混凝土結(jié)構(gòu)疲勞全過程分析方法研究

王晟

摘要：工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中，在吊車和振動(dòng)工況下，混凝土結(jié)構(gòu)疲勞破壞是一個(gè)長期存在的重要問題，對工程質(zhì)量和后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)都具有很大影響。隨著社會(huì)的發(fā)展，對既有廠房進(jìn)行升級改造，以滿足新的工藝要求中，既有承受往復(fù)荷載的構(gòu)件的疲勞問題，也是一個(gè)不容回避的問題。混凝土的疲勞過程發(fā)生是個(gè)復(fù)雜的過程，造成疲勞的因素眾多，強(qiáng)度具有隨機(jī)性，為了更好的將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，結(jié)合各項(xiàng)理論研究數(shù)據(jù)對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞全過程進(jìn)行分析，從而采取對應(yīng)的措施對工程建設(shè)質(zhì)量的提高具有重要意義。

關(guān)鍵詞：混凝土；結(jié)構(gòu)疲勞；分析應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)建筑中承受吊車荷載和振動(dòng)荷載的情況越來越多，由于自身構(gòu)造及外界因素的影響兒出現(xiàn)疲勞破壞引發(fā)安全隱患?；炷潦且环N重要的應(yīng)用極為廣泛的建筑材料，研究表明疲勞是造成材料破壞的主要形式之一，尤其混凝土結(jié)構(gòu)長期承受在各種場合下的疲勞負(fù)載，隨時(shí)間往復(fù)諸如使用荷載、超常荷載、日照溫差侵蝕性侵害等反復(fù)作用與結(jié)構(gòu)上，在時(shí)間與頻率的影響下混凝土所發(fā)生的損壞即為疲勞。

1 剩余強(qiáng)度衰減模型在混凝土結(jié)構(gòu)疲勞全過程中的應(yīng)用

1.1 疲勞方程

在循環(huán)荷載作用下開展對混凝土疲勞強(qiáng)度的研究以及混凝土構(gòu)件的研究是一項(xiàng)具有重要意義的工作，通過對大量工程實(shí)例分析我們知道混凝土結(jié)構(gòu)疲勞破壞的規(guī)律是：混凝土材料內(nèi)部在疲勞荷載作用下，隨著產(chǎn)生損傷不斷增加其性能也隨之反生變化化，引起材料本身抗外荷載能力大幅下降。由此造成結(jié)構(gòu)具有的抵抗外荷的能力逐步下降，這一過中的程疲勞強(qiáng)度是單調(diào)遞減的，它不僅與與加載的應(yīng)力水平有關(guān)和荷載循環(huán)次數(shù) 有密切關(guān)系，疲勞過程中不同材料剩余強(qiáng)度退化規(guī)律不同，混凝土材料較常用的是疲勞方程N(yùn)eɑs=C，該方程回歸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的指數(shù)函數(shù)方程.其中式中 α 和 C 為材料常數(shù)，S 為應(yīng)力水平，一般為應(yīng)力幅（Smax=fmax/fc，fmax為疲勞荷載的上限應(yīng)力，fc為混凝土靜壓強(qiáng)度），也可用最大應(yīng)力 fmax表示，N 為該應(yīng)力水平下結(jié)構(gòu)的壽命，對上式兩邊取對數(shù)可得單對數(shù)表示的疲勞方程：Smax=a+blgN，式中的 a 和 b 為材料常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)確定。一般 a>0，b<0，在上限應(yīng)力 fmax作用下其疲勞壽命為 N。，fc為初始靜壓強(qiáng)度，通過計(jì)算得知，混凝土強(qiáng)度在衰減的過程的中，疲勞荷載作用前的剩余強(qiáng)度為靜載極限強(qiáng)度 fc，當(dāng)其強(qiáng)度因疲勞荷載作用衰減至疲勞荷載上限應(yīng)力 fmax時(shí)，達(dá)到混凝土的疲勞壽命 N。，因此，剩余強(qiáng)度衰減的確定性方程需要滿足兩個(gè)邊界條件，由此可以測得混凝土剩余強(qiáng)度。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析模型

水泥混凝土具有疲勞壽命較長的特征造成開展基于現(xiàn)場試驗(yàn)疲勞特性研究工作開展具有耗時(shí)較長且較困難因此一般通過采用室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)完成對水泥混凝土結(jié)構(gòu)疲勞全過程的分析實(shí)驗(yàn)。19世紀(jì)末20世紀(jì)初到現(xiàn)在各國研究者在應(yīng)力水平和允許荷載重實(shí)中采取了疲勞模型的應(yīng)用進(jìn)行測試：

疲勞模型（S為應(yīng)力水平，Nf為疲勞水平）表

ZeromaintenancelogNf=17.6117.61S

ERES/USACElogNf=2.13S1.2

標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)設(shè)計(jì)疲勞方程logNf=-1.7136S+4.284S>1.25logNf=2.8127S+1.2214S<1.25

Vesic疲勞方程N(yùn)f=22500×（1/S）4

ARE疲勞方程N(yùn)f=23440S3.21

RISC疲勞方程N(yùn)f=22209×（1/S）4.29

Illinois大學(xué)的疲勞方程S=1.2968Nf0.0307

上表總結(jié)可得疲勞壽命Nf與應(yīng)力水平S的關(guān)系符合如下關(guān)系：logNf= α S+β （ α，β為回歸系數(shù) ）很多固定幅度的循環(huán)荷載施加于混凝土件出現(xiàn)斷裂破壞時(shí)，反復(fù)荷載作用次數(shù)定義為混凝土的疲勞壽命。循環(huán)荷載的最大值通常與該試件荷載作用下的極限強(qiáng)度相關(guān)。該比值表明應(yīng)力水會(huì)使疲勞壽命獨(dú)立于混凝土的老化、翹曲歷史、水泥含量、空氣環(huán)境集料類型以及加載應(yīng)力幅值等。[1]

2 材料對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響

2.1 混凝土中摻合料對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響

混凝土找中加入粉煤灰、磨細(xì)礦渣和纖維等材料可以減少混凝土初始缺陷，提高混凝土梁的力學(xué)性能，從而抑制損傷過程中裂縫發(fā)生發(fā)展從而延長混凝土疲勞壽命。

2.2 混凝土材料本身的影響

高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的廣泛應(yīng)用使得混凝土在低應(yīng)力疲勞負(fù)載作用下仍然能將符合使用條件。高強(qiáng)混凝土梁在正常配筋條件下比普通混凝土梁具有更好抗疲勞疲勞性能，同時(shí)混凝土的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)。[2]

3 通過加固改善混凝土結(jié)構(gòu)疲勞影響

3.1 碳纖維加固

碳纖維加固在一定的應(yīng)力水平下可以提混凝土的抗疲勞強(qiáng)度在疲勞試驗(yàn)中，撓度增加隨著荷載重復(fù)次數(shù)增加而減緩緩慢，試驗(yàn)期間的剛度反映基本保持不變，應(yīng)力經(jīng)過荷載循環(huán)還是按損傷的形成、穩(wěn)定擴(kuò)展和破壞三階段規(guī)律發(fā)展，其中得到較大延長是中間穩(wěn)定擴(kuò)展，構(gòu)件疲勞裂形態(tài)紋通過加入粘貼碳纖維布得到改善，同時(shí)構(gòu)件長度受到膠體填補(bǔ)梁底表面影響出現(xiàn)裂紋的幾率相對相等，原來體系中數(shù)目少而粗大的裂紋得到分散，延緩了裂紋擴(kuò)散進(jìn)度?？梢?，正截面疲勞性能通過使用碳纖維布得到改善，在不同的應(yīng)力水平下混凝土疲勞壽命有所提高。

3.2 粘鋼加固

通過粘鋼加固在大幅度提高鋼筋混凝土的靜載強(qiáng)度同時(shí)，同時(shí)在采用鋼補(bǔ)強(qiáng)方法適當(dāng)時(shí)，混凝土裂縫產(chǎn)生時(shí)間也顯著地被拉長了。在通常情況下，混凝土梁疲勞破壞在重復(fù)荷載作用下通常發(fā)生跨中的純彎段上，通過粘鋼補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，使得疲勞破壞改到發(fā)生在梁端附近彎剪作用區(qū)，由此可見粘鋼補(bǔ)強(qiáng)后的混凝土剛度得到明顯的提高，且底部鋼板厚度越大，混凝土梁加固底部剛度提高越多。

4 結(jié)語

我們對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞全過程進(jìn)行分析試驗(yàn)，通過使用疲勞模型與疲勞公式對影響鋼筋混凝土疲勞性能因素進(jìn)行分析，從材料選用和加固等方面提出了改善混凝土疲勞的措施，以便在今后工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及升級改造中，涉及疲勞荷載的情況下的構(gòu)件的改造加固設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱月，王艷，張金團(tuán)，等.混雜纖維混凝土研究現(xiàn)狀[J].混凝土，2018，（3）：132137，140.

[2]楊濤，林廣泰，趙艷林，等.帶疲勞損傷的鋼混凝土組合梁受力性能試驗(yàn)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，（12）：128134.