单位文秘网 2021-08-31 09:00:31 点击: 次
摘要:本文在参考大量国内外文献的基础上,介绍了混凝土疲劳剩余强度试验的发展历史与当代研究应用现状,总结了关于混凝土疲劳性能的研究进展,旨在进一步推动混凝土疲劳剩余强度试验的应用与研究。
关键字:混凝土疲劳;剩余强度;疲劳性能
1引言
混凝土结构是当今世界使用最为广泛的结构形式之一,它们除了受静力荷载作用外还受到车辆、飞机、核动力以及风、波浪、水流等反复荷载的作用,疲劳失效是其主要破坏形式之一。因此对混凝土在疲劳荷载下性能的研究显得尤为重要。
疲劳破坏是指材料在低于静载强度的循环荷载作用下说发生的脆性破坏。随着钢筋混凝土结构的不断发展,在材料方面采用高强混凝土和高强钢筋,出现了大批高强、轻质的混凝土结构;在设计理论方面,采用充分利用材料强度的设计方法,这些因素都使得结构中的一些构件处于复杂的高应力状态下。此外混凝土结构被陆续的用到许多循环次数多的且重复荷载较大的场合,关于混凝土疲劳性能的研究也越来越成为工程界的热点问题。
人们对混凝土的疲劳问题进行了大量的实验研究和理论分析。在试验研究方面,研究集中在混凝土疲劳S-N曲线方程、疲劳强度、疲劳变形发展规律和混凝土性能的衰减。在理论研究方面,对疲劳累积损伤理论、疲劳破坏随机预测理论和疲劳本构模型的研究展开较多。下面就结合已有的文献,对当前国内外混凝土疲劳问题试验和理论方面的研究现状进行全面描述。
2 混凝土疲劳性能试验研究概况
2.1 单轴疲劳试验
Van Ornum(1903)首次采用立方体和棱柱体试件进行了混凝土单轴受压疲劳试验,采用最大应力水平Smax为0.55~0.95,最小应力Smin为0,结果表明Smax=0.55时对应的疲劳寿命为7000。60年代的主要研究结论是:①混凝土至少有107以上的疲劳寿命;②200万次抗压疲劳强度折减系数时0.50左右;③加载频率在1HZ和7.5HZ之间对疲劳强度几乎没有影响,但当频率小于1/6HZ会使疲劳强度降低;④残余应变在开始的几千次疲劳荷载作用下增长较快,以后逐渐趋于平稳;变形模量随循环次数逐渐衰减。Chimampant(1989)进行了一系列高强混凝土单轴波动压下的试验。混凝土抗压强度从52MPa到84MPa,最大应力从0.4fc’至0.9fc’变化。使用两种不同的加载频率,即6HZ和12HZ。观察到高强混凝土与普通混凝土疲劳性能明显差异。报告指出直至100万次循环,高强混凝土的S-N曲线是线性的。Clemmer(1922)研究了素混凝土的弯曲疲劳,指出混凝土的疲劳极限是静载弯曲强度的55%。Kesler(1953)[5]发现混凝土没有固定的疲劳极限,但是得到了同拉伸应力水平下荷载循环1000万次的疲劳强度。宋玉普通过对变截面混凝土棱柱体试件进行拉-压疲劳试验,也得到反向压力对混凝土抗拉疲劳寿命的降低有很大影响的结论,同时他还得到了疲劳应变和变形模量发展三阶段规律的演化方程。
2.2 多轴疲劳试验
从20世纪80年代以后人们开始对混凝土双轴疲劳性能进行了实验研究。Jeragh最早进行了两种荷载加载路径下的立方体混凝土双轴疲劳试验,得到的主要结论是:所有双轴应力状态下混凝土疲劳强度均比单轴情况下高。Buyukozturk完成了平面混凝土试件在一定侧向压应变下的双轴受压疲劳试验,得到混凝土在水平和纵向的应力-应变关系与初始侧压条件的有关的结论。关于混凝土的双轴受压疲劳破坏形态,均为沿着自由面法向呈片状受拉破坏,且与双轴静载破坏形式相同,这为合理的解释双轴疲劳损伤机理提供了试验基础。
对于三轴受压疲劳问题,Desayi进行了螺旋钢筋约束下圆柱体混凝土试件(Ф150×300mm)的疲劳抗压性能的研究。得到结论:混凝土的疲劳破坏与其强度无关,疲劳破坏时与静态破坏时形态相同;侧压的约束作用提高了混凝土的疲劳强度。
3 混凝土疲劳性能理论研究进展
3.1混凝土疲劳累积损伤理论
由交变循环应力引起材料力学性能劣化的过程称为疲劳损伤,疲劳破坏实际上是疲劳损伤趋于某个临界值的累积过程。目前,混凝土疲劳累积损伤的研究主要包括:
1)基于等幅与变幅疲劳试验测量损伤变化提出疲劳损伤非线性累积的经验模型;
2)基于连续介质损伤力学的疲劳损伤理论。
在疲劳荷载的作用下材料性能要发生恶化,目前定义混凝土的损伤变量主要有:弹性模量法、剩余强度法、最大疲劳应变法、残余疲劳应变法、耗散能量法、超声波速法等。
3.2 混凝土疲劳破坏随机预测理论
疲劳损伤本质上是一个动态随机过程,因此,疲劳破坏的随机预测具有一定的理论基础与现实意义,它主要包括剩余强度预测、疲劳剩余寿命预测与疲劳损伤状态预测等内容。
概率方法从最早被McCall(采用,他通过混凝土梁试件受弯疲劳试验对疲劳破坏概率进行了分析,发现在0至2000万次疲劳加载范围内混凝土并无疲劳极限。Yang (1994)基于凝土疲劳损伤理论提出了疲劳寿命预测的概率方法,对疲劳损伤过程进行了模拟,从而给出了在确定疲劳次数下和疲劳破坏下的损伤状态密度分布函数。
3.3 混凝土疲劳本构模型的研究现状
目前对能准确模拟循环加卸载尤其是疲劳荷载作用下混凝土性能的模型却不多。有限的文献资料显示这方面的研究主要包括以下几类:(1)线适度法、插值或数学函数法得出循环应力一应变曲线;(2)以不可逆热力学为基础的本构模型;(3)基于损伤理论的疲劳本构模型;(4)边界模型;
4 结论
由前面的论述可知,混凝土疲劳强度、累积损伤以及性能劣化规律研究是混凝土疲劳力学性能的一项重要的基础性研究,也是工程实际需要迫切解决的一项重要任务。但是由于疲劳试验费时费力且对试验设备要求较高,所以目前国内外相关的试验研究开展的较少。通过对混凝土疲劳试验现状的综述可见,目前对混凝土单轴疲劳试验研究展开较多,而对单轴疲劳情况下混凝土剩余强度研究较少。从理论研究现状的综述可见,现有的累积损伤理论和本构模型也存在一定的缺陷。如何提出一套简便、实用、能模拟混凝土高周疲劳时剩余强度衰减的本构模型也是研究者关心的主要问题之一。
参考文献
[1] Van Ornum J. L. Fatigue of cement products[J].Transactions, ASCE, 1903, 51, 443.
[2] Clemmer H. E .Fatigue of concrete[J].Proceedings, ASTM, 1922, 22(PartII):408-419.
[3]宋玉普,吕培印.混凝土轴心拉一压疲劳性能研究[J].建筑结构学报,2002, 23 (4) : 36-41.
[4] D. Yang. A distribution function for the fatigue life of concrete[J].
Magazine of Concrete Research, 1994, 46(168):215-221.
[5]混凝土疲劳专题组.混凝土受弯构件疲劳可靠性验算方法的研究[M].北京,中国建设工业出版社,1994.
[6]王瑞敏,赵国藩,宋玉普.混凝土的受压疲劳性能研究[J].土木工程学报,1991,24(4):38-47.
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