寿命预应力板梁耐久性与疲劳寿命，为侵蚀环境作用下桥梁检测评价及寿命预估提供理论支撑与技术支持。