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高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究.pdf

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上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectur符等。

http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究华建民ab邹小波a王剑越a曹 晖ab李正良ab(重庆大学a.土木工程学院b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045)收稿日期:20101102作者简介:华建民(1974)男博士主要从事结构工程和施工技术研究(Email)hjm191@163.com。摘 要:以武广高铁武汉站36m跨复杂箱形截面预应力混凝土简支梁为原型制作4个1/6缩尺模型其中1个模型加入13%的高分子聚合物胶乳通过静力试验和疲劳试验考察了复杂箱梁在正常使用和超过设计值的循环荷载作用下的疲劳性能以及聚合物对箱梁疲劳性能的影响。试验结果表明根据运营阶段箱梁控制截面底部的最大和最小应力值确定的加载幅值作用下200万次加载后表明模型的疲劳寿命满足要求并且对后期高幅值加载下的疲劳性能没有影响聚合物的加入对模型的疲劳性能没有负面影响。关键词:疲劳复杂箱梁缩尺模型聚合物中图分类号:U448.13  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03000805犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犅犲狀犱犻狀犵犉犪狋犻犵狌犲犅犲犺犪狏犻狅狉狅犳犘狉犲狊狋狉犲狊狊犲犱犆狅狀犮狉犲狋犲犌犻狉犱犲狉狊狑犻狋犺犆狅犿狆犾犲狓犅狅狓狋狔狆犲犛犲犮狋犻狅狀犝狊犲犱犻狀犎犻犵犺狊狆犲犲犱犚犪犻犾狑犪狔犎犝犃犑犻犪狀犿犻狀犪犫犣犗犝犡犻犪狅犫狅犪犠犃犖犌犑犻犪狀狔狌犲犪犆犃犗犎狌犻犪犫犔犐犣犺犲狀犵犾犻犪狀犵犪犫(a.SchoolofCivilEngineeringb.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaofMinistryofEducationChongqingUniversityChongqing400045P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Basedonaprestressedconcretegirderwithcomplexboxtypesectionof36mspanfourmodelsof1/6scalearemadeandoneofthemismixedwithakindofpolymerlatex.Experimentswithmonotonicallyandcyclicallyloadingarecarriedoutonthemodelstostudybendingfatiguebehaviorofthegirderinserviceandundercyclicloadexceedingthedesignedvalueaswellastheimpactofpolymeronfatigueperformanceofthegirder.Theresultsshowthatunderthecyclicloadofvaluedeterminedbythemaximumandminimumstressatthekeypartofthegirderinservicethefatigueperformanceissatisfactoryandthefatiguebehaviorunderasubsequentlargercyclicloadissimilarwiththatoneunderthesamebigcyclicload.Besidesthepolymerhasnonegativeeffectonfatiguebehaviorofthemodel.犓犲狔狑狅狉犱狊:fatigueboxtypegirderwithcomplexsectionreducedscalemodelpolymerlatex  钢筋混凝土构件在循环荷载作用下的疲劳性能一直是研究者关注的问题。各国学者对规则截面(矩形或者T形)钢筋混凝土梁的疲劳性能做了大量的试验研究。李秀芬等[1]通过对11片混凝土简支梁的静载和等幅疲劳荷载试验分析研究了受弯构件的疲劳特性得到了作为控制梁的疲劳承载能力极限状态的犛犖曲线并提出了高强混凝土受弯构件在等幅疲劳荷载作用下正截面疲劳设计方法。罗许国[2]、宋旭明[3]等对掺有高性能粉煤灰的混凝土铁路桥梁和粉煤灰预应力混凝土梁在重复荷载作用下的疲劳性能进行了研究。李子奇[4]、童谷生[5]、吕宏奎[6]、Heffernan[7]、Larson[8]等对碳纤维布增http:qkscqueducn强的钢筋混凝土梁的疲劳性能进行了研究表明碳纤维布可以较大地提高钢筋混凝土梁的疲劳性能。孔宪途[9]、吴云泉[10]在讨论混凝土疲劳寿命概率分布的基础上进行了载荷与寿命关系的试验研究得到了犘犛犖曲线。冯秀峰和宋玉普[1112]研究了随机变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁的疲劳寿命疲劳和疲劳荷载作用下预应力混凝土梁中钢筋应力的重分布。Roller和Russell[13]最近进行了预应力高强度混凝土梁的疲劳试验。Konstantinos等[14]对钢纤维布增强的混凝土构件的疲劳性能进行了研究表明钢纤维布能显著地提高混凝土构件的疲劳性能。上述已有的疲劳试验采用的构件截面规则配筋简单。高速铁路复线桥梁的截面一般都非常复杂加之高速运营的列车给铁路桥梁的疲劳性能带来了新的问题。该文以武广高铁武汉站铁路桥的复杂截面箱梁为原型进行大比例缩尺模型的疲劳试验考察箱梁在正常使用和超过设计值的循环荷载作用下的疲劳性能以及为增大阻尼添加高分子聚合物对混凝土疲劳性能的影响。1 试验模型武广高铁武汉站铁路桥为10条复线桥每条复线除中间3跨为刚构外其余均为箱形预应力简支梁。箱梁跨度36m宽15.5m高5.08m。跨中典型截面为单箱5室(即5个孔洞)上部为槽形(中部为复线轨道两侧为站台)底部为圆弧形见图1。靠近支座部分截面孔洞逐渐变小截面底部从圆弧逐渐变平。图1 预应力混凝土箱梁图以该箱梁为原型制作1/6模型4个其中1个用于静载试验编号为S1其余3个进行疲劳试验编号分别为F1、F2和F3。模型在几何形状上尽量与原型保持一致但为了减小制作难度在支座部分进行了局部简化。4个模型混凝土的配比与原型一样为C50其中F3另外添加羧基丁苯胶乳(聚灰比为0.13)。模型的普通钢筋采用直径为8mm的Q235级光圆钢筋预应力钢绞线采用抗拉强度标准值为犳ptk=1860MPa公称直径为15.2mm的高强度低松弛钢绞线。模型跨中截面如图2所示。图2 模型跨中截面配筋图F3在拆模后下部圆弧部分靠近底部两侧各约10cm宽度范围的混凝土沿纵向脱空支座部分混凝土也有少量空洞后经修补进行试验。2 试验方案静载试验采用10个20t油压千斤顶加载。疲劳试验采用MTS疲劳试验机由硬件集装箱和系统软件FlexTestGT2部分组成可实现加载和监控的自动化。静载和疲劳试验均采用三分点加载的方案通过横向和纵向分配梁将作动器施加的荷载传递到模型长度的三分点位置见图3。图中还示意了测试挠度的百分表布置。图3 模型梁加载位置和百分表布置模型的顶部和底部均布置混凝土应变片底部纵向普通钢筋上布置钢筋应变片。钢筋和混凝土的应变和模型的挠度等数据均通过动态测试分析系统3560D、应变数据采集箱YE2902和程控静态应变仪YE2530T自动高速采集和储存采样频率可达10kHz。F1采用超过设计荷载即0.5倍极限承载力9第3期华建民等:高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究http:qkscqueducn为加载幅值的上限。F2分2阶段进行疲劳试验。第1阶段试验用于研究箱梁在正常使用情况下的疲劳性能为了模拟箱梁的实际受力且考虑试验的方便加载幅值的取值根据运营阶段箱梁控制截面底部的最大和最小应力值来确定加载次数为200万次第2阶段试验的加载幅值同F1考察前期低幅值加载对后期高幅值加载疲劳性能的影响。F3的加载幅值同F1考察为了增大结构阻尼而在混凝土中掺入聚合物后箱梁的疲劳性能。S1的荷载从0级开始以10t为1级分级加载至极限荷载140t(计算值)靠近估计的开裂荷载(60t)前荷载级数适当加密以观察受拉区混凝土应变的发展截面开裂后在每一加载间隔内借助放大镜量测裂缝宽度和长度。F1、F2和F3的疲劳加载幅值和加载频率见表1。表1 疲劳加载幅值和加载频率F1F2前200万次200万次之后F3下限/t1051010上限/t75457575频率/Hz1.63.51.61.63 试验现象和结果S1的破坏属于受弯破坏由该静载试验的结果可以得到其余模型的极限荷载和开裂荷载的参考值。当荷载加到60t时裂缝开始出现主要集中在模型底部加载点所对应的区域当荷载增加至147t时模型变形突然加大下表面混凝土持续掉落荷载无法继续增加。因此确定模型的极限承载力为147t。F2在0~45t静载循环后没有裂缝出现接着以0~45t的低幅值加载200万次后模型的基频和挠度与疲劳试验前相比基本上没有变化。F1和F3在疲劳试验的前20万次加载中裂缝的长度没有发展宽度的增量也比较小20万次到50万次加载之间除裂缝的宽度和长度均有所增加外数量也相应增加受拉区混凝土以粉末状不断脱落最后混凝土剥落处的普通钢筋发生断裂模型疲劳破坏。F2的第2阶段试验即高幅值加载下裂缝的发展和挠度的变化情况与F1和F3类似。各模型疲劳试验结果如表2所示。由于F3存在缺陷后面的分析将其结果作为参考。表2 模型疲劳试验结果模型开裂弯矩/(kNM)极限弯矩/(kNM)加载幅值/t破坏次数/万次破坏特征F1600147010~7584.9普通钢筋疲劳断裂F250014705~45200未破坏加大荷载10~7579.2普通钢筋疲劳断裂F3580147010~7569.7普通钢筋疲劳断裂4 结果分析41 静载试验分析  图4为S1跨中截面普通纵向钢筋应变值随荷载的变化曲线。由图可知当荷载小于65t时钢筋的应变增长平缓应变和荷载近似呈线性关系模型在这个阶段处于线性工作状态。当荷载超过65t后受拉区混凝土开裂中性轴上移模型上表面压区混凝土线应变增幅加大普通钢筋应变值陡增。此后随荷载的增加钢筋的应变增幅比65t以前大得多。图4 犛1跨中截面普通纵向钢筋应变曲线42 疲劳试验分析4.2.1 正常使用情况下模型疲劳性能分析 图4为F2第1阶段不同疲劳加载次数后静载循环中跨中下部普通纵向钢筋应变曲线。对于全预应力混凝土梁在比较低的正常使用荷载作用下混凝土不出现拉应力截面最大与最小应力之差即应力幅Δσp=σpmax-σpmin很小(一般30~50MPa)材料的疲劳强度较高。由图5可见在各疲劳加载次数之后钢筋应变在静载循环内的变化趋势是基本相同的考虑到构件的抗疲劳性能与荷载水平密切相关试验结果说明保持模型为全预应力状态的低幅值疲劳加载对模型受力性能的影响很小。图6为在第1阶段50万次和第2阶段50万次疲劳加载后0~45t静载循环下F2的挠度对比。在加载次数相同的情况下高幅值加载比低幅值加载导致模型的疲劳损伤大得多表现为相同静载下挠度更大并且随荷载的增加挠度增加的幅度更大。频率识别的结果也显示高幅值加载后模型的基频01土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn降低而低幅值加载下模型的基频基本保持不变。因此箱梁在正常使用情况下其疲劳寿命满足设计的要求。图5 犉2各静载循环中纵向钢筋应变曲线图6 犉2不同幅值50万次加载后静载循环中挠度随荷载变化曲线4.2.2 高幅值加载下模型的疲劳性能分析 图7是不同加载次数后静载循环中F1跨中挠度随荷载变化的曲线。可见随疲劳次数的增加相同静载下跨中挠度相应变大但50万次内挠度变化趋势大概一致。临近破坏时模型的挠度增加很快。图7 犉1各静载循环中跨中挠度随荷载变化曲线图8是F3在不同加载次数后静载循环中跨中挠度随荷载变化的曲线。在40万次内不同加载次数下的挠度变化趋势基本相同。随着疲劳次数的增加挠度的变化趋势同F1。4.2.3 对比分析 图9为F1、F2和F3模型在荷载幅值为10~75t50万次加载后静载循环中跨中上表面混凝土应变对比情况。通过图9可以看到无论是加聚合物的模型F3还是经过200万次低幅值疲劳加载后的模型F2在高幅值加载50万次后模型上表面混凝土应变在一次静载循环内的曲线基本一致。另外对比图7和图8可知F1和F3在各静载循环中挠度随荷载变化基本一致。图8 犉3各静载循环中跨中挠度随荷载变化曲线图9 静载循环中跨中上表面混凝土应变对比图10为疲劳破坏以后3个模型在静载循环中跨中挠度的对比。可见F1和F2的挠度曲线非常接近。F3的变形要小一些说明其破坏后的刚度比其余2个模型更好。图10 疲劳破坏后静载循环中跨中挠度对比表1给出的各模型的疲劳寿命虽然有差异特别是F3比F1的疲劳次数少了近15万次但考虑到F3存在缺陷再结合以上分析可以说明加了聚合物的模型与普通混凝土模型的疲劳性能没有大的区别。试验掺加的羧基丁苯胶乳聚合物是一种高分子材料它的掺入改变了普通混凝土的内部结构在混凝土内部形成互穿网络结构破坏了原有的无机物体系之间的离子键而在一定的掺量下所加入的聚合物与无机物体系间所形成的离子键、氢键、范德华力及互交网络结构力尚不足以弥补所损失的键力通常使抗压强度和弹性模量有一定程度的下降。11第3期华建民等:高速铁路复杂箱形截面预应力混凝土梁疲劳性能试验研究http:qkscqueducn但在构件开裂后掺加聚合物后梁的裂缝发展更均匀构件位移更小。同时聚合物的掺加可以提高混凝土的阻尼性能快速耗散外部施加的振动能量。通过表1看出F1和F2的疲劳次数差别不大再通过上述对比分析说明经过200万次低幅值疲劳加载模型的疲劳性能没有受到影响。5 结 论论文通过4个模型静力试验和疲劳试验考察了复杂箱形截面预应力混凝土简支梁在正常使用和超过设计值的循环荷载作用下的疲劳性能以及聚合物掺加对箱梁疲劳性能的影响得出结论如下:1)由模型的2阶段疲劳试验结果可知:加载中保持模型在全预应力状态模型不会疲劳破坏箱梁原型在正常使用情况下疲劳性能满足设计要求全预应力状态下的200万次循环加载对后期高幅值加载下模型的疲劳性能没有影响。2)对比普通混凝土和聚合物混凝土模型的疲劳试验结果可知聚合物的添加对模型的疲劳寿命没有负面影响。参考文献:[1]李秀芬吴佩刚.高强混凝土梁抗弯疲劳性能的试验研究[J].土木工程学报199730(5):3742.  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