鋼筋混凝土結構的疲勞性能研究綜述

徐雙瓊

鋼筋混凝土結構通常主要承受靜載作用,但在實際工程中還有許多結構,除了承受靜載作用外,還要經常承受重復循環荷載作用。1898年Considere[1]和De Joly[2]對水泥砂漿試件的疲勞問題進行了最早的研究;進入20世紀20年代,由于公路的發展,混凝土路面的抗折疲勞性能進一步引起了人們對混凝土疲勞性能的研究興趣。

1 混凝土結構疲勞的概念及內容

鋼筋混凝土結構的疲勞破壞是在反復荷載作用下損傷不斷累積,承載力逐漸降低直至喪失的過程,其疲勞性能與構件的材料(混凝土和鋼筋)性能和它們之間的連接密切相關。混凝土結構疲勞性能的研究可分為兩個階段:第一階段主要是著眼于混凝土結構疲勞破壞的極限狀態;第二階段是疲勞損傷全過程衰減規律。

2 特殊環境下混凝土結構的疲勞性能

2.1 凍融環境下結構的疲勞

對于實際工程中的預應力混凝土結構,在長期的凍融損傷環境下,預應力結構產生了微損傷。因此這些結構在驗算其在反復荷載作用下的疲勞能力時,應該考慮在凍融損傷環境下的疲勞。劉榮貴等[3]通過實驗得出曲線,見圖1。

2.2 腐蝕環境下結構的疲勞

腐蝕環境下結構的疲勞稱為腐蝕疲勞[4]。腐蝕疲勞現象早在1917年就已由Haigh首先提出,后來 E-vans V.R.認為它是工程實踐的一個很重要的問題。所以對于承受反復荷載作用的鋼筋混凝土構件,存在著疲勞和腐蝕的雙重累積損傷[5]。

3 混凝土結構的疲勞壽命分析

混凝土結構的疲勞壽命,是研究混凝土結構疲勞性能的一個重要指標。1944年吳佩剛提出同時考慮疲勞試驗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]并給出多級加載下的疲勞壽命預測公式;1967年Manson在修正Miner準則時提出著名的雙線性準則[7]并給出兩級疲勞加載時的疲勞壽命預測公式;大連理工大學也進一步的給出了剩余疲勞壽命的預測動力系統[9]等等。由此表明疲勞壽命的預測分析一直是疲勞試驗關注的重點,同時我國在這方面的研究也在不斷的進步中。孔憲途等[10]提出了P—S—N曲線的概念,或稱為根據應力與壽命關系作出的失效概率曲線族。同時進行了載荷與壽命關系的試驗,試驗數據見表1。李士彬等[11]通過混凝土梁的低周疲勞破壞試驗,建立了疲勞壽命與動態模量之間關系的數學模型,提出了通過較少循環的試驗結果來預測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,提出了基于積分混凝土的疲勞裂紋擴展率工程計算方法,推導出了D-M模型下的混凝土疲勞壽命工程計算公式,并得出了混凝土疲勞壽命的尺寸效應。

表1 混凝土不同負荷下的疲勞試驗數據

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用,摻磨礦物摻合料的混凝土不可避免地應用于各種承受疲勞荷載作用的結構。納米壓痕測試表明,礦物摻合料減少了基體和界面過渡區在力學性能上的差異,相對提高了界面過渡區抵抗荷載作用及抑制粘結裂縫發生、擴展的能力,延緩損傷在界面過渡區的發展、累積過程,從而改善混凝土的疲勞性能。鄭克仁等[13]通過試驗得出曲線,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與應力水平S有關。

4.2 FRP混凝土結構

FRP材料用于混凝土結構主要有兩種形式:1)直接應用于新建結構中;2)用于對既有結構的維修加固。用于新建結構時,非預應力FRP混凝土結構的抗疲勞性能較好,疲勞加載應力水平對結構的疲勞壽命影響較大。東南大學的朱虹等[14]對體外預應力AFRP筋加固RC梁的抗彎疲勞性能進行了研究,表明體外預應力AFRP筋加固混凝土梁的疲勞性能良好。Bizindayi L等[15]還對FRP與混凝土界面的疲勞性能進行了研究,結果表明FRP混凝土結構的疲勞性能優于鋼筋混凝土結構。

4.3 纖維混凝土技術

1)聚丙烯腈纖維混凝土。聚丙烯腈纖維混凝土技術是隨著高性能混凝土技術的發展應運而生的。劉鳳茹等[16]的試驗說明對動力荷載作用下的結構,聚丙烯腈纖維能發揮更大的效果。而且聚丙烯腈纖維混凝土具有優良的彎曲疲勞性能,尤其在高應力比下,與普通混凝土相比,疲勞壽命可成倍增長。

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世紀末的新型增強增韌材料。鄧宗才等[17]對異型粗合成纖維(聚丙烯與聚乙烯的復合體)進行試驗,得出當τ≤0.800時,異型粗合成纖維對混凝土疲勞壽命的改善顯著優于鋼纖維;但當τ≥0.800時,鋼纖維混凝土疲勞壽命優于異型粗合成纖維混凝土;高應力水平下,且兩端變大的啞鈴形鋼纖維不容易與混凝土發生脫粘拔出破壞。

5 結語

文章概述了混凝土結構疲勞的定義及特殊環境下的混凝土結構的疲勞性能,同時簡述了混凝土結構疲勞壽命的預測方法和提高混凝土結構疲勞性能的措施。當然,混凝土結構疲勞性能的研究還有很多需要關注的問題:1)有必要建立完整的關于吊車梁、火車車輛、海洋平臺、鐵路車輛的荷載譜,為可靠度分析提供基礎。2)應注重研究混凝土結構的多軸疲勞,變幅疲勞和隨機變幅疲勞等。3)加深混凝土結構疲勞的理論分析,如疲勞本構模型、疲勞累積損傷模型、概率理論及可靠度分析。

[1] Considere M.Influence des armatures metalligues sur lesproprietes des mortiers et betons[J].Compte Rendu de l′academie Des Sciences,1898(127):992-995.

[2] De Joly.La resistance et l′elastic des ciments porland[J].Annales Des Ponts et Chausses,Memoires,1898,16(7):198-244.

[3] 劉榮桂,高 嵩.預應力混凝土在凍融作用下的疲勞性能分析及可靠度研究[J].混凝土,2009(11):10-13.

[4] 彭修寧,韋樹英.腐蝕環境下混凝土結構疲勞性能研究綜述[J].廣西大學學報,2003,28(4):347-350.

[5] 貢金鑫,趙國藩.腐蝕環境下鋼筋混凝土結構疲勞可靠度的分析方法[J].土木工程學報,2000,33(6):50-56.

[6] Corten H T,Dolan T L.Cumulative fatigue damage[J].Proceed of the Inter.Confer on Fatigue of Materials,IME and ASME,1956(5):47.

[7] Manson S S.Application of a double linear damage rule to cumulative fatigue[J].ASTM STP 415,1967(8):71-72.

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[10] 孔憲途,徐人平.混凝土疲勞壽命P—S—N曲線的試驗[J].江南大學學報,2009,8(3):327-330.

[11] 李士彬,朱慈勉.由剛度衰減規律預測混凝土梁疲勞壽命的試驗研究[J].建筑結構,2006,36(2):51-54.

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[13] 鄭克仁,孫 偉.礦物摻和料對混凝土疲勞性能的影響[J].建筑材料學報,2007,10(4):379-385.

[14] 朱 虹,張繼文,呂志濤.體外預應力 AFRP筋RC梁的實驗研究與設計方法[A].第二屆全國公路科技創新高層論壇文集[C].2004.

[15] Bizindayi L,Neale K W,Erki M A.Experimental Investigation of Bonded Fiber Reinforced Polymer-Concrete Joints under Cyclic Loading[J].Journal of Composites for Construction,2003,7(2):24-25.

[16] 劉鳳茹,張海文.纖維增強塑料(FRP)混凝土結構疲勞性能研究進展[J].公路,2006(4):81-85.

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