采用直流供电牵引方式的地铁列车在运行时，部分电流泄漏到土壤中，会对主体结构造成腐蚀。地铁混凝土主体结构通常距地面较深，土壤透水性较强时，氯离子极易经混凝土渗透至钢筋表面，诱发钢筋腐蚀[1-4]。此外，地铁在运行过程中会对地铁钢筋混凝土结构施加带有周期性的循环荷载，通常称为疲劳荷载。多种因素协同作用，势必加剧结构的损伤劣化，给地下列车的安全运行造成极大威胁。多种不利因素协同作用时，地铁钢筋混凝土结构弯曲疲劳损伤劣化及寿命预测模型也更趋复杂[5]。因此，有必要对地铁钢筋混凝土腐蚀疲劳损伤预测模型进行深入研究。

关于钢筋混凝土疲劳损伤预测，已有很多学者做了相关方面的研究。Dang等[6]通过三点弯曲试验研究了长期处于氯离子环境中的钢筋混凝土服役寿命演化规律。Ma等[7]基于概率分析方法，提出了考虑各种影响因素来源不确定性的疲劳寿命预测。王海超等[8]以钢筋混凝土梁为研究对象，在空气环境、淡水环境和盐水环境中开展疲劳试验，对疲劳荷载下三种环境中梁的变形发展过程以及疲劳寿命进行研究。试验结果表明，疲劳往复荷载与环境共同作用下，钢筋混凝土梁的挠度-荷载循环次数曲线呈明显的三阶段特征。根据试验结果给出了三种环境下不同荷载循环次数时钢筋混凝土梁的挠度公式及S-N方程。吴瑾等[9]通过8根锈蚀钢筋混凝土梁弯曲疲劳试验，研究了疲劳荷载下锈蚀钢筋混凝土梁的破坏形态、变形性能、疲劳强度与寿命。李士彬等[10]通过钢筋混凝土梁疲劳试验，引入剩余刚度和损伤度概念，研究疲劳损伤对构件造成的刚度衰减规律，结果表明：工程应用中可以损伤度D为1作为失效判据，再依据少量循环的疲劳试验确定混凝土梁刚度衰减速率k的大小，预测钢筋混凝土梁的疲劳寿命。季家林等[11]通过对钢筋混凝土梁的连续超声波检测，选取有关数据建立了其损伤演化方程和内、外损伤变量之间的关系，并基于有限元分析建立了梁疲劳破坏的极限状态方程，最终运用以上关系分析了钢筋混凝土梁的剩余寿命。朱红兵等[12]通过疲劳试验观测，得出钢筋混凝土梁刚度退化呈现出非常明显的三阶段规律，刚度退化曲线显“S”形形态，并根据刚度退化规律拟合得到了钢筋混凝土梁刚度退化计算公式。陈梦成等[13-15]通过钢筋混凝土梁在空气环境、杂散电流环境、氯盐环境和两者耦合环境下的疲劳试验，研究了这4种环境下梁的变形发展过程、刚度损伤过程和电化学腐蚀参数。结果表明，在不同腐蚀疲劳环境作用下，梁挠度-循环比和刚度损伤变量曲线呈三阶段特征，其变化程度在空气环境最慢，氯盐环境到疲劳后期较快，杂散电流环境较快，耦合作用下最快。对于钢筋混凝土梁在杂散电流、氯离子和疲劳荷载三因素耦合协同作用下的疲劳损伤预测，目前仍缺乏深入、有效的研究。这显然无法适应当下中国城市轨道交通高速发展对地铁钢筋混凝土结构安全性和耐久性研究的要求。

本文拟通过试验测定钢筋混凝土试验梁跨中挠度，跟踪钢筋混凝土梁在腐蚀环境与疲劳荷载作用下的腐蚀疲劳损伤演化全过程。根据试验梁跨中挠度演化规律建立腐蚀环境下四点弯曲疲劳寿命和损伤累积预测模型，包括单因素变化下的疲劳寿命预测模型、累积损伤模型以及多因素耦合下的疲劳寿命预测模型。并使用这些模型对腐蚀环境下地铁钢筋混凝土梁寿命进行预测和评估，同时将预测值和试验值进行对比验证。

1 预测模型

在预测结构材料的服役寿命和损伤时，国内外专家一般采用剩余强度、剩余刚度作为主要参数，对构件的服役寿命及损伤情况进行描述[16-18]。受以上学者研究成果启发，本文拟对杂散电流、氯离子和弯曲疲劳荷载共同作用下钢筋混凝土梁的疲劳寿命和损伤建立半经验解析预测模型，并试图通过该预测模型对钢筋混凝土试验梁的疲劳寿命和损伤状态进行预测和评估。

1.1 挠度演化半经验解析模型

四点弯曲疲劳试验采用荷载控制。疲劳试验中变化参数应力水平取值为0.6、0.7、0.8，腐蚀环境杂散电流强度取值为10、20、30、40 V，氯离子浓度则取值为2.5%、3.5%、5%、10%(质量分数，以下同)。依据材料力学理论，钢筋混凝土试验梁的刚度退化与其挠度增加有关，因此，在疲劳试验中，可记录下钢筋混凝土试验梁跨中挠度d0max/dmax随疲劳荷载循环次数变化情况。d0max是指第1次疲劳荷载循环过程中的试验梁跨中最大挠度；dmax则为疲劳荷载循环过程中记录的试验梁跨中最大挠度。钢筋混凝土试验梁在腐蚀环境和疲劳荷载耦合下跨中挠度比值随疲劳循环次数增加的典型演化趋势见图1，图1中N为加载过程中的疲劳荷载循环次数，Nf为试验梁疲劳寿命对应的疲劳荷载循环次数。由图1可知，跨中挠度增长从初始加载到试验梁最终疲劳损伤破坏阶段，挠度演化经历了比较明显的3个阶段：①初始快速下降阶段。此阶段试验梁由于受到预腐蚀开裂的影响，在疲劳荷载加载初始阶段，其挠度快速增加，挠度比值则快速递减，该阶段对应的疲劳荷载循环次数很少；②稳定下降阶段。该阶段试验梁挠度逐渐增大，其增长速率逐渐趋于平缓，相应挠度比值则逐渐平缓递减，疲劳损伤累积逐渐增加，疲劳损伤与试验梁形状、尺寸、材料属性、腐蚀环境和荷载条件有关，情况极为复杂，此阶段末端对应的疲劳荷载循环次数为试验梁的疲劳寿命；③损伤破坏急剧下降阶段。此阶段试验梁挠度急剧增加，直至断裂破坏。该阶段内疲劳荷载循环次数极少。

文章来源：《中国骨与关节损伤杂志》 网址: http://www.zggygjsszzzz.cn/qikandaodu/2021/0525/552.html

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