高強(qiáng)鋼筋疲勞壽命研究現(xiàn)狀

夏留佳 夏佳偉 潘登 王焱

摘要：自鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)誕生以來(lái)，人們就沒(méi)有停止對(duì)其各方面的研究，包括鋼筋的延性、疲勞性能等方面研究，高強(qiáng)鋼筋憑借其高工作性能使其更多的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中，然而鋼筋在使用的過(guò)程中往往發(fā)生疲勞破壞，所以對(duì)高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能有必要研究;本文基于大量關(guān)于高強(qiáng)鋼筋疲勞試驗(yàn)研究文獻(xiàn)，首先對(duì)高強(qiáng)鋼筋疲勞壽命S-N曲線的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一個(gè)介紹，接著對(duì)高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能研究現(xiàn)狀做一個(gè)概述。

關(guān)鍵字：高強(qiáng)鋼筋;疲勞性能;S-N曲線;研究綜述;

1引言

隨著高強(qiáng)鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論上的日益成熟，高強(qiáng)鋼筋也越來(lái)越多的應(yīng)用于高層和抗震建筑結(jié)構(gòu)中0;高強(qiáng)鋼筋憑借其在結(jié)構(gòu)受力優(yōu)異性能，相比于低強(qiáng)度鋼筋可以節(jié)約鋼筋用料約為10%，能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可以帶來(lái)施工的方便，使其得到設(shè)計(jì)人員的青睞。然而鋼筋在結(jié)構(gòu)中往往會(huì)承受地震水平作用和列車得往復(fù)荷載，而發(fā)生疲勞破壞，所以有必要對(duì)鋼筋疲勞壽命預(yù)測(cè)S-N曲線求解方法和研究現(xiàn)狀進(jìn)行一個(gè)總結(jié)介紹。

2疲勞壽命S-N曲線求解模型

2.1指數(shù)函數(shù)法

指數(shù)函數(shù)法表達(dá)式： （1-1）

兩邊取對(duì)數(shù)有：mSlge+lgN=lgC

整理有：lgN=lgC-（mlge）S （1-2）

式中：e為自然對(duì)數(shù)的底; N疲勞壽命; S為應(yīng)力水平;m和C為試驗(yàn)確定的兩個(gè)常數(shù);

在給定應(yīng)力比R或者平均應(yīng)力 的條件下確定 與N之間指數(shù)函數(shù)關(guān)系。我們可以從式1-2看出S與lgN成線性關(guān)系，故此方法求得的模型一般稱為單對(duì)數(shù)S-N模型。

2.2冪函數(shù)法

冪函數(shù)法表達(dá)式：NSm=C（2-1）

兩邊取對(duì)數(shù)有：mlgS+lgN=lgC

整理有：lgN=lgC-mlgS（2-2）

式中：m和C為試驗(yàn)確定的兩個(gè)常數(shù);在給定應(yīng)力比R或者平均應(yīng)力 的條件下確定 與N之間指數(shù)函數(shù)關(guān)系。我們可以從式2-2看出lgS與lgN成線性關(guān)系，故此方法求得的模型一般稱為雙對(duì)數(shù)S-N曲線。

2.3三參數(shù)冪函數(shù)法

三參數(shù)冪函數(shù)法表達(dá)式： （3-1）

兩邊取對(duì)數(shù)得：

整理得： （3-2）

式中：0擬合疲勞極限;B1、B2、B3 為材料參數(shù)，其中B1=lgC;b2=-m;B3=0;Nf為疲勞壽命;max為最大應(yīng)力;此種方法求出的模型一般稱為三參數(shù)冪函數(shù)S-N曲線;

3高強(qiáng)鋼筋疲勞性能

高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能是眾多學(xué)者的研究方向，在高層和抗震結(jié)構(gòu)中的重要性也是不言而喻的，對(duì)于高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能，學(xué)者們也是做了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。

張耀庭等人0以HRB400鋼筋為試驗(yàn)研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)3根HRB400鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到HRB400鋼筋的基本力學(xué)性能參數(shù)的取值;通過(guò)對(duì)7組試件的等應(yīng)變幅循環(huán)加載試驗(yàn)，得到應(yīng)變幅-疲勞壽命和應(yīng)變幅-強(qiáng)度退化數(shù)值關(guān)系式。

陸鵬雁等人0以HRB500鋼筋為試驗(yàn)研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)HRB500鋼筋進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，利用升降法得到鋼筋在應(yīng)力比R=0.1時(shí)107周次的疲勞強(qiáng)度0.1=587.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般碳素結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)直徑32mm的HRB500鋼筋設(shè)計(jì)3組不同應(yīng)力水平，每組應(yīng)力水平做3次，利用三參數(shù)冪函數(shù)法進(jìn)行非線性擬合得到HRB500鋼筋疲勞壽命S-N曲線方程。通過(guò)對(duì)直徑32mm和22mmHRB500鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)直徑大小對(duì)HRB500的疲勞強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，疲勞強(qiáng)度主要與組成材料的成分及晶體潔凈度有關(guān)。

張少華等人0以HRB500鋼筋和HRBF500鋼筋為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)16mm的HRB500鋼筋和HRBF500鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用荷載控制，等應(yīng)變幅正弦加載，加載頻率為40Hz，設(shè)定的應(yīng)力比R=0.2。利用“雙對(duì)數(shù)-雙折線”模型得到HRB500鋼筋和HRBF500鋼筋的疲勞壽命S-N曲線方程HRBF500鋼筋的疲勞性能略優(yōu)于HRB500鋼筋。

徐慶元等人0以HRB500和HRB400鋼筋為研究對(duì)象，首先參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)試件，疲勞試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5個(gè)應(yīng)力水平，每個(gè)應(yīng)力水平共制作了6個(gè)試件，總計(jì)30個(gè)試件，通過(guò)MTS電子伺服材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)HRB500和HRB400鋼筋進(jìn)行軸向?qū)ΨQ拉伸疲勞試驗(yàn)研究，擬合出了HRB500和HRB400鋼筋S-N曲線和疲勞壽命S-N方程;

4總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，建筑材料的強(qiáng)度也得到了很大的提高，然而在高強(qiáng)鋼筋的設(shè)計(jì)使用中，我們必須得注意高強(qiáng)鋼筋的疲勞性能，鋼筋的累計(jì)疲勞損傷危及結(jié)構(gòu)的安全，所以揭示疲勞損傷規(guī)律，探究其破壞機(jī)理，建立疲勞壽命預(yù)測(cè)模型是很有必要。學(xué)者們對(duì)高強(qiáng)鋼筋疲勞性能的進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，建立了高強(qiáng)鋼筋的疲勞損傷模型和疲勞損傷壽命曲線為高強(qiáng)鋼筋在建筑、橋梁結(jié)構(gòu)中的使用提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張耀庭，趙璧歸，李瑞鴿，杜曉菊.HRB400鋼筋單調(diào)拉伸及低周疲勞性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2016，33（04）：121-129.

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作者簡(jiǎn)介：夏留佳（1997.08——）男，江蘇連云港市人，漢族，碩士研究生，單位：揚(yáng)州大學(xué)，研究方向：纖維復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用。