鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究綜述

徐雙瓊

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常主要承受靜載作用,但在實(shí)際工程中還有許多結(jié)構(gòu),除了承受靜載作用外,還要經(jīng)常承受重復(fù)循環(huán)荷載作用。1898年Considere[1]和De Joly[2]對(duì)水泥砂漿試件的疲勞問(wèn)題進(jìn)行了最早的研究;進(jìn)入20世紀(jì)20年代,由于公路的發(fā)展,混凝土路面的抗折疲勞性能進(jìn)一步引起了人們對(duì)混凝土疲勞性能的研究興趣。

1 混凝土結(jié)構(gòu)疲勞的概念及內(nèi)容

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是在反復(fù)荷載作用下?lián)p傷不斷累積,承載力逐漸降低直至喪失的過(guò)程,其疲勞性能與構(gòu)件的材料(混凝土和鋼筋)性能和它們之間的連接密切相關(guān)?；炷两Y(jié)構(gòu)疲勞性能的研究可分為兩個(gè)階段:第一階段主要是著眼于混凝土結(jié)構(gòu)疲勞破壞的極限狀態(tài);第二階段是疲勞損傷全過(guò)程衰減規(guī)律。

2 特殊環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能

2.1 凍融環(huán)境下結(jié)構(gòu)的疲勞

對(duì)于實(shí)際工程中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)期的凍融損傷環(huán)境下,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了微損傷。因此這些結(jié)構(gòu)在驗(yàn)算其在反復(fù)荷載作用下的疲勞能力時(shí),應(yīng)該考慮在凍融損傷環(huán)境下的疲勞。劉榮貴等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出曲線,見(jiàn)圖1。

2.2 腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的疲勞

腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的疲勞稱(chēng)為腐蝕疲勞[4]。腐蝕疲勞現(xiàn)象早在1917年就已由Haigh首先提出,后來(lái) E-vans V.R.認(rèn)為它是工程實(shí)踐的一個(gè)很重要的問(wèn)題。所以對(duì)于承受反復(fù)荷載作用的鋼筋混凝土構(gòu)件,存在著疲勞和腐蝕的雙重累積損傷[5]。

3 混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析

混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,是研究混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的一個(gè)重要指標(biāo)。1944年吳佩剛提出同時(shí)考慮疲勞試驗(yàn)離散型和加載順序影響的修正線性疲勞累積損傷公式[8];1956年Corten提出Corten-Dolan模型[6]并給出多級(jí)加載下的疲勞壽命預(yù)測(cè)公式;1967年Manson在修正Miner準(zhǔn)則時(shí)提出著名的雙線性準(zhǔn)則[7]并給出兩級(jí)疲勞加載時(shí)的疲勞壽命預(yù)測(cè)公式;大連理工大學(xué)也進(jìn)一步的給出了剩余疲勞壽命的預(yù)測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)[9]等等。由此表明疲勞壽命的預(yù)測(cè)分析一直是疲勞試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn),同時(shí)我國(guó)在這方面的研究也在不斷的進(jìn)步中?？讘椡镜萚10]提出了P—S—N曲線的概念,或稱(chēng)為根據(jù)應(yīng)力與壽命關(guān)系作出的失效概率曲線族。同時(shí)進(jìn)行了載荷與壽命關(guān)系的試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。李士彬等[11]通過(guò)混凝土梁的低周疲勞破壞試驗(yàn),建立了疲勞壽命與動(dòng)態(tài)模量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,提出了通過(guò)較少循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)混凝土梁疲勞壽命的方法。殷波等[12]以彈塑性斷裂理論為基礎(chǔ),提出了基于積分混凝土的疲勞裂紋擴(kuò)展率工程計(jì)算方法,推導(dǎo)出了D-M模型下的混凝土疲勞壽命工程計(jì)算公式,并得出了混凝土疲勞壽命的尺寸效應(yīng)。

表1 混凝土不同負(fù)荷下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 提高混凝土疲勞性能的措施

4.1 摻磨礦物摻合料

隨礦物摻合料的廣泛應(yīng)用,摻磨礦物摻合料的混凝土不可避免地應(yīng)用于各種承受疲勞荷載作用的結(jié)構(gòu)。納米壓痕測(cè)試表明,礦物摻合料減少了基體和界面過(guò)渡區(qū)在力學(xué)性能上的差異,相對(duì)提高了界面過(guò)渡區(qū)抵抗荷載作用及抑制粘結(jié)裂縫發(fā)生、擴(kuò)展的能力,延緩損傷在界面過(guò)渡區(qū)的發(fā)展、累積過(guò)程,從而改善混凝土的疲勞性能。鄭克仁等[13]通過(guò)試驗(yàn)得出曲線,由不同礦物摻合料的摻量和疲勞壽命曲線可知,混凝土疲勞壽命隨礦物摻合料摻量的變化趨勢(shì)與應(yīng)力水平S有關(guān)。

4.2 FRP混凝土結(jié)構(gòu)

FRP材料用于混凝土結(jié)構(gòu)主要有兩種形式:1)直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)中;2)用于對(duì)既有結(jié)構(gòu)的維修加固。用于新建結(jié)構(gòu)時(shí),非預(yù)應(yīng)力FRP混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能較好,疲勞加載應(yīng)力水平對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響較大。東南大學(xué)的朱虹等[14]對(duì)體外預(yù)應(yīng)力AFRP筋加固RC梁的抗彎疲勞性能進(jìn)行了研究,表明體外預(yù)應(yīng)力AFRP筋加固混凝土梁的疲勞性能良好。Bizindayi L等[15]還對(duì)FRP與混凝土界面的疲勞性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明FRP混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.3 纖維混凝土技術(shù)

1)聚丙烯腈纖維混凝土。聚丙烯腈纖維混凝土技術(shù)是隨著高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。劉鳳茹等[16]的試驗(yàn)說(shuō)明對(duì)動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu),聚丙烯腈纖維能發(fā)揮更大的效果。而且聚丙烯腈纖維混凝土具有優(yōu)良的彎曲疲勞性能,尤其在高應(yīng)力比下,與普通混凝土相比,疲勞壽命可成倍增長(zhǎng)。

2)粗合成纖維混凝土。粗合成纖維(直徑大于0.1 mm的合成纖維)是一種興起于20世紀(jì)末的新型增強(qiáng)增韌材料。鄧宗才等[17]對(duì)異型粗合成纖維(聚丙烯與聚乙烯的復(fù)合體)進(jìn)行試驗(yàn),得出當(dāng)τ≤0.800時(shí),異型粗合成纖維對(duì)混凝土疲勞壽命的改善顯著優(yōu)于鋼纖維;但當(dāng)τ≥0.800時(shí),鋼纖維混凝土疲勞壽命優(yōu)于異型粗合成纖維混凝土;高應(yīng)力水平下,且兩端變大的啞鈴形鋼纖維不容易與混凝土發(fā)生脫粘拔出破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

文章概述了混凝土結(jié)構(gòu)疲勞的定義及特殊環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能,同時(shí)簡(jiǎn)述了混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法和提高混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的措施。當(dāng)然,混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究還有很多需要關(guān)注的問(wèn)題:1)有必要建立完整的關(guān)于吊車(chē)梁、火車(chē)車(chē)輛、海洋平臺(tái)、鐵路車(chē)輛的荷載譜,為可靠度分析提供基礎(chǔ)。2)應(yīng)注重研究混凝土結(jié)構(gòu)的多軸疲勞,變幅疲勞和隨機(jī)變幅疲勞等。3)加深混凝土結(jié)構(gòu)疲勞的理論分析,如疲勞本構(gòu)模型、疲勞累積損傷模型、概率理論及可靠度分析。

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