随着我国经济的发展, 为了满足人们快捷出行的需要, 同时加快城市建设的脚步, 越来越多的城市开始兴建轨道交通。国内外已对锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能进行了一些试验研究。朱红兵等^[1]在对T形梁的疲劳试验中得出了疲劳损伤的三阶段规律, 并拟合出了T形梁的应力比-疲劳寿命 (S-N) 曲线;孙晓东等^[2]则通过疲劳试验, 重点分析了主筋锈蚀与混凝土梁疲劳性能关系;W.Ahn等^[3]对不同水灰比的钢筋混凝土梁进行快速锈蚀下的疲劳试验;M.Oyado等^[4]和S.Masoud等^[5]对不同应力比与不同锈蚀率的钢筋混凝土梁进行疲劳试验;Tine S.Chang和Clyd E.Kesler^[6]进行了钢筋混凝土梁的疲劳试验, 认为荷载应力水平可决定疲劳破坏形态;胡超等^[7]对疲劳寿命与疲劳损伤进行了分析, 得到了各种不同形式的S-N曲线。西宁地区的高海拔、高寒、干旱大气环境以及地下卤水环境对轨道交通混凝土的使用寿命影响严重, 因此展开对轨道梁在卤水腐蚀下的疲劳研究十分必要。本文针对高原严酷环境中的地下卤水环境和轨道交通循环荷载影响特点, 对钢筋混凝土梁进行卤水腐蚀与疲劳荷载不完全耦合作用, 并对其进行了跟踪测试, 得到了钢筋混凝土梁在各因素不完全耦合作用下的力学行为失效机理, 并建立了S-N曲线方程, 这将为轨道梁疲劳损伤评估提供理论依据。

　　 试验采用矩形截面钢筋混凝土梁, 梁截面尺寸为500mm×100mm×85mm, 梁纵向受力钢筋、箍筋及架立筋均为Ф6.5钢筋, 其中纵向受力钢筋为2根, 混凝土保护层厚度为12mm。试验采取在跨中加载集中力, 梁净跨为350mm, 试件尺寸及配筋见图1。

　　 试验梁采用直径为5~20mm的石子、细砂和P·II 52.5水泥。各混凝土配合比见表1, 28d立方体抗压强度及棱柱体抗折强度见表2。

　　 卤水由人工配制, 每升卤水所含的基本化学成分见表3, 用婆美氏重度仪定期测量试验箱中卤水浓度, 维持在1 250g/L。卤水环境与水环境腐蚀时间均为7d。腐蚀试验时, 将各配合比的梁放入卤水和水环境中浸泡, 定期测试卤水浓度, 并使试验梁始终完全浸泡于溶液中, 同时观察梁表面的铁锈生成情况。

　　 本试验采用了“不完全耦合”方法, 即先进行腐蚀试验, 然后再进行疲劳试验的方法。在试验中, 对于每种配合比的梁, 设计了基准作用形式及A, C不完全耦合作用形式, 其中基准作用形式为抗弯疲劳试验, A不完全耦合作用形式为水环境+抗弯疲劳试验, C不完全耦合作用形式为卤水环境+抗弯疲劳试验。

　　 采用TMF-5T型混凝土疲劳试验加载仪 (图2) 进行疲劳试验。疲劳荷载加载频率为0.43Hz, 疲劳试验前先测试各配合比钢筋混凝土梁标准养护后的最大抗弯荷载F₀, 预定的疲劳荷载取值分别为0.35F₀, 0.50F₀, 0.65F₀, 0.80F₀, 每种配合比钢筋混凝土梁制作6根, 其中2根作为备用。疲劳试验以裂缝宽度达到1.50mm作为混凝土梁破坏标志, 疲劳试验结束后, 记录初裂疲劳次数N₁及破坏疲劳次数N₂, 疲劳寿命N在数值上等于破坏疲劳次数N₂。

　　 使用台式钻芯取样机, 将同期、同条件浸泡7d的100mm×100mm×400mm的试块做完抗折试验后, 对两个半截试块取样, 并对同一试块的同一深度取足够多的混凝土粉末。取样孔位于混凝土试块角部, 距离边缘距离均为20mm。取样深度范围从0~35mm均分为7个深度取样。使用氯离子含量快速测定仪测氯离子含量。

　　 梁在卤水及水环境下的锈蚀情况见图3、图4。由于腐蚀时间为7d, 从图3、图4可以看出, 在水环境下的梁表面基本上没有产生锈斑, 但在卤水环境下的梁表面有明显的锈斑, 但无明显裂纹。可见, 卤水能明显加快混凝土构件中钢筋的腐蚀, 从而影响钢筋混凝土构件的力学性能, 这主要是由于混凝土构件疏松多孔的结构特性使卤水中的氯离子等容易扩散或渗透浸入混凝土结构内部, 从而使钢筋锈蚀, 并加速锈蚀。若锈蚀达到一定程度可导致混凝土沿纵筋或箍筋方向顺筋开裂。

　　 在卤水环境下, 氯离子侵蚀深度分析结果见表4。由表4可知, 在7d腐蚀期下, 各混凝土梁的氯离子含量较低, 且随取样深度的加深含量逐渐降低, 说明在短时间内混凝土中氯离子侵蚀强度较弱。

　　 梁的破坏形式在疲劳荷载为0.8F₀以下时表现为正截面受弯破坏, 而在疲劳荷载取较大值0.8F₀时则表现为斜截面破坏, 李士彬等^[8]的研究也有类似发现。本试验梁的裂缝主要集中于跨中附近, 箍筋所在区域附近裂缝较少且较短, 一般跨中裂缝最宽, 箍筋的存在能有效地分散裂缝, 起到一定的抗裂作用^[9]。

　　 试验结果表明, 疲劳破坏包括初裂、裂缝的开展、损伤的积累三个阶段。初裂阶段是弹性工作阶段, 裂缝具有回复性;裂缝开展阶段是塑性阶段, 随着疲劳次数的增多, 裂缝逐渐向梁顶部延伸, 裂缝变宽, 同时也会产生新的细微裂缝, 此时钢筋会承担部分应力。试验过程中发现, C50, C50^*, C60^*高性能混凝土梁开裂时的裂缝宽度要比普通混凝土梁稍大, 开裂荷载大于或等于普通混凝土梁, 且开裂后裂缝的数量要比普通混凝土梁少;在相同配筋率下, 高性能混凝土梁的抗裂性要比普通混凝土梁好, 荷载加大到一定程度时高性能混凝土梁的裂缝扩展幅度小于普通混凝土梁, 这说明高性能混凝土与钢筋之间的粘结比普通混凝土与钢筋之间的粘结更好。疲劳破坏示意图见图5。

　　 根据实际测试, 得到了4种配合比的试验梁分别在0.35F₀, 0.50F₀, 0.65F₀, 0.80F₀疲劳荷载下的初裂疲劳次数N₁和破坏疲劳寿命N, 梁在基准作用形式及不完全耦合作用形式下疲劳试验结果见表5~7。

　　 研究表明, 钢筋混凝土梁在循环荷载下的破坏往往是由于内部损伤的积累, 梁的刚度逐渐退化导致的^[10]。由表5, 6可以看出, 对比基准及A不完全耦合作用形式下, 相同配合比的混凝土梁在相同F_y/F₀下, 基准作用形式下混凝土梁的疲劳寿命略大, 这说明水环境浸泡下梁的寿命会略微降低。由表6, 7可以看出, 高性能混凝土梁比普通混凝土梁的抗弯承载力要高, 这与混凝土试件的28d抗压及抗折强度有密切关系;混凝土梁的疲劳寿命与混凝土抗压强度的大小有关, 混凝土抗压强度越高对应梁的疲劳寿命越长。在相同的不完全耦合形式下, 混凝土梁的疲劳寿命及初裂寿命均由疲劳荷载决定, 疲劳荷载取值越大, 梁的疲劳寿命及初裂寿命越短, 这主要是由于疲劳荷载能降低混凝土与钢筋之间的粘结力, 降低二者协同工作的能力^[11], 从而使梁的承载力、刚度、延性等降低, 疲劳荷载取值越大, 这种现象越明显。疲劳前期裂缝开展缓慢, 随着疲劳次数的增多, 裂缝开展越来越快, 且梁疲劳破坏时具有突然性和破坏性。因此, 对长期承受循环往复荷载的构件, 采取一定的加固措施, 将有利于延长构件的使用寿命, 并增加其安全性, 如采用复合砂浆钢筋网、BFRP布加固钢筋混凝土梁能有效地提高梁的承载力及疲劳寿命。

　　 混凝土构件中的钢筋锈蚀在很大程度上会影响混凝土构件的使用寿命, 而牛荻涛、金伟良等认为, 当钢筋锈蚀率小于5%时, 钢筋表面锈坑较少, 构件静载能力无明显降低^[12,13]。甚至会由于锈蚀的产生使钢筋与混凝土之间的粘结性能提高, 并且试件疲劳寿命没有明显降低^[14]。当锈蚀率大于5%时, 由于锈坑较多, 混凝土会出现锈胀裂缝, 导致钢筋与混凝土粘结性能降低, 从而影响混凝土梁的疲劳寿命。A, C两种不完全耦合作用形式下钢筋的锈蚀率和力学性能见表8。试验过程中发现, 梁中箍筋也有一定程度的锈蚀, 箍筋锈蚀对疲劳寿命的影响必须引起重视。

　　 由于在7d腐蚀龄期下的氯离子在各侵蚀深度下含量较低, 所以导致了梁中钢筋锈蚀率较低。从表8可以看出, 在A, C两种不完全耦合作用形式下钢筋腐蚀率均较低, 小于5%, 导致阻锈剂效果不是很明显;在同一腐蚀条件下的钢筋锈蚀率对钢筋抗拉强度影响较小;对比A, C两种不完全耦合作用形式下试验结果可知, 在卤水环境下的钢筋锈蚀程度明显比水环境高, 卤水环境下的钢筋抗拉强度偏低, 但是在相同疲劳应力下, 试验梁在C不完全耦合作用形式下的疲劳寿命比在A不完全耦合作用形式下的略高, 这主要是由于在低钢筋腐蚀率下, 钢筋与混凝土梁的粘结性能更好, 并且产生的铁锈使混凝土更加密实, 使得混凝土强度提高, 疲劳寿命延长。

　　 由表6, 7绘出混凝土梁在不完全耦合作用形式下的疲劳应力比-疲劳寿命 (S-N) 曲线, 其中指数模型的S-N曲线见图6, 幂函数模型的S-N曲线见图7, 这里的应力比S在数值上等于F_y/F₀的值。

　　 根据试验数据拟合的S-N曲线图及方程可知:

　　 (1) 指数函数模型的疲劳方程在半对数坐标系中为线性关系, 即S与lg N成线性关系;幂函数模型的疲劳方程中, lg S与lg N成线性关系。

　　 (2) 在指数函数模型中, 除了C30混凝土梁在A, C不完全耦合作用形式下疲劳方程的决定系数 (R²) 较低外, 其他混凝土梁的都较高, 说明曲线的拟合程度较好且保证率较高;在幂函数模型中, C50, C50^*混凝土梁在A, C不完全耦合作用形式下的疲劳方程决定系数 (R²) 较高, 此疲劳方程可用于该混凝土梁的疲劳验算。

　　 (3) 同一数据在上述两种模型中拟合的S-N曲线方程的决定系数都较高的试验组, 其试验数据更可靠, 同时也更能更好地用于实际工程的校核;对于不同耦合因素的混凝土梁应选用适宜的S-N方程用于工程设计中的疲劳验算及复核。

　　 (1) 试验中高性能混凝土梁具有良好的抗裂、抗疲劳性能, 更有利于结构构件的长期使用, 因此鉴于青海地区的严酷环境条件, 在施工过程中需推广使用高性能混凝土。

　　 (2) 试验中拟合的混凝土梁的S-N曲线, 可根据实际情况用于研究中的疲劳性能评估与预测。但由于混凝土材料是一种非匀质材料, 疲劳中的应力比S、疲劳寿命N都具有一定的离散型, 在使用过程中需要多次验证。

　　 (3) 疲劳破坏包括初裂、裂缝开展、损伤积累三个阶段, 且混凝土梁中的箍筋有一定的抗裂作用。

　　 (4) 对低锈蚀率的钢筋混凝土梁进行疲劳试验时, 梁的疲劳寿命高低由混凝土的强度及化学腐蚀性能决定;钢筋锈蚀主要是由于溶液中的阴阳离子引起的, 而氯离子的存在能加速钢筋的锈蚀以及混凝土结构的破坏, 从而降低混凝土构件的疲劳寿命;由于卤水中含有众多的阴阳离子, 这些离子对混凝土构件的腐蚀具有多样性、复杂性, 因此对于混凝土构件的腐蚀还需定量、具体地进行研究分析。