锈蚀钢筋混凝土公路桥梁疲劳性能研究综述

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

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：1008—1933(2016)02—033—05
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)
Abstract：No 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 trafic 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 performances of bridges．
Key words：corrosion；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300—400亿元，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：2015-01—13
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-mail：yf,fu@ fioh．all
E—mail：liulei0905@ 163．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，EN1991—2
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
Aas—Jakobsen 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