考慮耐久性損傷的鋼筋混凝土梁疲勞壽命試驗研究

歐陽祥森， 羅小勇， 萬翱宙， 鄒洪波

(1. 中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 2． 湖南工程學院 建筑工程學院， 湖南 湘潭 411104)

鋼筋混凝土結構同時承受疲勞荷載與環境侵蝕雙重效應作用，疲勞荷載使結構產生疲勞損傷，環境因素使結構產生耐久性損傷，二者在時空上耦合作用使結構損傷演化規律較單因素作用的損傷演化規律更為復雜。疲勞荷載作用下構件逐步損傷直至失效的演變規律研究大多是設定典型環境對構件施加疲勞荷載，定量分析某一個可描述構件力學性能劣化并且易于測量量值(如剩余強度、剩余剛度、殘余變形等)的退化規律，提出相應的數學模型，通過試驗驗證和理論分析從而確立該損傷變量的演化模型。已有研究成果表明[1-4]：各種物理量疲勞加載累積損傷演化過程基本都是典型的三階段發展模式，即前期損傷快速發展、中期損傷穩定發展、后期構件快速破壞。許多學者[5-7]通過各種方法建立了很多疲勞累積損傷模型，用以描述混凝土構件在承受疲勞荷載后其力學性能的劣化規律，這些規律都是基于構件初始狀態是完好前提建立的，未考慮構件在承受疲勞荷載時已經存在的受環境因素影響的耐久性損傷。

實際環境中疲勞荷載、環境因素對構件的影響是同時發生，現有研究結果表明，鋼筋銹蝕嚴重降低鋼筋混凝土構件的疲勞壽命[8-12]。研究成果集中于鋼筋銹蝕對構件力學性能劣化的影響，但對疲勞荷載、環境因素耦合作用下構件性能劣化的規律研究不多。Hodgkiess[13]模擬海水對混凝土構件的腐蝕，考慮加載頻率對疲勞性能的影響，在高頻率反復荷載作用下，銹損鋼筋混凝土梁各項力學性能指標均有降低。王海超[14]設計8根不同銹蝕程度的梁試件，研究腐蝕梁承受疲勞荷載作用后力學性能的退化規律。在高周疲勞荷載作用下，即使是輕微的鋼筋銹蝕也會促使疲勞累積損傷加速發展，構件由于疲勞裂縫的擴展又給鋼筋腐蝕提供了便利通道促使鋼筋進一步腐蝕，疲勞荷載和鋼筋腐蝕兩者相互影響導致構件疲勞壽命縮短。蔣金洋等[15]通過研究了疲勞荷載與碳化耦合對混凝土的影響，建立疲勞荷載與環境因素耦合作用下混凝土碳化深度時變模型。楊良等[16]通過對鋼筋混凝土梁的鋼筋銹蝕和疲勞損傷過程的相互影響分析，建立了鋼筋銹蝕與疲勞損傷耦合效應下的鋼筋截面綜合損傷計算模型。

綜合目前的研究成果，由于單個環境因素作用造成耐久性損傷后構件疲勞性能的劣化規律探討很多，對多種環境因素耦合作用下構件的耐久性損傷與疲勞損傷間的關系知之甚少。因此，本文以混凝土碳化和鋼筋銹蝕兩個因素為研究對象，通過鋼筋銹蝕未碳化梁與鋼筋銹蝕碳化梁疲勞加載對比試驗，研究鋼筋銹蝕與混凝土碳化耦合作用下試件梁發生耐久性損傷后試驗梁在高周疲勞荷載作用下各項力學性能的劣化規律。

1 損傷鋼筋混凝土梁疲勞試驗

1.1 試驗設計及試件制作

根據試驗設計的總體安排共預制10根鋼筋混凝土梁，1根靜力加載對比梁(編號JL)、1根疲勞加載對比梁(編號L0)、4根主筋銹蝕梁(編號L1～L4)和4根混凝土碳化主筋銹蝕梁(編號CL1～CL4)，各梁設計試驗參數見表1。

表1 試驗梁試驗參數設計

試驗梁鋼筋采用通電加速銹蝕法銹蝕，通過控制電流密度、通電時間使梁內鋼筋達到預期銹蝕率，各梁通電電流密度及通電時間見表2。

表2 試驗梁通電時間

通電銹蝕前先將鋼筋梁試件浸泡于濃度為5%NaCl溶液中2個月，通過增加試件內離子的濃度提高梁試件內部的離子交換能力，以達到較好地銹蝕效果。試驗梁通電銹蝕見圖2。

試件加載結束后破開梁體取出梁純彎段縱向受力鋼筋，清除鋼筋表面的混凝土和鐵銹，切割成長約300 mm的試件，酸洗后采用稱重法測量鋼筋質量銹蝕率，實測結果見表1。觀察銹蝕鋼筋試件發現，鋼筋表面銹坑散布于試件長度范圍內各處，銹坑分布離散性較大。這主要是因梁體內氯離子濃度分布不均勻，氯離子對鋼筋表面鈍化膜的破壞發生在局部，露出的鐵基體與完好鈍化膜區域形成電位差；鋼筋作為陽極，大面積鈍化膜區為陰極形成腐蝕電池。氯離子與陽極反應產物Fe2+結合形成FeCl2，Fe2+被及時搬運走；此過程中氯離子的去極化作用加速陽極極化，鋼筋加速腐蝕形成較深的銹坑。因此，埋置于混凝土內的鋼筋沿長度方向各斷面銹蝕程度差別較大，銹坑沿鋼筋徑向分布不均勻，但統計分析所得鋼筋平均質量銹蝕率與試驗設計銹蝕率接近。

為考察試驗梁保護層混凝土碳化對試件的抗銹能力以及碳化對構件抗疲勞荷載能力的影響，將試驗梁CL1—CL4置于碳化箱內碳化。文獻[17]給出碳化深度與碳化時間之間的關系為

(1)

式中：D為碳化深度；t為碳化時間；k為碳化系數，根據文獻[17]中相關規定確定。

1.2 加載制度

試驗包括靜載試驗和等幅疲勞試驗兩部分，靜載試驗采用千斤頂加載，疲勞試驗采用PMS-500液壓脈動試驗機加載，設定荷載頻率為4 Hz，梁兩端采取固定措施防止加載過程中梁體晃動影響加載，加載裝置見圖4。

為了解試驗梁在疲勞壽命周期內各階段力學性能退化規律，試驗設計對試驗梁疲勞循環一定次數后暫停疲勞荷載，施加靜力荷載記錄跨中撓度、混凝土應變及鋼筋應變，之后再施加疲勞荷載如此反復直至疲勞破壞。若疲勞循環超過200萬次試驗梁仍未破壞，則停止疲勞循環，對試驗梁施加靜力荷載使試驗梁破壞。施加靜力荷載時，最大加載量取60 kN，加載過程保證逐級均勻加載。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

鋼筋混凝土構件疲勞試驗構件是否發生疲勞斷裂取決于試驗所設定的疲勞荷載特征以及構件自身因素。已有的研究表明[19]，靜力荷載作用下，鋼筋銹蝕改變混凝土構件的破壞機理。鋼筋銹蝕使鋼筋混凝土梁的破壞形態逐漸由適筋塑性破壞向少筋脆性破壞轉變。通過本次鋼筋銹蝕混凝土梁疲勞破壞試驗發現：試驗梁鋼筋質量銹蝕率在6%～10%間時，梁混凝土保護層出現明顯縱向銹脹裂縫。銹脹裂縫寬度隨疲勞荷載循環次數增加而增大，達到一定寬度后與橫向裂縫交錯貫通，導致混凝土保護層在加卸載過程中脫落，混凝土與受力鋼筋出現了黏結失效。露筋梁承受一定次數疲勞循環后，縱筋脆性疲勞斷裂，破壞形態見圖5(a)～5(c)。試驗梁鋼筋質量銹蝕率介于10%～15%間時，混凝土保護層出現大量縱向銹漲裂縫使梁表面破損，裂縫寬度明顯超出結構適應性要求。試件梁承受疲勞荷載作用過程中，純彎段受壓區混凝土出現崩裂、整塊脫落等失效現象，受拉區混凝土開裂后形成豎向主裂縫并迅速貫穿整個梁橫截面，梁橫斷面抗彎剛度基本喪失，梁撓度明顯超限，判定試驗梁疲勞破壞，失效形態見圖5(d)～5(e)。

2.2 鋼筋銹蝕對受彎構件破壞形態的影響

分析試驗結果可知，疲勞荷載作用下的既有損傷鋼筋混凝土梁有兩種疲勞破壞形態：一是受拉區銹蝕鋼筋疲勞脆斷，二是受壓區混凝土保護層沿縱筋方向銹漲開裂，荷載作用下受壓區混凝土受壓崩裂脫落失效。與無初始損傷的鋼筋混凝土梁疲勞荷載作用下脆性斷裂的疲勞破壞相比，以上兩種破壞形態都出現了異變。從試驗結果看，鋼筋銹蝕率低于一定值時，試驗梁疲勞荷載作用下破壞主要形式為受力鋼筋脆性斷裂；鋼筋銹蝕率超過一定限值時，疲勞破壞形態由縱筋斷裂演變為受壓區混凝土保護層順筋銹脹開裂后整個壓區混凝土崩裂脫落失效。本次試驗疲勞荷載作用下，梁破壞形態改變的鋼筋平均質量銹蝕率臨界值為10%。文獻[20]對4組共21根不同程度銹蝕混凝土梁進行試驗研究，發現試驗梁受力縱筋銹蝕率低于4%、箍筋銹蝕率低于16%時試驗梁發生彎曲破壞，超過這一臨界值時試驗梁由彎曲破壞向剪壓破壞轉變；當箍筋銹蝕率高于16%時，試驗梁的破壞形態由剪壓破壞向剪切-黏結破壞轉變。因此，銹蝕鋼筋混凝土梁的靜載破壞形態和疲勞破壞形態均受鋼筋銹蝕率的影響，鋼筋銹蝕率達到某一臨界值，銹損鋼筋混凝土梁的破壞將發生改變。

3 鋼筋銹蝕混凝土碳化對疲勞損傷評價指標的影響分析

正常使用狀態下構件適用性優劣主要通過變形情況、開裂情況評判。通過本次試驗研究發現，試驗梁發生鋼筋銹蝕、混凝土碳化后受荷載作用，其跨中最大撓度、表面最大裂縫寬度、受力鋼筋持荷后殘余變形較之受同樣荷載作用的無損傷試驗梁都有明顯的增加。

3.1 鋼筋銹蝕對疲勞損傷試驗梁最大跨中撓度影響

跨中撓度是反應承載構件抵抗變形能力的重要指標。為探討鋼筋銹蝕程度對承受疲勞荷載作用后試驗梁抵抗變形能力的影響，將試驗梁L0～L4、CL1～CL4分別循環加載0、1、5、10、20、30萬次后靜載加至60 kN，梁最大跨中撓度隨鋼筋銹率變化曲線見圖6。由圖6可知，同等載荷條件下試件梁的最大跨中撓度隨銹蝕率增加而逐漸增大。銹蝕率低于9%時，跨中最大撓度與鋼筋銹蝕率基本滿足線性遞增關系，當銹蝕率從9%增加到12%時，曲線明顯變陡，梁的抗彎性能隨銹蝕率增加從平穩下降向快速衰減發展，即鋼筋銹蝕嚴重時混凝土與鋼筋黏結喪失，鋼筋基本不能為截面提供抗彎剛度，截面剛度急劇下降導致最大撓度急劇增加。

3.2 鋼筋銹蝕對疲勞損傷試驗梁最大裂縫寬度影響

抗裂性能是鋼筋混凝土構件適應復雜工作環境，阻止構件發生耐久性損傷的最重要力學性能。本次試驗通過測量兩組試驗梁在承受不同次數疲勞荷載后靜載最大裂縫寬度發展規律，分析鋼筋銹損對既有疲勞損傷梁抗裂性能的影響。按前述加載模式，結束一階段疲勞加載后，在靜載試驗中對試驗梁受拉區裂縫進行識別標定，選取寬度最大的裂縫作為研究對象，每級靜載均測量選定裂縫的最大寬度值，記錄最大寬度值隨疲勞循環次數變化情況。L4疲勞循環周期短，選定裂縫量測位置處混凝土過早崩裂，未獲得有效最大寬度測量值。試驗梁裂縫最大寬度隨循環次數變化規律曲線見圖7。由圖7可見，兩組試驗梁裂縫發展整體趨勢基本相似，裂縫寬度變化規律均是由快速增長和穩定增長兩個階段構成。裂縫快速增長階段試驗梁裂縫寬度增長與疲勞加載次數保持線性關系，各試驗梁裂縫增長速率基本一致；裂縫穩定增長階段各試驗梁裂縫增長速率開始出現明顯分化，相同循環次數下高銹蝕率試驗梁最大裂縫寬度明顯大于低銹蝕率梁。試驗梁銹損程度增加，承受疲勞荷載后最大裂縫寬度也隨之增加，鋼筋銹蝕是導致銹荷載裂縫加速擴展的重要因素，這一結論通過對試驗結果分析也得到證實。

3.3 承受疲勞荷載后試驗梁內銹蝕鋼筋應變

為了解疲勞荷載下試驗梁內銹蝕鋼筋應變隨循環次數增長的規律，預先將應變片貼在受拉鋼筋上，采集一定疲勞加載次數下鋼筋的應變值。根據實際受力鋼筋應變發展情況，試驗分析中定義疲勞荷載上限時的鋼筋應變為最大鋼筋應變，加載完成卸載至10 kN時應變為鋼筋殘余應變，試驗梁L0～L3、CL1～CL4中受力鋼筋最大應變、殘余應變隨疲勞加載次數的增長規律，見圖8。試驗梁L4疲勞壽命較短，加載時測試點被破壞，因此未得到該梁數據。由圖8可知，承受疲勞荷載作用的試驗梁，梁內鋼筋最大應變、殘余應變增長均按快速發展和穩定發展兩階段模式進行。試驗梁疲勞壽命周期前段梁內鋼筋應變增長迅速，之后進入鋼筋應變緩慢平穩增長階段。鋼筋銹蝕程度增加以及疲勞加載次數增加使得銹損鋼筋晶格錯動加劇，銹損鋼筋疲勞變形更為顯著。

3.4 混凝土碳化對梁跨中最大撓度的影響

疲勞加載0、1、5、10萬次后，實測試驗梁L1～L4與CL1～CL4疲勞相同循環次數后各梁最大靜載跨中撓度，未碳化梁及碳化梁跨中最大撓度隨銹蝕率變化趨勢見圖9。

由圖9可見，同等載荷條件下碳化后混凝土梁跨中最大撓度較未碳化梁小，試驗梁碳化28 d后平均碳化深度為21.4 mm，碳化影響應已經進入構件內部，碳化使混凝土孔隙率減小，密實度提高，混凝土強度小幅提高，間接提高了梁的抗變形能力。由圖9也可以看出，碳化梁跨中最大撓度減小值與梁跨度的比值很小，說明碳化對梁截面抗彎剛度及梁跨中撓度的影響十分有限。

4 試驗梁受耐久性損傷影響的疲勞壽命退化分析

疲勞荷載試驗通過9根由鋼筋銹蝕混凝土碳化等原因造成既有損傷的試驗梁上進行，試驗結果統計見表3。

表3 疲勞試驗結果

由表3可見，未碳化試驗梁L1～L4，鋼筋平均質量銹蝕率分別為5.95%、8.03%、9.15%、11.8%，疲勞壽命依次為98、63、48、4.8萬次，與未銹蝕梁L0比較，各梁疲勞壽命分別降低了42%、63%、72%、97%；碳化試驗梁CL1～CL4，銹蝕率由6.42%增加到10.42%，在相同荷載條件下，鋼筋銹蝕率提高4%，試驗梁的疲勞壽命下降65萬次，壽命周期退化率達到85%。試驗所得兩組試驗梁疲勞壽命對數值與鋼筋質量平均銹蝕率的關系曲線，見圖10。由圖10可知，恒定應力幅條件下，混凝土試驗梁的疲勞壽命周期與鋼筋銹蝕率密切相關，鋼筋銹蝕率增加使試驗梁承受疲勞荷載的周期加速衰減。低銹蝕率情況下，試驗梁疲勞壽命周期基本隨受力鋼筋的銹蝕率線性衰減，隨著受力鋼筋銹蝕率的增加，當銹蝕率達到某一臨界值時，試驗梁疲勞壽命周期陡然大幅降低。

5 既有耐久性損傷試驗梁疲勞壽命預測模型

5.1 疲勞壽命預測模型

本次疲勞試驗采用等幅疲勞，考慮銹蝕及碳化對疲勞壽命的影響。受樣本數量限制，碳化因素僅考慮未碳化與碳化28 d兩個水平數，混凝土保護層碳化對疲勞壽命的影響難以量化，只能定性分析碳化影響。本文以鋼筋混凝土構件S-N曲線為基礎，結合文獻[21]動態交叉法的思想，建立考慮構件耐久性損傷后的疲勞壽命預測模型。目前構件的S-N曲線為

lgN=A+mlgΔσ

(2)

式中：N為試件疲勞壽命；Δσ為應力幅；m、A為材料相關系數。

m、A可表示為與銹蝕率相關的函數，即

m=α1+k1ρ

(3)

A=α2+k2ρ

(4)

式中：α1、α2、k1、k2分別是與銹蝕率相關的待定系數；ρ為銹蝕率。

將式(3)、式(4)帶入式(2)，可得

lgN=α2+k2ρ+α1lgΔσ+k1ρlgΔσ

(5)

試件的疲勞壽命對數值lgN是與銹蝕率ρ、應力幅對數lgΔσ相關的函數。結合本次試驗設計各試驗梁銹蝕率、加載應力幅，可得各試驗梁的疲勞壽命。本次試驗受樣本限制，加載只采用了一個應力幅值Δσ，式(5)中Δσ可看作常數，化簡式(5)，可得

lgN=(α2+α1lgΔσ)+(k2+k1lgΔσ)ρ

(6)

令

B=α2+α1lgΔσ

(7)

n=-(k2+k1lgΔσ)

(8)

則式(6)可簡化為

lgN=B-nρ

(9)

式中：B是與應力幅有關的系數；n為疲勞壽命的衰減速率。

當試驗梁梁內鋼筋銹蝕率超過某一臨界值時，疲勞破壞形態發生改變，疲勞壽命陡然減少。因此，采用單一對數線性關系描述試驗梁疲勞壽命與銹蝕率之間的關系顯然是不合理的。結合對試驗數據的擬合分析，本文采用分段線性函數描述試驗梁疲勞壽命與銹蝕率之間的關系，即以臨界銹蝕率為界分段線性擬合試驗梁疲勞壽命與銹蝕率之間的關系。

lgN=6.237-0.051 4ρR2=0.914

(10)

lgN=7.643-0.251 2ρR2=0.905

(11)

按式(9)擬合出9根試驗梁L0～L4、CL1～CL4在應力幅為174 MPa時考慮鋼筋銹蝕的疲勞壽命周期預測模型。當銹蝕率ρ≤8%時，構件可按式(10)模型計算預測疲勞壽命；銹蝕率ρ>8%時，可按式(11)模型計算。

5.2 疲勞壽命預測模型模式驗證

為證實給定應力幅作用下鋼筋銹蝕率與構件疲勞壽命對數值滿足分段線性規律，本文收集國內外恒定應力幅為174、258.3、313.3 MPa作用下20根銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞試驗數據，對銹蝕率與試驗梁疲勞壽命進行分段線性擬合，結果見圖11。由圖11可見， 3組應力幅作用下鋼筋銹蝕率和試驗梁疲勞壽命均可按對數分段線性規律進行較好擬合。固定應力幅作用下，試驗梁疲勞壽命對數值以鋼筋臨界銹蝕率為界按分段線性規律分布。隨著應力幅增加試驗梁鋼筋達到臨界銹蝕率后，疲勞壽命隨銹蝕率增加而加速減少的趨勢明顯減緩，說明鋼筋銹蝕在應力幅相對較低是影響試驗梁疲勞壽命的主要因素；應力幅較大時鋼筋應力增大，鋼筋銹蝕、大應力幅反復作用是導致試驗梁疲勞壽命陡降的因素。

3組應力幅作用下的試驗梁的銹蝕率、分段預測模型、實測疲勞壽命以及預測疲勞壽命，見表4。

由表4可見，用預測模型計算所得各種應力幅下試驗梁疲勞壽命的預測值與試驗實測值的平均誤差僅為4.24%，說明可靠性較好。有個別實測值與預測值的誤差超過30%時，應考慮是疲勞試驗的隨機性、試驗數據的離散性、試驗數據的有限性及試驗方案和材料差異性等原因所致。由表4也可看出，隨著應力幅的增加，分段預測模型的臨界銹蝕率有逐漸減小的趨勢。

表4 疲勞壽命預測模型驗證

6 結論

通過銹蝕鋼筋混凝土梁和碳化后銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞試驗，對比分析鋼筋銹蝕與疲勞荷載耦合作用以及鋼筋銹蝕、混凝土保護層碳化與疲勞荷載耦合作用下試驗梁力學性能劣化規律，得出以下結論：

(1) 配筋相同鋼筋未銹蝕混凝土梁與鋼筋銹蝕混凝土梁的疲勞破壞形態有明顯區別。鋼筋銹蝕使試驗梁疲勞壽命明顯降低，低銹蝕率混凝土梁疲勞破壞形式是以受拉鋼筋疲勞脆斷為主；高銹蝕率混凝土梁疲勞破壞形式是受壓區混凝土沿梁縱向銹脹開裂，縱向裂縫與截面橫向裂縫、豎向裂縫交錯貫通后壓區混凝土崩裂脫落最終受壓失效。鋼筋銹蝕率增加到一定程度時，銹損程度接近的未碳化鋼筋混凝土梁與碳化鋼筋混凝土梁的疲勞壽命開始出現明顯差別。

(2) 鋼筋銹蝕試驗梁與混凝土碳化鋼筋銹蝕試驗梁在承受一定次數的疲勞荷載作用后，其靜載下跨中撓度值隨著鋼筋銹蝕程度以及疲勞加載次數的增加而增加，說明鋼筋銹蝕以及疲勞加載使得試驗梁剛度降低，變形增大。從試驗結果看，試驗梁剛度退化受鋼筋銹蝕影響最大，低銹蝕率時，試驗梁剛度隨銹蝕率平穩線性衰減；銹蝕率超過臨界值時，試驗梁剛度隨銹蝕率增加而加速衰減。

(3) 鋼筋銹蝕試驗梁與混凝土碳化鋼筋銹蝕試驗梁在承受疲勞荷載作用后，受力鋼筋的最大應變值、殘余應變以及試驗梁最大裂縫寬度值的規律為：試驗梁疲勞壽命周期前段增長較快，疲勞壽命周期中段穩定發展緩慢增長，即試驗梁受力鋼筋的應變以及最大裂縫寬度的發展均可按疲勞加載初期快速發展疲勞加載中后期穩定增長這兩個階段來劃分。

(4) 依據本文試驗結果，提出了分段線性預測模型描述試驗梁疲勞壽命與銹蝕率之間的關系。利用銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞壽命研究的試驗數據及相關成果，對本文所提出預測模型模式的正確性進行了驗證。