基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

重载铁路桥梁疲劳试验研究

借助现代光纤光栅传感、传统应变片和891-Ⅱ拾振器的疲劳试验实时测试系统,通过12片1/6缩尺模型梁疲劳试验,研究重载铁路桥梁疲劳破坏形态以及振幅、刚度、非预应力筋和预应力筋应变、混凝土应变随重复荷载次数的变化规律。研究表明:重载铁路桥梁疲劳破坏前预应力筋和非预应力筋应力幅值比约为0.6～0.7,疲劳破坏由梁底非预应力筋疲劳断裂引起,主要是因为两种力筋疲劳破坏强度相差较大造成的,预应力筋和受压区混凝土的应力幅较低,一般不会发生疲劳破坏;疲劳下限相同时,不同上限下普通钢筋疲劳断裂时的应变幅值和断口基本相同,不同的是疲劳寿命;疲劳重复荷载下,混凝土、力筋荷载-应变曲线不断向拉(压)应变增大方向"移动",大致呈三阶段特征,在向疲劳损伤演变过程中,曲线斜率不断变小;疲劳下限相同的梁,刚度衰减终值基本相同,非预应力筋疲劳断裂后试验梁体剩余48%～54%左右的刚度;30t轴重下,模型梁受拉普通钢筋疲劳稳态下的应力幅值158～176MPa,预应力筋应力幅值78～117MPa,桥梁容许疲劳寿命275～325万次,极限疲劳寿命350～450万次。     

疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁受力性能研究

对经历不同疲劳加载历程的锈蚀预应力混凝土梁进行静力加载,研究了疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁的受力性能。采用三维激光扫描技术获得了锈蚀预应力筋几何模型。试验结果表明:不均匀锈蚀诱发预应力筋在截面积最小且存在明显锈坑处发生脆性断裂;疲劳损伤后锈蚀预应力混凝土梁初始刚度发生退化,变形能力明显降低,具有脆性破坏特征;随疲劳损伤程度的增加,锈蚀预应力钢丝的变形能力降低;普通钢筋屈服平台缩短,极限应变降低。     

疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁受力性能研究

对经历不同疲劳加载历程的锈蚀预应力混凝土梁进行静力加载,研究了疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁的受力性能。采用三维激光扫描技术获得了锈蚀预应力筋几何模型。试验结果表明:不均匀锈蚀诱发预应力筋在截面积最小且存在明显锈坑处发生脆性断裂;疲劳损伤后锈蚀预应力混凝土梁初始刚度发生退化,变形能力明显降低,具有脆性破坏特征;随疲劳损伤程度的增加,锈蚀预应力钢丝的变形能力降低;普通钢筋屈服平台缩短,极限应变降低。     

疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁受力性能研究

对经历不同疲劳加载历程的锈蚀预应力混凝土梁进行静力加载，研究了疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁的受力性能。采用三维激光扫描技术获得了锈蚀预应力筋几何模型。试验结果表明：不均匀锈蚀诱发预应力筋在截面积最小且存在明显锈坑处发生脆性断裂；疲劳损伤后锈蚀预应力混凝土梁初始刚度发生退化，变形能力明显降低，具有脆性破坏特征；随疲劳损伤程度的增加，锈蚀预应力钢丝的变形能力降低；普通钢筋屈服平台缩短，极限应变降低。     

预应力混凝土梁疲劳性能研究现状

对预应力混凝土梁疲劳性能的研究进展进行了详细阐述,论述了等幅疲劳荷载下预应力混凝土梁的疲劳性能及疲劳加载后的静力性能,对控制其疲劳破坏形态的影响因素以及在疲劳加载过程中的受力筋应变变化、裂缝开展和挠度变化规律进行了总结。讨论了变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁的疲劳寿命及加载顺序对疲劳寿命的影响,分析了变幅疲劳加载过程中的刚度退化,同时对腐蚀后预应力混凝土梁的疲劳性能进行分析,总结了钢绞线、普通钢筋腐蚀损伤对试验梁疲劳破坏形态、极限承载力及疲劳寿命的影响。在对文献进行总结分析的基础上,根据当前研究所存在的问题,提出了今后预应力混凝土结构疲劳性能研究的方向。结果表明:预应力混凝土梁疲劳破坏始于受力筋疲劳断裂,受压区混凝土一般不会发生破坏,变幅疲劳加载及腐蚀损伤对其疲劳性能有较大影响。     

关于预应力结构中光纤传感的监测

针对预应力混凝土结构中预应力钢筋的应力监测问题,提出采用光纤光栅传感测试方法,对传统预应力钢筋和钢绞线的预应力测试问题进行了研究,发现光纤传感测试可长期实施预应力筋应力监测,并适合于预应力筋的工作环境,具有线性度高、重复性好,且不影响基体性能的特点。     

无粘结部分预应力混凝土梁的疲劳性能试验研究

通过6片无粘结部分预应力混凝土梁和1片普通钢筋混凝土梁的疲劳试验,研究了这种结构的疲劳破坏形态以及刚度、钢筋应变、混凝土应变随着重复荷载次数的变化规律。研究表明:无粘结部分预应力混凝土梁的疲劳破坏主要是梁内受拉普通钢筋的疲劳断裂引起的,预应力钢筋和受压区混凝土的应力幅较低,一般不会发生疲劳破坏;荷载重复200×104次后,无粘结部分预应力混凝土梁刚度退化明显。文中还给出了无粘结部分预应力混凝土梁疲劳寿命的计算方法,所得计算值与试验值吻合较好。     

重载铁路桥梁疲劳变形和裂缝扩展规律研究

按照"动静结合,以静制动"的试验方法,通过6片1/6缩尺模型梁疲劳试验,研究重载铁路桥梁疲劳变形和裂缝扩展规律。研究表明:重载铁路预应力混凝土桥梁疲劳开裂后的跨中挠度和裂缝扩展基本符合快速增长、稳定发展和急剧变化的"三阶段"发展规律;重载铁路预应力混凝土桥梁疲劳开裂后的跨中挠度可以按残余挠度和瞬时挠度进行计算;疲劳开裂后的裂缝不仅包括纯弯段内的正截面裂缝,还包括剪跨区内的弯剪斜裂缝和腹剪斜裂纹,前者主要出现在疲劳稳态阶段,后者主要出现在疲劳破坏阶段。根据试验结果,提出"损伤梁单元模型"和"经验公式拟合"两种跨中挠度计算方法,结果表明在疲劳稳态过程中,跨中挠度的放大系数在20%～30%左右,临近疲劳破坏时在80%～100%左右。此外,利用统计方法提出一个用疲劳循环次数比表征的增大系数,以此来考虑循环次数和疲劳寿命的影响,进而描述疲劳裂缝发展的"三阶段"规律,计算结果表明混合配筋合适的预应力混凝土梁发生梁底普通钢筋疲劳断裂破坏时,对应纯弯段最大主裂缝宽度约在0.50～0.55mm左右,该方法可以满足工程上的精度要求。     

预应力混凝土梁疲劳损伤机理及其尺寸效应试验研究

为了研究预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的疲劳损伤机理以及各种疲劳性能的尺寸效应,对三组不同尺寸的预应力混凝土简支梁进行疲劳试验研究。通过对在疲劳荷载作用下预应力混凝土梁试验数据研究分析发现:原本按照适筋梁设计的预应力梁在受到疲劳荷载作用后出现类似于少筋梁的破坏特征,这是因为梁在循环荷载作用下,不断积累的疲劳损伤,使得梁构件发生脆性破坏。其中,脆性破坏指的是梁内钢筋发生疲劳断裂。同时,预应力梁构件由于疲劳循环荷载的作用在挠度、刚度等性能方面都存在着尺寸效应,即:预应力混凝土梁的挠度随截面尺寸的增加而减小,预应力梁刚度退化的速度随着截面尺寸的增大而减小。     

配置600MPa钢筋部分预应力混凝土梁疲劳性能研究

为研究配置600MPa高强钢筋的部分预应力混凝土梁构件的受力性能及适用性,对四根配置HRB600级钢筋作为非预应力筋的有黏结与无黏结部分预应力混凝土梁分别进行静载及疲劳试验研究。结果表明:循环加载前梁体是否开裂对梁体混凝土的疲劳性能有明显影响,非预应力高强钢筋变形恢复能力没有受到疲劳荷载作用影响,无黏结部分预应力混凝土梁和有黏结部分预应力混凝土梁的抗疲劳性能都较好,配置600MPa钢筋的部分预应力混凝土梁能够在实际工程中得到很好的应用。     

碳纤维筋无粘结部分预应力混凝土梁受弯性能研究

研究以碳纤维筋为无粘结预应力筋和环氧涂层钢筋为非预应力筋的部分预应力混凝土梁的受弯性能。共进行了8根梁从混凝土开裂、裂缝开展直至梁受弯破坏的全过程试验。测定了梁的开裂弯矩,截面应变分布,变形的发展,裂缝出现、发展及分布情况。在实测碳纤维筋应力增量的基础上,提出了无粘结预应力碳纤维筋极限应力的经验计算公式,给出了碳纤维筋无粘结部分预应力混凝土梁的短期刚度及裂缝宽度的算法。     

重载交通对预应力混凝土梁疲劳性能影响研究

为了得到重载交通对预应力混凝土梁的疲劳性能影响,对9根预应力混凝土模型梁分别进行静载试验和等幅疲劳试验研究。研究结果表明,部分试验梁在经历过200万次疲劳荷载作用后,其静力极限强度不但没有大幅度降低,反而略有提高;在重载作用下的疲劳破坏均始于非预应力钢筋的疲劳断裂;试验过程中疲劳损伤明显呈三阶段发展规律,当疲劳荷载上限达到0.7倍的极限荷载时,疲劳寿命大于200万次,当疲劳荷载上限达到0.75倍极限荷载时,疲劳寿命仅为10.2万次,当疲劳荷载上限达到0.85倍的极限荷载时,预应力混凝土梁的疲劳寿命仅为5.1万次;得到了预应力混凝土梁的容许疲劳寿命方程。     

配置HRB600钢筋的部分预应力混凝土梁疲劳试验研究

通过配置HRB600钢筋的部分预应力混凝土梁的疲劳试验,分析了部分预应力混凝土梁经过疲劳荷载作用后的裂缝开展、混凝土应变、HRB600钢筋和钢绞线的受力性能、挠度变化特点等。试验结果表明:经过疲劳荷载作用后进行静载破坏的试验梁较对照静载试验梁,开裂更早、裂缝数量更多、变形更大。同时,HRB600钢筋和预应力钢绞线的变形恢复能力较好,且能够很好地协同工作。可知配置HRB600钢筋的部分预应力混凝土梁具有较好的抗疲劳性能。     

500MPa钢筋预应力混凝土梁疲劳受力性能试验研究

进行了3根采用HRB500级钢筋作为非预应力筋、钢绞线作为预应力筋的预应力混凝土梁的疲劳受力性能试验。对预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的500MPa级钢筋应力、钢绞线应力、混凝土应变以及疲劳荷载下裂缝和刚度变化的特点进行了较详细分析,并对250万次疲劳作用后的试验梁剩余静载承载力和受力特点进行了分析。试验研究结果表明,采用500MPa级钢筋作为非预应力筋的预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的受力性能良好,500MPa级钢筋的抗拉强度能够充分发挥,试验梁的剩余静载承载力较高,钢绞线和非预应力钢筋都能达到屈服强度,表现出较好的延性。为我国混凝土结构设计规范进一步修订时在预应力结构中采用500MPa级钢筋作为非预应力筋提供了参考依据。     

预应力AFRP筋混凝土梁受弯性能的试验研究

对一组配置芳伦纤维增强塑料AFRP预应力筋的简支梁进行受弯试验,考察AFRP筋配筋率、张拉控制应力、非预应力钢筋配筋率等因素对构件承载能力的影响,分析了开裂荷载、极限荷载、荷载-挠度关系、裂缝发生发展、平截面假定、AFRP筋和普通钢筋的应变发展状况等。试验结果表明:有粘结预应力AFRP筋混凝土梁的受载全过程可分为三个阶段,即从加载到混凝土开裂,再到非预应力筋屈服,最终达到极限承载力;虽然AFRP筋材没有屈服点,但是其弹性模量较低,因此,试验梁破坏前有明显的变形和预兆;破坏时,AFRP筋应变不一定达到极限,其值可按平截面假定计算;此外,试验表明,适当提高张拉控制力能提高梁的极限承载能力。     

基于ANSYS的部分预应力混凝土梁疲劳性能模拟

基于ANSYS的二次开发技术实现了部分预应力混凝土梁的疲劳性能分析。根据钢筋和混凝土的疲劳本构关系和损伤模型并考虑预应力筋的有效预应力损失,运用ANSYS进行部分预应力混凝土梁的疲劳全过程分析,并与试验结果相对比。结果表明,数据模拟的结果与试验结果吻合较好,具有一定的精度,说明该模型能够较真实地反映疲劳荷载作用下部分预应力混凝土梁的力学性能,为模拟实际工程中承受疲劳荷载作用的部分预应力混凝土梁的疲劳性能提供了可靠有效的方法。     

自密实预应力混凝土梁的疲劳性能试验研究

本文通过5根自密实和3根振捣密实混凝土模型梁的疲劳试验对比,研究了自密实部分预应力混凝土梁的疲劳性能,试验表明自密实与振捣密实混凝土梁的疲劳性能没有明显的差异,自密实混凝土梁的疲劳性能略优于振捣密实混凝土梁,但自密实混凝土结构仍可采用振捣密实混凝土结构疲劳理论和计算方法来进行分析。部分预应力混凝土梁的疲劳破坏一般是混凝土疲劳开裂,受拉非预应力钢筋疲劳断裂,一般不会出现预应力钢筋疲劳断裂和受压混凝土疲劳压碎;考虑混凝土的非线性性能计算受拉钢筋的疲劳应力幅值比按初始弹性状态计算受拉钢筋的疲劳应力幅值估计梁的疲劳寿命与试验结果具有更好的吻合性,更适用于自密实或振捣密实混凝土结构的疲劳寿命估计。     

预应力FRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

对5根以FRP筋为有粘结预应力筋、以普通钢筋为非预应力筋的预应力混凝土梁受弯性能进行试验研究。根据试验结果对预应力FRP筋混凝土梁受力过程、破坏模式及裂缝情况进行了较为详细的研究。测定了梁的极限承载力、变形发展及裂缝分布等情况。试验研究结果表明：与预应钢绞线混凝土梁相比，预应力CFRP筋混凝土梁具有很好的变形能力而极限承载力相差不多，但是预应力AFRP筋混凝土梁承载力较低。通过计算得到的极限承载力、挠度与试验结果吻合较好。