加載頻率對高強鋼筋疲勞試驗的影響研究

林 輝,徐升橋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

我國土木工程建設領域以鋼筋混凝土結構為主，熱軋帶肋鋼筋為主要原材料。2013年全國各大區域熱軋帶肋鋼筋產量分布如圖1所示。由于鐵路工程結構剛度較大，荷載作用較大，高強鋼筋的應用有助于改善結構受力。鐵路工程結構由于受重復-交變荷載的作用，往往在低于材料允許應力的服役條件下產生疲勞破壞。雖然建工行業標準提出了高強鋼筋的疲勞設計參數，但其試驗樣本少，且主要采用大型鋼鐵企業產品數據，代表性差。重要的是建筑結構疲勞受力特性不顯著，鐵路工程不能直接參考使用。目前，鐵路標準中缺少HRB400及以上高強鋼筋的疲勞性能設計參數。為充分發揮高強鋼筋的技術經濟性能，有效降低鋼筋用量，中國鐵路總公司組織開展了鐵路工程應用高強鋼筋的相關試驗研究，第一階段進行了高、低頻試驗對高強鋼筋疲勞性能影響的研究。

圖1 2013年全國各大區域熱軋帶肋鋼筋產量分布

1 疲勞試驗加載頻率

從19世紀中葉開展系統的疲勞試驗以來，疲勞試驗設備有了較大的發展。從最初的旋轉疲勞試驗機發展到電液伺服試驗機，再到超聲疲勞試驗機，正是疲勞試驗加載速度的穩步提高，才使構件的長壽命、甚至超長壽命的疲勞性能研究成為可能。

例如，若采用10 Hz的常規電液伺服疲勞試驗機進行超長壽命的疲勞性能試驗研究(一般要求大于109次)，則一個試件就需要加載3年，這實際成了一種無法完成的試驗計劃。此時，若采用超聲疲勞試驗系統，則可以將一個試件的時間控制在14 h以內。由于鐵路工程應用高強鋼筋相關試驗，樣本量大、加載次數高，若采用常規疲勞試驗機，試驗周期將變得無法承受。因此，本次試驗研究先探索加載頻率更高的電磁共振式高頻試驗機應用到試驗中。

2 高強鋼筋疲勞試驗取樣

課題采用的熱軋帶肋鋼筋(HRB400和HRB500級別)進行統一取樣，總體上涵蓋不同區域的大、中、小型鋼筋生產廠家，每件樣品從不同根鋼筋選取[1-3]。依據《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》(GB/T28900—2012)和《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB1499.2—2007)的要求檢驗鋼筋母材的力學和化學性能，其中部分HRB400鋼筋化學成分檢驗結果見表1；部分HRB400鋼筋力學性能檢驗結果見表2；部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗結果見表3。

表1 部分HRB400鋼筋化學成分檢驗結果

續表1

表2 部分HRB400鋼筋力學性能檢驗結果

表3 部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗結果

3 加載頻率對高強鋼筋母材疲勞性能影響

為驗證高強鋼筋母材在高、低頻動態加載下性能的穩定性，試驗選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋進行高、低頻比對試驗。試驗選取8支試樣，設定應力范圍分別為240、256、288 MPa和320 MPa四檔。每檔試驗兩支試樣，將試件隨機分為兩組，保證每組試樣覆蓋4種不同應力范圍。一組在INSTRON 8801疲勞試驗機上進行，頻率設定為10 Hz；一組在SINCOTEC高頻疲勞試驗機上進行，頻率設定為60～70 Hz。通過相同應力范圍不同頻率進行比對，得到高強鋼筋母材高、低頻疲勞試驗結果，如圖2所示。

圖2 高強鋼筋母材高、低頻疲勞試驗結果柱狀圖

由圖2可知，同批同規格高強鋼筋母材的疲勞性能在不同頻率下基本相同，即頻率效應對高強鋼筋母材的疲勞性能沒有太大影響。無論中國標準還是國外標準[4-5]，對高強鋼筋疲勞試驗的頻率規定均為0～120 Hz，并未根據使用工況的不同而對頻率的高、低做出具體要求。高強鋼筋母材疲勞性能試驗結果與標準規定的一致，即頻率效應對高強鋼筋母材的疲勞性能基本沒有影響，可以根據實際情況選用頻率進行高強鋼筋母材疲勞試驗。

4 加載頻率對高強鋼筋連接接頭疲勞性能影響

4.1 電弧焊連接接頭

為驗證高強鋼筋電弧焊連接接頭在高、低頻動態加載下性能的穩定性，試驗選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋，采用同一工藝、同一工人和同一設備，制作出一批試件。電弧焊連接接頭嚴格按照《鋼筋焊接及驗收規程》(JGJ 18—2012)制作并驗收。試件隨機分為2組，一組在MTS電液伺服試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為15 Hz；一組在GPS350高頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為約100 Hz。試驗得到高強鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果，如圖3所示。

圖3 高強鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果

由圖3可知，不同疲勞試驗頻率得到的試驗數據基本分布在同一條直線附近，用高頻和低頻數據回歸得到的曲線非常接近。從兩中值S-N曲線上得到的低頻疲勞試驗200萬次疲勞強度為83.8 MPa，高頻疲勞試驗200萬次疲勞強度為83.2 MPa，相差很小。結果說明在0到120赫茲范圍，加載頻率對高強鋼筋電弧焊連接接頭疲勞性能的影響很小[6-9]。

為進一步驗證高強鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果的一致性，將進行數理統計檢驗。S-N曲線的斜線段是對疲勞試驗數據在雙對數坐標內的線性回歸，判斷2種加載頻率對同一批試件的試驗結果是否具有顯著影響的實質，是判斷2條回歸曲線的參數是否有顯著性差異，此時可采用Chow檢驗進行判斷[10-13]。Chow檢驗的基本思路是：如果2個回歸的參數確有不同，則2組數據混合后進行回歸的殘差平方和將顯著大于2組數據分別進行回歸的殘差平方和。

高頻試驗機進行的疲勞試驗數據為第1組，共有17個有效試樣；低頻試驗機進行的疲勞試驗數據為第2組，共有7個有效試樣。高頻試驗機數據得到的S-N曲線為：LogN=α1+α2LogS；低頻試驗機數據得到的S-N曲線為：LogN=β1+β2LogS。根據高、低頻疲勞試驗差異性Chow檢驗的原理和程序，提出原假設和備擇假設為

H0:αi=βi(i=1，2)；

H1:存在i，αi≠βi(i=1，2)

(1)

根據Chow檢驗原理，可構造出統計量

(2)

此時：F～F(k+1，n1+n2-2k-2)中k為回歸曲線中的系數個數，此處k=2。代入式(2)，可得F=0.26，取顯著性水平α=0.1，置信度水平為90%，查表可得F0.1(3.17=2.42)>F=0.26。因此，不能拒絕原假設，即高強鋼筋電弧焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果相同。

4.2 閃光對焊連接接頭

為驗證高強鋼筋閃光對焊連接接頭在高、低頻動態加載下性能的穩定性，試驗選取同一批HRB400和HRB500直徑16 mm的鋼筋進行高、低頻比對試驗。試驗前對閃光對焊焊接質量進行外觀檢查和力學性能檢測。外觀檢查主要內容為：(1)對焊接頭表面應呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋；(2)與電級接觸處的鋼筋表面，不得有明顯燒傷；(3)接頭處的彎折角不得大于2°；(4)接頭處的軸線偏移不得大于鋼筋直徑的0.1倍，且不得大于1 mm。力學性能檢測包括拉伸和冷彎等目前國家標準規定的內容。試件隨機分為2組，一組在MTS Landmark低頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為15 Hz。一組在GPS350高頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為約80 Hz。

圖4 高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB400應力比0.2)

試驗得到高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB400應力比0.2)，如圖4所示；高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB400應力比0.4)，如圖5所示；高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB500應力比0.2)，如圖6所示。

圖5 高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB400應力比0.4)

圖6 高強鋼筋閃光對焊連接接頭高、低頻疲勞試驗結果(HRB500應力比0.2)

由圖3～圖6可知，無論HRB400級高強鋼筋還是HRB500級高強鋼筋，同批同規格高強鋼筋閃光對焊連接接頭的疲勞性能基本相同。同時，無論試驗應力比0.2還是應力比0.4，同批同規格高強鋼筋閃光對焊連接接頭的疲勞性能也基本相同，即頻率效應對高強鋼筋閃光對焊連接接頭的疲勞性能沒有太大影響，可以根據實際情況選用頻率進行高強鋼筋閃光對焊連接接頭的疲勞試驗。

4.3 機械連接接頭

根據鐵科院等開展的鐵路用滾軋直螺紋、鐓粗直螺紋和擠壓型3種機械連接接頭的疲勞性能試驗研究，滾軋直螺紋連接組件的疲勞性能最好[14-15]。因此本課題機械連接接頭采用剝肋滾壓直螺紋連接接頭的連接方式。

為驗證高強鋼筋機械連接接頭在高、低頻動態加載下性能的穩定性，試驗選取同一批HRB400φ16 mm的鋼筋，采用同一工藝、同一工人和同一設備，制作出一批試件。對鋼筋剝肋滾壓直螺紋連接接頭按照《鋼筋機械連接通用技術規程》(JGJ107—2010)、《鋼筋機械連接用套筒》(JGT163—2013)和《鐵路混凝土工程鋼筋機械連接技術暫行規定》(鐵建設[2010]41號)要求進行加工和檢測。試件隨機分為2組，一組在MTS Landmark電液伺服試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為18 Hz。一組在PLG-200高頻疲勞試驗機上進行疲勞試驗，頻率設定為約130 Hz。試驗得到高強鋼筋機械連接接頭高、低頻疲勞試驗結果，如圖7所示。

圖7 高強鋼筋機械連接接頭高、低頻疲勞試驗結果

由圖7可知：(1)在疲勞壽命小于100萬次時，低頻測試結果普遍高于高頻測試結果；(2)應力范圍較高時，高低頻結果差異越大，應力范圍較低時，高低頻結果差異較小；(3)由S-N曲線的趨勢可判斷，在疲勞壽命高于100萬次時，低頻測試結果將會低于高頻測試結果。經查找原因，高頻疲勞試驗機在動態標定過程中數值標定不準造成低頻與高頻的比值約為1.1。經反算，如果高頻疲勞試驗機動態標定準確，頻率效應對高強鋼筋機械連接接頭的疲勞性能沒有太大影響，可以根據實際情況選用頻率進行高強鋼筋機械連接接頭的疲勞試驗。

5 結論

(1)采用高、低頻疲勞試驗機的高強鋼筋母材對比疲勞試驗結果無明顯差異，高頻疲勞試驗機可用于母材的疲勞試驗。

(2)采用高、低頻疲勞試驗機的電弧焊連接接頭對比疲勞試驗結果無明顯差異，高頻疲勞試驗機可用于電弧焊連接接頭的疲勞試驗。

(3)采用高、低頻疲勞試驗機的閃光對焊連接接頭對比疲勞試驗結果無明顯差異，高頻疲勞試驗機可用于閃光對焊連接接頭的疲勞試驗。

(4)采用高、低頻疲勞試驗機的機械連接接頭對比疲勞試驗結果無明顯差異，高頻疲勞試驗機可用于機械連接接頭的疲勞試驗。

綜上所述，高頻疲勞試驗機可用于高強鋼筋母材及其連接接頭的疲勞試驗，大幅提高了疲勞試驗效率。

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