钢筋焊接网疲劳S-N曲线试验研究

作者:顾万黎 朱爱萍
单位:中国建筑科学研究院
摘要:介绍了热轧带肋钢筋 (HRB400) 及高延性冷轧带肋钢筋 (CRB600H) 焊接网疲劳性能试验结果。对疲劳试件制作、试验条件、试件破坏特征及疲劳S-N曲线表达方式等做了说明。以应力变化幅度 (Δσ) 作为疲劳试验的主要参数, 取95%保证率, 得到钢筋焊接网疲劳S-N曲线方程, 并对曲线方程斜率 (K1, K2) 作了分析比较。当S-N曲线设水平截止线, 循环次数N=2×10~6时, 对应的应力幅不低于100MPa。当S-N曲线以循环次数N=10~7作为分界点, 曲线被分为二段折线, 分别得2个斜率K1和K2。将本次试验的二种焊接网与十余年前试验的冷轧带肋钢筋 (CRB550) 焊接网疲劳曲线对比, 3种钢筋焊接网S-N曲线方程, 偏于安全地考虑, 可用一种钢筋 (CRB550) 焊接网S-N曲线方程代替。试验研究结果也是焊接网规程JGJ114—2014疲劳条文编制的主要依据。
关键词:钢筋焊接网 疲劳S-N曲线 热轧带肋钢筋 (HRB400) 高延性冷轧带肋钢筋 (CRB600H) 试验 研究
作者简介:作者简介: 顾万黎, 研究员, E-mail:cabrguwanli@sina.com;

 

0 引言

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。

1 疲劳试验

1.1 试件

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。

表1 钢筋化学成分Table 1 Chemical compositions of steel wires   

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表1 钢筋化学成分Table 1 Chemical compositions of steel wires

表2 钢筋机械性能Table 2 Mechanical properties of steel wires   

表2 钢筋机械性能Table 2 Mechanical properties of steel wires

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0.3Re LA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ΦRH10+ΦRH12, 其中受力钢筋为300mm长的ΦRH10, 中间焊1根ΦRH12短筋, 两侧分别伸出20mm。焊接网试件的抗剪力值均满足0.3Rp0.2A的标准要求。实测ΦRH10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%。

1.2 试验方法

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=σmaxmin) 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。

2 试验结果分析

2.1 试件破坏特征

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。

图1 焊接网的断裂试件Fig.1 Broken specimens of welded fabrics

图1 焊接网的断裂试件Fig.1 Broken specimens of welded fabrics

 

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%。

图2 疲劳断裂断面Fig.2 Cross-section of fatigue failure specimens

图2 疲劳断裂断面Fig.2 Cross-section of fatigue failure specimens

 

2.2 钢筋焊接网疲劳S-N曲线

2.2.1 疲劳S-N曲线实测结果

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, mN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) 。

图3 HRB400焊接网S-N曲线Fig.3 S-N curves of welded fabrics made of HRB400

图3 HRB400焊接网S-N曲线Fig.3 S-N curves of welded fabrics made of HRB400

 

图4 CRB600H焊接网S-N曲线Fig.4 S-N curves of welded fabrics made of CRB600H

图4 CRB600H焊接网S-N曲线Fig.4 S-N curves of welded fabrics made of CRB600H

 

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。

2.2.2 疲劳S-N曲线分析

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) ) 。

表3 钢筋焊接网疲劳S-N曲线比较Table 3 Comparison of fatigue S-N curves of welded fabrics   

表3 钢筋焊接网疲劳S-N曲线比较Table 3 Comparison of fatigue S-N curves of welded fabrics
图5 疲劳S-N曲线的可能形式Fig.5 Possible forms of fatigue S-N curves

图5 疲劳S-N曲线的可能形式Fig.5 Possible forms of fatigue S-N curves

 

(1) 直线式; (2) 水平截止线; (3) 二折线

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。

图6 3种钢筋焊接网疲劳S-N曲线比较Fig.6 Comparison of three kinds of fatigue S-N curves of welded fabrics

图6 3种钢筋焊接网疲劳S-N曲线比较Fig.6 Comparison of three kinds of fatigue S-N curves of welded fabrics

 

3 结语

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。

 

Experimental Research on Fatigue S-N Curves of Welded Fabric
Gu Wanli Zhu Aiping
(China Academy of Building Research)
Abstract: Fatigue test results of welded fabrics made of hot rolled ribbed bars ( HRB400) and cold rolled ribbed bars with improved elongation ( CRB600H) are introduced. Producing fatigue specimens, test conditions, failure features of specimens and expression of fatigue S-N curves etc are specified. By using stress range ( Δσ) as a main parameter, we put forward fatigue S-N curves equations of welded fabrics at a probability of 95%, and analysis and compare two slopes, K1 and K2, in different equations. When we set horizontal cut-off lines for S-N curves and N = 2 × 10~6 cycles, corresponding stress ranges are not lower than 100 MPa. By using N = 10~7 cycles as a demarcation point, S-N curves are 2-segment polylines with two slopes, K1 and K2, respectively. After comparing fatigue curves of two kinds of welded fabrics tested in this time with a fatigue curve of welded fabric made of CRB550 tested more than10 years ago, take safety into consideration, the fatigue curve equation of welded fabric made of CRB550 may replace the others. Experimental results are also the main basis for preparation of fatigue provisions of specification for welded fabric, JGJ114—2014.
Keywords: welded fabric; fatigue S-N curve; hot rolled ribbed bar (HRB400) ; cold rolled ribbed bar with improved elongation (CRB600H) ; testing; research;
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