CN113218789B - 一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法，该系统包括MTS伺服加载试验机、静载试件组、疲劳试件组和备用试件，其中，伺服加载试验机上安装有支座、加荷头和LVDT传感器，静载试件组的试件数量与疲劳试件组的试件数量相同，静载试件组中各试件与疲劳试件组中各试件以及备用试件的结构、尺寸及材料设置均相同，试件的加载段为三等分设计，支座与加荷头对应采用三等分间距布设，支座用于承载水平放置的试件，加荷头用于将两个相等的荷载垂直作用于试件，LVDT传感器用于采集试件的跨中位移。与现有技术相比，本发明针对钢筋混凝土路面的钢筋混凝土梁，能够准确获知裂前与裂后不同应力条件下的疲劳寿命。

Description

一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及道路材料性能测试技术领域，尤其是涉及一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法。

背景技术

钢筋混凝土路面通过在混凝土面层内配置纵、横向钢筋或多层钢筋网，可在混凝土板出现裂缝后，利用钢筋与混凝土的粘接作用，有效限制裂缝的进一步扩展；当钢筋混凝土路面板出现贯穿裂缝后，由于钢筋的抗拉强度远大于混凝土，也能将裂缝宽度控制在较小范围，从而使整个路面结构在开裂后保持良好的整体性和工作能力，而不至于像素混凝土路面那样由于贯穿裂缝宽度过大导致雨水侵入形成板底脱空或大面积断裂；同时，通过配筋约束，钢筋混凝土路面板的板长可设计为6～15m，在某些地形条件复杂的地区，钢筋混凝土路面也能做成不规则形状，且承载能力不受太大影响。

然而，现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)中关于钢筋混凝土路面的设计方法却未能很好地体现其抗裂性能，该规范中钢筋混凝土路面的设计极限状态与素混凝土路面的相同，均为控制在行车荷载和环境因素重复共同作用下混凝土面板不发生疲劳断裂；此外，研究表明：混凝土路面在其板底未出现裂缝时，临界荷位为纵缝边缘中部，随着裂缝扩展面层板纵向弯曲刚度减小，在车辆荷载和温度梯度的综合作用下，路面板纵缝边缘中部时板底应力值减小。

目前关于钢筋混凝土路面疲劳寿命的试验中，大都采用先静载得到试件极限强度、后疲劳加载得到疲劳寿命的方法，试验结果仅能得到试件极限强度值以及基于该强度值的疲劳寿命，而并不能准确得知开裂前后不同应力条件下的疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法，以实现准确获知钢筋混凝土路面开裂前后疲劳寿命的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，包括MTS伺服加载试验机、静载试件组、疲劳试件组和备用试件，所述伺服加载试验机上安装有支座、加荷头和LVDT传感器，所述静载试件组的试件数量与疲劳试件组的试件数量相同，所述静载试件组中各试件与疲劳试件组中各试件以及备用试件的结构、尺寸及材料设置均相同，所述试件的加载段为三等分设计，所述支座与加荷头对应采用三等分间距布设，所述支座用于承载水平放置的试件，所述加荷头用于将两个相等的荷载垂直作用于试件，所述LVDT传感器用于采集试件的跨中位移。

进一步地，所述加荷头具体为钢制双点加荷头。

进一步地，所述试件具体为棱柱体试件，所述试件采用单层配筋的方式，试件内部的钢筋数量不大于1根。

进一步地，所述支座和加荷头均为硬钢圆柱结构。

一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

S1、将静载试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，通过设置MTS伺服加载试验机的加载速率，以测试得到静载试件组的裂前强度值与裂后强度值；

S2、根据裂前强度值与裂后强度值，结合设置的裂前疲劳应力水平和裂后疲劳应力水平，确定疲劳测试时的裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值；

S3、将疲劳试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，根据裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值，通过设置MTS伺服加载试验机的加载模式，以测试得到疲劳试件组中各试件的裂前疲劳寿命和裂后疲劳寿命。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、将静载试件组的试件水平放置在支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载速率，通过加荷头将荷载均匀施加给试件，直至试件开裂，立即停止加载并卸载，记录开裂荷载及试件下边缘开裂位置；

S12、之后以相同的加载速率继续均匀加载，直至试件破坏，记录裂后最大荷载；

S13、根据静载试件组的所有试件对应的开裂荷载、试件下边缘开裂位置和裂后最大荷载，确定静载试件组的裂前强度值与裂后强度值。

进一步地，所述加载速率具体为0.2mm/min。

进一步地，所述步骤S13中静载试件组的裂前强度值具体为所有试件对应的开裂荷载的算术平均值；

静载试件组的裂后强度值具体为所有试件对应的裂后最大荷载的算术平均值。

进一步地，所述步骤S2中裂前疲劳荷载最大值具体为裂前强度值与裂前疲劳应力水平的乘积；

裂后疲劳荷载最大值具体为裂后强度值与裂后疲劳应力水平的乘积。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将疲劳试件组的试件水平放置于支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载模式，对试件施加裂前疲劳荷载最大值，并记录实时荷载及跨中位移，直至试件开裂；

S32、试件开裂时立即停止加载并卸载，记录当前加载次数，即为裂前疲劳寿命；

S33、设置MTS伺服加载试验机的加载模式，继续对试件施加裂后疲劳荷载最大值，直至试件破坏，记录当前加载次数，即为裂后疲劳寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明针对钢筋混凝土路面的钢筋混凝土梁，采用四点弯曲的加载方式，先通过静载试验分别得到试件的裂前强度值与裂后强度值，并以试件开裂为分界线，基于裂前与裂后不同强度值，确定裂前与裂后的疲劳荷载大小，通过疲劳试验依次获得试件的裂前疲劳寿命与裂后疲劳寿命，实现准确获知钢筋混凝土路面开裂前后疲劳寿命的目的。

二、本发明将试件的加载段采用三等分设计，同时将支座与加荷头对应采用三等分间距布设，并采用双点加荷头的方式，使得荷载能够被均匀施加给试件，保证测试数据的可靠性，此外，本发明通过设置静载试件组、疲劳试件组和备用试件，不仅保证测试数据的全面客观性，同时保障测试的可靠进行。

三、本发明在测试过程中，当静载测试与疲劳测试发生试件开裂后，采取立即停止加载并卸载的方式，能够有效防止试件被进一步冲断，从而能够测试得到更加真实的裂后强度值及疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的测试方法示意图；

图2为实施例的应用过程示意图；

图3为实施例中试件内钢筋固定结构示意图；

图4为实施例中试件加载的示意图；

图5为实施例中疲劳试样的跨中位移-加载次数曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，包括MTS伺服加载试验机、静载试件组、疲劳试件组和备用试件，伺服加载试验机上安装有支座、加荷头和LVDT传感器，静载试件组的试件数量与疲劳试件组的试件数量相同，静载试件组中各试件与疲劳试件组中各试件以及备用试件的结构、尺寸及材料设置均相同，试件的加载段为三等分设计，支座与加荷头对应采用三等分间距布设，支座用于承载水平放置的试件，加荷头用于将两个相等的荷载垂直作用于试件，LVDT传感器用于采集试件的跨中位移。

其中，加荷头为钢制双点加荷头，支座和加荷头均采用硬钢圆柱结构。试件为棱柱体试件，试件采用单层配筋的方式，试件内部的钢筋数量不大于1根，以符合钢筋混凝土路面低配筋率的设置要求。

将上述测试系统应用于实际，其具体的测试过程如图1所示，包括以下步骤：

S1、将静载试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，通过设置MTS伺服加载试验机的加载速率，以测试得到静载试件组的裂前强度值与裂后强度值，具体的：

首先将静载试件组的试件水平放置在支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载速率，通过加荷头将荷载均匀施加给试件，直至试件开裂，立即停止加载并卸载，记录开裂荷载及试件下边缘开裂位置；

之后以相同的加载速率继续均匀加载，直至试件破坏，记录裂后最大荷载；

最后根据静载试件组的所有试件对应的开裂荷载、试件下边缘开裂位置和裂后最大荷载，确定静载试件组的裂前强度值与裂后强度值，裂前强度值为所有试件对应的开裂荷载的算术平均值，裂后强度值为所有试件对应的裂后最大荷载的算术平均值；

其中，加载速率具体为0.2mm/min；

S2、根据裂前强度值与裂后强度值，结合设置的裂前疲劳应力水平和裂后疲劳应力水平，确定疲劳测试时的裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值：

裂前疲劳荷载最大值为裂前强度值与裂前疲劳应力水平的乘积；

裂后疲劳荷载最大值为裂后强度值与裂后疲劳应力水平的乘积；

S3、将疲劳试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，根据裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值，通过设置MTS伺服加载试验机的加载模式，以测试得到疲劳试件组中各试件的裂前疲劳寿命和裂后疲劳寿命，具体的：

首先将疲劳试件组的试件水平放置于支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载模式，对试件施加裂前疲劳荷载最大值，并记录实时荷载及跨中位移，直至试件开裂；

试件开裂时立即停止加载并卸载，记录当前加载次数，即为裂前疲劳寿命；

之后再设置MTS伺服加载试验机的加载模式，继续对试件施加裂后疲劳荷载最大值，直至试件破坏，记录当前加载次数，即为裂后疲劳寿命。

本实施例中，静载试件组和疲劳试件组中各有3个钢筋混凝土梁试件，本实施例应用上述测试系统及测试方法进行钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试，其具体的过程如图2所示：

1、从养护地点取出3个钢筋混凝土梁试件，将试件水平放置在支座与加荷头之间，支座与加荷头采用三等分间距布设，双点加荷的钢制加荷头应使两个相等的荷载同时垂直作用在试件跨度的两个式分点处的位置；

2、设置试验机的加载速率，通过上加荷头均匀施加荷载给试件，直至试件开裂；

3、当试件开裂时，应立即停止加载并卸载，防止试件被冲断，记录开裂荷载及观察试件下边缘开裂位置；

4、以相同的加载速度继续均匀加载，直至试件破坏，记录裂后的最大荷载；

5、根据3个试件开裂荷载与裂后最大荷载测值，确定该组试件的裂前强度值P_c与裂后强度值P_s；

6、从养护地点取出试件，以与静载相同的方式检查、安装试件；

7、根据裂前强度值P_c，乘以裂前疲劳应力水平，即为裂前疲劳荷载最大值；

8、设置试验机的加载模式，对试件施加疲劳荷载，记录实时荷载、跨中位移，直至试件开裂；

9、当试件开裂时，立即停止加载并卸载，防止试件被冲断，记录开裂时加载次数，作为该应力水平下钢筋混凝土梁裂前疲劳寿命，并观察试件下边缘开裂位置；

10、根据裂后强度值P_s，乘以裂后疲劳应力水平，即为裂后疲劳荷载最大值；以相同的加载模式继续对试件施加疲劳荷载，直至试件破坏并记录裂后加载次数作为该应力水平下钢筋混凝土梁裂后疲劳寿命；

最后根据试件裂前与裂后强度值、疲劳寿命以及跨中位移随加载次数变化，分析试件裂后疲劳性能，完成测试。

本发明本适用于边长为150mm×150mm×600mm或150mm×150mm×550mm的棱柱体试件，试件采用单层配筋的方式，钢筋数量不大于1根，钢筋直径不超过12mm，本实施例中，试件为单层配筋钢筋混凝土梁，试件的尺寸为150mm×150mm×550mm，钢筋数量为1根，直径为8mm，钢筋高度为0.5倍梁高。

如图3所示，试件成型前，可以使用扎丝缠绕钢筋将其两端固定于模具内，扎丝固定位置距离模具端部不超过5cm；在试件长向中部1/3区段内表面不得有直径超过5mm、深度超过2mm的孔洞。

在实际测试之前，从养护地点取出3个试件，检查其尺寸及形状，进行静载试验。试件放置在试验装置前，应将试件表面擦拭干净，并在试件侧面画出集中荷载作用线位置(如图4中试件上的点划线示意)。支座与加载头采用三等分间距布设，试件安装时，可调整支座和加荷头位置，安装尺寸偏差不得大于1mm。试件的承压面应为试件成型时的侧面。在试验过程中，保持0.2mm/min的加载速度，当试件开裂时，应立即停止加载并卸载，防止试件被冲断。记录开裂荷载及观察试件下边缘开裂位置；以相同的加载速度继续均匀加载，直至试件破坏，记录开后的最大荷载。

具体的加载示意如图4所示，梁高为h(150mm)，梁长为L(550mm或600mm)，钢筋水平布置。当下边缘混凝土拉应力超过其抗拉强度时，混凝土发生弯曲开裂。由于钢筋的存在，钢筋混凝土梁仍具有裂后承载能力。因此，本发明先通过静载确定试件的裂前强度值与裂后强度值，并分别以裂前与裂后强度值为依据进行疲劳试验，得到钢筋混凝土梁裂前疲劳寿命与裂后疲劳寿命。

静载试验后，在确定裂前与裂后强度值时，应以3个试件开裂荷载与裂后最大荷载测值的算术平均值分别作为该组试件的裂前强度值P_c与裂后强度值P_s，精确至0.1kN；

若3个试件开裂荷载或裂后最大荷载测值中的最大值或最小值中当有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，应把最大值和最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的裂前强度值或裂后强度值；

当最大值和最小值与中间值的差值均超过中间值的15％时，则使用备用试件补做；

当3个试件中有一个开断面位于两个集中荷载作用线之外时，则强度值应按另两个试件的试验结果计算，当这两个测值的差值不大于这两个测值的较小值的15％时，该组试件的强度值应按这两个测值的平均值计算，否则使用备用试件补做；

当3个试件中有两个试件的下边缘开裂位置位于两个集中荷载作用线之外时，则直接使用备用试件补做。

之后根据试件裂前强度与裂后强度进行疲劳试验。裂前疲劳应力水平S₁乘以裂前强度值P_c，得到裂前疲劳荷载最大值。选择频率为10Hz的连续正弦波的加载模式，对试件施加疲劳荷载，记录实时荷载、跨中位移。当试件开裂时，立即停止加载，记录裂前加载次数作为裂前疲劳寿命。裂后疲劳应力水平S₂乘以裂后强度值P_s，得到裂后疲劳荷载最大值。采用相同加载模式，对试件施加疲劳荷载，记录实时荷载与位移，直至试件破坏并记录裂后加载次数作为该应力水平下的裂后疲劳寿命。

本实施例的测试结果如表1、表2所示：

表1

表2

表1为钢筋混凝土梁试件静载试验所得到的结果。由表1可知，静载试验可以得到钢筋混凝土梁裂前与裂后的强度值，其中试件开裂后仍有着良好的承载能力。图5与表2为试件疲劳试验结果。由图5可知，随着加载次数的增加，试件跨中挠度(即跨中位移)缓慢增加；当试件开裂时，跨中挠度瞬间变大，此后由于钢筋的存在，试件仍存在一定的抗疲劳性能，并可以得到表2所示的该应力水平下的疲劳寿命。

综上所述，本发明提出一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试系统及其方法，其测试操作简单，且能准确得到基于试件裂后强度的裂后疲劳寿命。

Claims (8)

1.一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，包括MTS伺服加载试验机、静载试件组、疲劳试件组和备用试件，所述伺服加载试验机上安装有支座、加荷头和LVDT传感器，所述静载试件组的试件数量与疲劳试件组的试件数量相同，所述静载试件组中各试件与疲劳试件组中各试件以及备用试件的结构、尺寸及材料设置均相同，所述试件的加载段为三等分设计，所述支座与加荷头对应采用三等分间距布设，所述支座用于承载水平放置的试件，所述加荷头用于将两个相等的荷载垂直作用于试件，所述LVDT传感器用于采集试件的跨中位移；

基于上述测试系统，实现一种钢筋混凝土梁裂后疲劳性能测试方法，包括以下步骤：

S1、将静载试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，通过设置MTS伺服加载试验机的加载速率，以测试得到静载试件组的裂前强度值与裂后强度值；

S2、根据裂前强度值与裂后强度值，结合设置的裂前疲劳应力水平和裂后疲劳应力水平，确定疲劳测试时的裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值；

S3、将疲劳试件组的各试件依次放置于支座与加荷头之间，根据裂前疲劳荷载最大值和裂后疲劳荷载最大值，通过设置MTS伺服加载试验机的加载模式，以测试得到疲劳试件组中各试件的裂前疲劳寿命和裂后疲劳寿命；

其中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、将静载试件组的试件水平放置在支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载速率，通过加荷头将荷载均匀施加给试件，直至试件开裂，立即停止加载并卸载，记录开裂荷载及试件下边缘开裂位置；

S12、之后以相同的加载速率继续均匀加载，直至试件破坏，记录裂后最大荷载；

S13、根据静载试件组的所有试件对应的开裂荷载、试件下边缘开裂位置和裂后最大荷载，确定静载试件组的裂前强度值与裂后强度值。

2.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述加荷头具体为钢制双点加荷头。

3.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述试件具体为棱柱体试件，所述试件采用单层配筋的方式，试件内部的钢筋数量不大于1根。

4.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述支座和加荷头均为硬钢圆柱结构。

5.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述加载速率具体为0.2mm/min。

6.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述步骤S13中静载试件组的裂前强度值具体为所有试件对应的开裂荷载的算术平均值；

静载试件组的裂后强度值具体为所有试件对应的裂后最大荷载的算术平均值。

7.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述步骤S2中裂前疲劳荷载最大值具体为裂前强度值与裂前疲劳应力水平的乘积；

裂后疲劳荷载最大值具体为裂后强度值与裂后疲劳应力水平的乘积。

8.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土裂后疲劳性能测试系统，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将疲劳试件组的试件水平放置于支座与加荷头之间，设置MTS伺服加载试验机的加载模式，对试件施加裂前疲劳荷载最大值，并记录实时荷载及跨中位移，直至试件开裂；

S32、试件开裂时立即停止加载并卸载，记录当前加载次数，即为裂前疲劳寿命；

S33、设置MTS伺服加载试验机的加载模式，继续对试件施加裂后疲劳荷载最大值，直至试件破坏，记录当前加载次数，即为裂后疲劳寿命。

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