随着钢筋焊接网 (焊接钢筋桁架) 在高速公路和高速铁路应用的增多, 焊接网的疲劳问题逐渐受到重视, 并应满足耐久性和长期使用性能的要求。国外对钢筋焊接网 (焊接钢筋桁架) 疲劳性能研究起步较早, 从20世纪70年代开始, 陆续进行一系列试验研究^[1], 并在产品标准^[2,3]、技术手册和设计规范^[4,5,6]中作出规定。

我国钢筋焊接网疲劳性能的研究始于21世纪初^[7], 首先对CRB550冷轧带肋钢筋焊接网进行了一定量的试验。近几年, 又扩大到热轧带肋钢筋 (HRB400) 和高延性冷轧带肋钢筋 (CRB600H) 焊接网的疲劳性能研究。旨在为修订焊接网技术规程^[8]提供试验依据并为大量用于高速公路桥 (路) 面和高速铁路轨道板及轨道底座等的配筋应用提供参考。

钢筋为HRB400和CRB600H, 试件中部均焊有1根横筋。HRB400钢筋焊接网共进行27个试件, 有效试件为23个。钢筋的化学成分及机械性能如表1及表2所示。

HRB400钢筋焊接网试件的钢筋组合为, 其中受力钢筋为, 长300mm, 中间焊1根14短筋, 两侧分别伸出20mm。焊接网试件的抗剪力均大于0.3R_{e L}A的标准规定值。实测12钢筋横肋间距为8.14mm, 横肋中点高0.89mm。焊点处钢筋压入深度在3.1~4.9mm, 平均压入深度为3.76mm, 相当于2根钢筋公称直径之和的14.5%。

CRB600H钢筋焊接网共进行37个试件, 有效试件为33个。钢筋的化学成分及机械性能如表1和表2所示。

焊接网试件的钢筋组合为Φ^RH10+Φ^RH12, 其中受力钢筋为300mm长的Φ^RH10, 中间焊1根Φ^RH12短筋, 两侧分别伸出20mm。焊接网试件的抗剪力值均满足0.3R_p0.2A的标准要求。实测Φ^RH10钢筋横肋中点高为0.74mm, 横肋间距7.47mm。焊点处钢筋压入深度在1.2~2.0mm, 平均压入深度为1.52mm, 相当于2根钢筋公称直径之和的6.9%。

钢筋疲劳试验按加载形式可分为常幅加载或变幅加载。本次试验均采用常幅加载, 应力比ρ=0.2。对于HRB400焊接网, 应力幅Δσ (Δσ=σ_max-σ_min) 的变化范围为346.8~166.5MPa;CRB600H焊接网应力幅的变化范围为175.0~289.8MPa。试验在常温空气中, 钢筋所受应力为拉-拉应力, 波形为正弦波, 频率在93~100Hz范围, 以试件断于工作区为有效试件。

焊有横筋的焊接网试件在静力拉伸试验时, 几种钢筋 (CRB550, HRB400, CRB600H) 的断点几乎都不在焊点处。对于有明显屈服台阶钢筋 (HRB400) 断口处有明显颈缩 (见图1a) ;对于无明显屈服台阶钢筋 (CRB600H) , 拉断时仍表现为山峰形脆性断口 (见图1b) , 与无焊接横筋时的断口特征相同。

但在疲劳荷载作用下, 断口几乎全在焊点处, 不论静载下呈现塑性或脆性的材料, 在疲劳破坏时均表现为无明显塑性变形的突然断裂, 断口较平整, 无颈缩 (见图1c, 1d) 。钢筋疲劳断裂不同于静力拉断, 它是疲劳累积损伤的结果。从疲劳断口可看出, 疲劳破坏大致分为3个阶段:首先是疲劳源形成, 产生疲劳裂纹, 然后逐渐形成疲劳裂纹扩展区, 最后形成断裂区。断口表明, 疲劳源的位置绝大部分发生在纵、横钢筋相交的焊缝处, 这些部位往往是表面缺陷和应力集中较大的地方, 常常是疲劳源的发生处。在重复荷载作用下首先形成疲劳微裂纹。由于多次加载、卸载重复交替作用, 微裂纹逐渐扩展形成疲劳裂纹扩展区, 裂纹不断地张开、闭合且相互摩擦, 使裂纹扩展区变得较光滑 (见图2a, 2b) 中1区域) 。随重复加载次数的增加, 裂纹不断扩展, 当疲劳裂纹扩展到临界尺寸、剩余钢筋面积不足以承担外荷作用即达到最终断裂区时, 钢筋突然发生疲劳断裂, 如图2a, 2b中的2区域, 从宏观上看断口平整、粗糙不光滑。

钢筋焊接网在焊点处的疲劳强度明显低于母材的静力强度, 也低于直条钢筋的疲劳强度。根据国外的试验结果及标准规定表明, 带焊点钢筋的疲劳强度较无焊点直条钢筋的疲劳强度降低约1/2。

本次试验结果得出, 当ρ=0.2, 95%保证率, 200万次时的疲劳强度:对于HRB400焊接网, 大约相当母材静力强度的25%;对于CRB600H焊接网, 相当母材静力强度的27%。

钢筋在等幅多次重复荷载作用下, 当应力幅不超过某值时, 钢筋能承受无限次循环而不断裂, 此应力幅称为疲劳极限。

对疲劳寿命及表达方式, 国外的研究表明, 应力幅是影响疲劳寿命的主要因素。在国外关于焊接网疲劳性能的研究中, 有的学者较早就采用应力幅作为主要参数^[1]。对于一般的房屋结构构件, 考虑实际使用情况, 常采用循环次数通过200万次的应力幅作为钢筋的疲劳极限。也有的国家钢筋标准采用通过500万次循环的应力幅作为疲劳极限。

焊接网的疲劳S-N曲线在双对数坐标中采用下列表达式:

式中:N为疲劳失效时的循环次数;A为疲劳S-N曲线的截距;Δσ为疲劳应力幅;K为疲劳曲线的斜率;C为循环次数的统计偏差, , 其中α为均值线下标准差数目, 当取α=1.645, 即具有95%的保证率, m_N为循环次数的对数均方差, γ为相关系数。

根据HRB400钢筋焊接网23个有效数据的统计结果, 得到应力幅与疲劳次数的对应关系 (见图3) , S-N曲线的下包线具有95%的保证率。按式 (1) 得S-N曲线方程如下:

相关系数γ=-0.911 0, 循环次数的统计偏差c=0.235 1。

对于一般建筑结构构件, 可取N=2×10⁶循环, 此时得应力幅Δσ=156.6MPa。

根据CBR600H钢筋焊接网33个有效试件的统计结果, 得到应力幅与循环次数的对应关系 (见图4) 。

按式 (1) 统计, 得S-N曲线方程如下:

相关系数γ=-0.862 7, 循环次数的统计偏差c=0.320 0。当取N=2×10⁶时, 可得Δσ=164.9MPa。

最近10多年, 有些国际^[4]和国外^[5,6]标准, 将钢筋或焊接网的疲劳曲线采取不同于早期简单的仅设一种水平截止线的形式。这时, S-N曲线有3种可能处理方式: (1) 当取K₂=K₁时, S-N曲线为一直线, 这样取法偏于安全保守 (见图5中 (1) ) 。 (2) 当取某循环次数N₁与S-N曲线相交处 (对应的应力幅为Δσ₁) 作一水平截止线时, 得K₂=∞, 这是早期的S-N曲线的处理方法 (见图5中 (2) ) 。但是, 国外的试验表明, 有些焊接网试件在循环次数达10⁷~10⁸, 有时也会发生疲劳破坏^[9], 因此, 这种处理方法, 并不是一个很安全地处理方式。 (3) 国外开始采用二折线的处理方法, 如图5中N₁为设定的某一循环次数 (如N₁=10⁷) , 根据试验结果统计, 得出相应的疲劳曲线第1段斜率K₁, 当在循环次数大于N₁ (10⁷) 的区段内, 将斜率K₂取为大于K₁的某个值, 适当考虑疲劳累积损伤原则, 比较简便的处理方法, 可取K₂=K₁+2 (见图5中 (3) ) 。

本试验对这2种焊接网曲线斜率的处理方法是:将图3及图4中的S-N曲线下包线延长与N=10⁷的竖线相交, 得相应的应力幅Δσ₁, 并取K₂=K₁+2, 将得到N≥10⁷区域的S-N曲线方程。这种处理方法与国外有些标准规定相似, 如欧洲规范^[4]规定, 设定N=10⁷为分界点、Δσ₁=58.5MPa, 取K₁=3和K₂=5。德国规范^[6], 设定N=10⁷为分界点、Δσ₁=58MPa, 取K₁=3和K₂=5。

按上面S-N曲线的确定原则, 得出HRB400及CRB600这2种焊接网S-N曲线方程, 加上早期CRB550焊接网的试验结果, 以及欧洲和德国的规定, 一并列于表3。

3种焊接网疲劳S-N曲线下包线的统计结果及国外规范^[4,6]的规定如图6所示, 发现HRB400及CRB600H曲线均在CRB550之上。由于CRB550焊接网试验数据较多, 又有较长期循环试验结果, 把上述3种焊接网的S-N曲线用CBR550的S-N曲线代替是偏于安全的。当N=2×10⁶时, 3条S-N曲线对应的应力幅均高于焊接接网规程^[8]所规定的数值 (100MPa) , 且CRB550的S-N曲线与欧洲和德国规范的规定很接近。

根据公路规范^[10]的规定, 水泥混凝土高速路面在设计基准期 (30年) 内所承受的设计轴载累计作用次数折算成设计轴载 (100k N) 时, 对于重级交通荷载可达100万~2 000万次;对于特重级荷载可达2 000万~100亿次。有的文献^[11]指出, 对于高速铁路的无砟轨道, 当设计寿命为60年时, 纵向和横向分别承受的循环荷载次数可达1.05×10⁸及2.10×10⁸。考虑到高速公路及高速铁路上亿次的循环, 根据表3中后一曲线方程, 推算出1 000万次、1亿次及10亿次循环所对应的应力幅。

1) 根据本次试验及参照国外有关规定, 得出的热轧带肋钢筋 (HRB400) 及高延性冷轧带肋钢筋 (CRB600H) 焊接网疲劳S-N曲线方程, 基本反映了这2种焊接网的疲劳特性。

2) 利用表3中的疲劳S-N曲线方程组可求出某一循环次数下钢筋的疲劳应力幅。对于HRB400及CRB600H钢筋焊接网, N≥10⁷的预估应力幅, 可作为工程设计的参考。根据目前已有的试验结果, 偏于安全考虑, 建议以CRB550钢筋焊接网的S-N曲线方程, 作为这3种焊接网的疲劳曲线方程, 并已作为2014版焊接网技术规程^[8]编制的试验依据。

3) 今后应加强对循环次数N≥10⁷区域的补充试验。