混凝土受拉疲勞試件的有限元分析

常秋影

（長春建筑學院，吉林 長春 130607）

1 研究的目的和意義

由于目前混凝土疲勞研究尚沒有標準的試驗設備等硬件設施，因此試驗中試件的形式也多種多樣，而試件形狀尺寸的選擇與設計也是試驗結果精確與否的關鍵技術之一。本文以國家自然科學基金資助項目《混凝土多軸疲勞破壞準則》（50078010）的試驗研究為背景，對該項目在混凝土受拉疲勞試驗研究中使用的變截面棱柱體試件，以及本文提出的圓柱體試件進行有限元分析，指出兩種受拉疲勞試件在設計及試驗中所存在的問題并給出合理建議。兩種試件均為兩端局部大頭的形式，形狀及幾何尺寸見圖1。

圖1 試件形狀及幾何尺寸

2 試件的有限元對比分析

采用軟件ANSYS分別對上述兩種試件進行單軸靜態受拉有限元分析，在材料屬性、邊界條件均相同的情況下，分別在兩種試件上施加大小相同的軸向均布荷載0.3MPa（拉力），分析結果如圖2、圖3所示。

圖2 試件a有限元分析結果

圖3 試件b有限元分析結果

由圖2、圖3的有限元分析結果可見，兩種試件靜態受拉產生的軸向最大應力、應變均出現在變截面附近，而混凝土受拉疲勞破壞試驗中理想的破壞位置是在試件的中間區域。

一方面，理論研究中難以找到合適形式的拉伸試驗模型，從而導致試驗中失敗的試件較多，不得不增加試件的樣本量。另一方面，試驗中也確實可以觀測到一些試件的受拉疲勞破壞的位置在中部或者其他部位，這與混凝土疲勞破壞的細觀結構有關，比如孔隙、微裂縫、密實度不均勻、粗骨料分布不均勻等因素。

在混凝土受拉疲勞破壞試驗中，最理想的試驗形式是采用直接拉伸的方法，這樣在試件的橫截面上分布的拉應力都是明確且均勻分布的。在試驗中為了實現對混凝土試件的直接拉伸，常用的有四種方法：（1）放大試件端部；（2）試件兩端嵌入鋼筋；（3）用膠粘；（4）用摩擦錨夾。

等截面棱柱體一般采用膠結或帶有單根預埋件的形式，這會在粘貼及預埋部位造成截面削弱，且不能保證物理對中；采用錨夾具有時會產生滑移，不易控制位移，施加外力也不易控制，很難達到理想的試驗效果。而采用變截面試件則能保證預埋鋼筋后試件端部的強度，不會對試件其他部位的強度造成影響。

結語

綜上所述，本文建議在混凝土受拉疲勞試驗中采用變截面兩端局部大頭的試件形式，但是截面變化宜緩，當然這樣帶來的問題是加大試件在拉伸方向的尺寸，從而要求疲勞試驗設備相應的參數也要加大，導致整個系統的剛度會下降。同時，兩端局部大頭的預埋件也不宜采用單根預埋件，應采用多根預埋件，以確保試驗過程中的物理對中。試件的形式和尺寸與加載方式和效果直接相關，與靜力拉伸試驗一樣，混凝土受拉疲勞試驗中試件形狀尺寸的選擇與設計既是難點，也是值得研究的一個關鍵問題。

趙東拂.混凝土多軸疲勞破壞準則研究[D]. 大連理工大學博士論文,2003.