混凝土結構疲勞全過程分析方法研究

王晟

摘要：工業建筑結構中，在吊車和振動工況下，混凝土結構疲勞破壞是一個長期存在的重要問題，對工程質量和后續維護保養都具有很大影響。隨著社會的發展，對既有廠房進行升級改造，以滿足新的工藝要求中，既有承受往復荷載的構件的疲勞問題，也是一個不容回避的問題?；炷恋钠谶^程發生是個復雜的過程，造成疲勞的因素眾多，強度具有隨機性，為了更好的將鋼筋混凝土結構應用于工程設計，結合各項理論研究數據對混凝土結構疲勞全過程進行分析，從而采取對應的措施對工程建設質量的提高具有重要意義。

關鍵詞：混凝土；結構疲勞；分析應用

隨著經濟的發展，工業建筑中承受吊車荷載和振動荷載的情況越來越多，由于自身構造及外界因素的影響兒出現疲勞破壞引發安全隱患。混凝土是一種重要的應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，尤其混凝土結構長期承受在各種場合下的疲勞負載，隨時間往復諸如使用荷載、超常荷載、日照溫差侵蝕性侵害等反復作用與結構上，在時間與頻率的影響下混凝土所發生的損壞即為疲勞。

1 剩余強度衰減模型在混凝土結構疲勞全過程中的應用

1.1 疲勞方程

在循環荷載作用下開展對混凝土疲勞強度的研究以及混凝土構件的研究是一項具有重要意義的工作，通過對大量工程實例分析我們知道混凝土結構疲勞破壞的規律是：混凝土材料內部在疲勞荷載作用下，隨著產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。由此造成結構具有的抵抗外荷的能力逐步下降，這一過中的程疲勞強度是單調遞減的，它不僅與與加載的應力水平有關和荷載循環次數 有密切關系，疲勞過程中不同材料剩余強度退化規律不同，混凝土材料較常用的是疲勞方程Neɑs=C，該方程回歸實驗數據得到的指數函數方程.其中式中 α 和 C 為材料常數，S 為應力水平，一般為應力幅（Smax=fmax/fc，fmax為疲勞荷載的上限應力，fc為混凝土靜壓強度），也可用最大應力 fmax表示，N 為該應力水平下結構的壽命，對上式兩邊取對數可得單對數表示的疲勞方程：Smax=a+blgN，式中的 a 和 b 為材料常數，通過實驗確定。一般 a>0，b<0，在上限應力 fmax作用下其疲勞壽命為 N。，fc為初始靜壓強度，通過計算得知，混凝土強度在衰減的過程的中，疲勞荷載作用前的剩余強度為靜載極限強度 fc，當其強度因疲勞荷載作用衰減至疲勞荷載上限應力 fmax時，達到混凝土的疲勞壽命 N。，因此，剩余強度衰減的確定性方程需要滿足兩個邊界條件，由此可以測得混凝土剩余強度。

1.2 混凝土結構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場試驗疲勞特性研究工作開展具有耗時較長且較困難因此一般通過采用室內進行試驗完成對水泥混凝土結構疲勞全過程的分析實驗。19世紀末20世紀初到現在各國研究者在應力水平和允許荷載重實中采取了疲勞模型的應用進行測試：

疲勞模型（S為應力水平，Nf為疲勞水平）表

ZeromaintenancelogNf=17.6117.61S

ERES/USACElogNf=2.13S1.2

標準的力學設計疲勞方程logNf=-1.7136S+4.284S>1.25logNf=2.8127S+1.2214S<1.25

Vesic疲勞方程Nf=22500×（1/S）4

ARE疲勞方程Nf=23440S3.21

RISC疲勞方程Nf=22209×（1/S）4.29

Illinois大學的疲勞方程S=1.2968Nf0.0307

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

2 材料對混凝土結構疲勞性能的影響

2.1 混凝土中摻合料對混凝土結構疲勞性能的影響

混凝土找中加入粉煤灰、磨細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性能，從而抑制損傷過程中裂縫發生發展從而延長混凝土疲勞壽命。

2.2 混凝土材料本身的影響

高強混凝土和高性能混凝土的廣泛應用使得混凝土在低應力疲勞負載作用下仍然能將符合使用條件。高強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，同時混凝土的強度和疲勞強度呈現正相關。[2]

3 通過加固改善混凝土結構疲勞影響

3.1 碳纖維加固

碳纖維加固在一定的應力水平下可以提混凝土的抗疲勞強度在疲勞試驗中，撓度增加隨著荷載重復次數增加而減緩緩慢，試驗期間的剛度反映基本保持不變，應力經過荷載循環還是按損傷的形成、穩定擴展和破壞三階段規律發展，其中得到較大延長是中間穩定擴展，構件疲勞裂形態紋通過加入粘貼碳纖維布得到改善，同時構件長度受到膠體填補梁底表面影響出現裂紋的幾率相對相等，原來體系中數目少而粗大的裂紋得到分散，延緩了裂紋擴散進度。可見，正截面疲勞性能通過使用碳纖維布得到改善，在不同的應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度同時，同時在采用鋼補強方法適當時，混凝土裂縫產生時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荷載作用下通常發生跨中的純彎段上，通過粘鋼補強技術的應用，使得疲勞破壞改到發生在梁端附近彎剪作用區，由此可見粘鋼補強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 結語

我們對混凝土結構疲勞全過程進行分析試驗，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，以便在今后工業建筑的結構設計，以及升級改造中，涉及疲勞荷載的情況下的構件的改造加固設計中進行應用。

參考文獻：

[1]趙凱月，王艷，張金團，等.混雜纖維混凝土研究現狀[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研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2017，（12）：128134.