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1、混1凝土疲劳 强度 的 研究 、 , 卜占护 ,乡矛 、, 户七?合于占? 占? 、加? 白铲白宁 、分仑 沙针沙宁少铲台? 钟美秦汪加蔚 (铁道部科学研 究院) , 沙分含介合子 、 , 分沙替 、乡矛 沙分击? 、乡铲 扫介 、乡介 合分含分 ,乡矛 , 分矛合个 【提要】本文综述了重复荷载甘混凝土强度 、 变形等性 能 的影响 , 介绍了采用疲劳变形 增量 来研 究混凝土结构疲劳失效强度的 的方法 , 简述了有 别于静 载破坏模式的疲劳破 坏 模 式 。 l关健词 】混凝土疲劳重 复荷载强度变形 一 、 引言 7 0年代以前 , 混凝土结构的疲劳向题并没 有象钢结构那样受到重视 。 混凝
2、土结构按允许 应力法设计时 , 由于采用的容许应力较低 , 很少 发现混凝土结构因疲劳而破坏的事件 。 但是随 着高强度混凝土和高强度钢筋的采用 , 许多构 件工作于高应力状态 , 此外由于混凝土结构扩 大应用到许多循环次数较多而重复荷载较大的 场合 , 如桥梁 、 轨枕 、 海洋结构 、 压力机构 、 压力容器等 , 因 此混凝土结构的疲劳便成为一 个不可忽视的问题 。 本文根据国内外资料及笔者从事的试验研 究结果 , 对混凝土的疲劳性能及其影响因素 , 用疲劳变形增量来研究混凝土结构疲劳失效强 度的方法 , 以及混凝土结构的疲劳表现等问题 进行论 述 。 二 、 混凝土 的疲劳性能 1 .
3、 皿复荷载对混凝土强度的影晌 一般认为 , 钢材随着重复荷载作用次数N 的增加 , 其疲劳强度逐渐降低 , 但降低到某一 水平后即趋于稳定 , 这一强度值称为钢材的疲 劳极限强度 。 混凝土的强度也随N的增加而降 低 , 但没有稳定值 , 所以无法求得真正的疲劳极 限强度 。 只能根据工程结构中重复荷载可能发 生的实际 次数求得相应的强度 , 铁路桥梁 、 轨 枕等以2 0 。万次为循环基数 。 混凝土的疲劳强度 不只与重复荷载的最大值有关 , 还与荷载特征 有关 , 即重复荷载的下限值a 二,n与上限值a二:x 之比 p值有关 , p称为荷载循环特征系数 。 铁道 部科学研究院曾对轴心抗压强
4、度 f c 分别为 64 . 5 、 7 9 . 4 、 91 . IMPa的混凝土进行N=Zoox 10 次 、 p=。 . 2 情况下的疲劳试验 , 测得其抗 压疲劳极限强度为( 。 . 5 5 。 . 65 ) f c, 试验条 件及静压强度见表 1 , 由表可看 出 , 疲劳试验 后混凝土静压强度有所提高 。 清华大 学对抗压 强度为6 4 8 4 MP a 的高强混凝土在等幅重复荷 载作用下的抗拉疲劳性能进行了试验研究 , 试 验取用的应力上 限水平、 。 : 二 a, : t/ f c二。 . 6 。 . 9 , 应力下限水平与 .。 = a, ,扩fc 二。 . 1, 得结 果为
5、 : 劈拉疲劳强度、 :二 =。 . 9 6 5一o . o5 4 g lN , 轴拉疲劳强度 :。 :x 二 0 . 9 7 0一o . o s olgN多 弯折 疲劳强度 s 。 , 二 二0 . 9 42一o . o 4 5lgN 。 当N等于 2 0 。万 次时 , 高强混凝土抗拉疲劳强度 与相应 的静力强度之比分别为 : 劈拉 0 . 6 2 , 轴拉 0 . 65 , 弯折 0 . 6 6 。 近年来 , 不少 国家的学者都做过高强混凝 土抗压疲劳寿命的试验 。 欧 洲CEB 一 FIP规范 草案( 1 9 90 )中 , 有的学者提出了以回归方程 g l N二C( 卜 与 、x
6、)的形式来表示疲劳寿命与 应力上 限水平的关系 为 : 5 0.。 二0 . 05 , lgN 1 3 . 7Zx ( 1一 , 。 :二 ) 。, n 0 . 2 0 , lgN 16 . 4 sx ( l一 ,。 。 二 ) s。百n = 0 . 3 0 , lgN一1 7 . sox ( 1一 s, 二: ) : 。,。 二0 . 40 , lgN= 2 0 . 6 ox ( 1一 s 。 :、 ) 铁道建筑 工99 台年第9期 一25一 瑞 ;。 = 0 . 60 , lgN一24 . 53x ( z一 s 。 :x ) 也有学者提出混凝土抗压疲劳强度的基本 设计公式为 lgN二C (
7、 l+ 205。 ; n + 55、 ,。 ) x ( 1一 s m 。: ) , 但是 , 这一公式只在N 20 0 万次 范围内有效 , 超过这一限值时需要再乘上一个 修正 系数 , 该系数用 下式计算 : 1+0 . Z x ( IgN 一6 ) 关于 受拉混凝土 , C E B 混凝土结构的疲 劳( 195 5) 中著有e Tpfe r e ( 29 7。) 作T多次立方 体劈裂试验 , 把疲劳应力与静应 力联系起来 , 两 种应力有相同的分布 , 因此两种情况下的破坏 都由分布中的最大拉应力开始 。 这些试验显示 了混凝土在拉应力下对疲劳的敏感程度 , 一般 可用与压应力作用下相似的
8、表达式来描述 : a 二: /f e,p, 二1一夕(z一R)lgN 式中 : 刀 材料常数 , 推荐使用刀二 。 。68 5 , R= a二,扩a。 。 、 (应力比) ; f 。,:t n 混凝土劈裂抗拉强度平均值 。 195 3年Saito和Imai采 用 d 。 。x 二 Zom m碎 石集料的普通混凝土 , 在加荷频率为4H z 、 最 小应力。 n I:。 为 o . osf cr。 时纯拉疲劳试验结 果 所 得的S 一 N曲线 , 当破坏概率P二。 . 5时 , 遵循 下列公式 : lgN二23 . ge一24 . 27a 。 : x / f cr。 ( a。, n = 0 .
9、osf 。,m ) 式 中 : f 。:。 混凝土抗拉强度平均值 。 2 . 盆,有毅对混凝土残杂变形的形晌 止止 _ 阵扮一 一 口一一一一 一 图 1 荷载重复次数对混 凝土 残余变形的影响 铁道部科学研究院进行了不 同应力上限及 不同加载次数对混凝土疲劳残余变形的影响试 验 。 试验结果见表 2 、 表 3及图1 。 由图 1可见 , 荷载重复初期残余变形发展很快 , 而后随重复 次数 的增加 , 残余变形发展渐 慢 。 如K8 1混凝 土 , 荷载重复5 0 万次的残余变形约 为 20 0 万 次 后残余变形的8 0% 。 由表2可见 , 随着重复应 力上限 an t 二的增大 , 残
10、余变形增 大 。 由H2 8一 1的试验结果还可看出, 当重复荷载与重复次 数均增大时 , 混凝土残余变形增大更甚 。 3 . 用疲劳变形增t来研究混凝 土 结构的 疲劳失效强度 混凝土是一种原始存在大量微缺 陷的材 料 , 在重复应力的作用下这些缺陷逐渐扩展而 影响混凝土的耐久性 。 因此即使混凝土尚未达 裹1言强度热报土盛劳后的静压强度 嘴纠 竺 别 一翼 墨月 1一二兰里竺兰兰一1 40 。 0(0 。 b IC)l 月2吕一 ox0 x 3D 一里华竿华匕 一二竺立一一一止止竺兰翌匕一匕 一二竺兰一一一上止竺竺兰生一土一 月2 吕一4 . 1 ox ox“ o 一!. 44 o ( 。
11、 “ 5c) K“ , 8 . ,x8 . 7x 3。 ! 2 . ” ( 。 . 65 , 止塑二一-匕兰兰一卫一止竺竺翌竺 七长一z 了x了xZ 54 7 (” 6ofc ) l 静压强度 (MP a ) 未疲劳 f c 疲劳后f 产c f 尹 e /f e 未做 静载 一 2尽 一 铁道建筑 19 9 6年第。期 衰 2 ,妞衡旅上限位对滋盆土应劳晚余安形的形晌 H2 8Ks l ! 111 - lrlll !1 111 ! l ! j ! 1 1 配合比编号 试件编号 应力上 限口。 。: (MP a ) 重复次数N ( xlo ) 累计重复次数N( x10 ) 残余应变 。 r (
12、I 。 ) 混凝土龄期(天 ) H2 8一 l H28一 2 H2 8一 3 H8 1一12 0 . sfe5 5f e 0 . 通fe 5 5fe0 . 6 5f e ! I l t ll l 一 ! l ! 裹 3 荷峨皿妞次教对混凝土班余变形的形晌 累计重复次数N( x一。 ) 残余应变 。: ( “。 ) 静压瞬时 变形模量 E( x10 )M P a 84 。 9 8 5 。厂6 ! 111 1 11 ! 1 1 1 ! 1 11 1 ! 1 1 1 1 . . . . tl ! ! 注:此表为K8 1试验结果 。 试件尺寸 8 .了 x 8 . 7x 3c 0口 , O二 1 =
13、6 5fe , f e二64 . SMP a 。 到最终的破损状态 , 其耐久性已有很大降低 , 不能再安全使用 。 根据这一思路 , 许多学者提 出了混凝土 的内部损伤达到一定程度后作为混 凝土在重复应力作用下失效的判据 。 有学者认 为 “ 可以利用混凝土极限应变作为混凝土的疲 劳破坏准则 加, 有的则认为 “ 可以取混凝土裂缝 失稳扩展时的临界裂缝长度或此时混凝土的纵 向总应变作为判断混凝土破坏的疲劳 破 坏准 则 。 而混凝土的纵向 总应变是由弹性应变和 疲劳应变增量两部分叠加组成 , 如图 2所示 。 为 了便于在实际 设计分析中应用 , 铁道部科学 研究 院姚明初研究员提出 : 可
14、将混凝土在重复 应力下的疲劳变形增量 。 :,: : 作为疲劳失效的 判据 。 混凝土在等幅重复应力作用下纵向变形不 断增加 , 通过对现有混凝土试验资料的分析 , 可以认为 当混凝土在等幅重复应力下的累积疲 劳变形增量 。 。,f: t 达到。 . 4f 。 的静载压缩 变 形 时 , 混凝土已有严重损伤 , 不再能有效地使用 , 也就是说 , 可将下列公式作为混凝土在重复应 力作用 下疲劳失效的判据 : 。 。,f: ) 0 . 4j 。 /万 。 式中E 。 为混凝土静压弹性模量 咬 卜 厂 c亡。 6川“ 且竺鱼一一 乙艺 , 儿 痴i n 图 2 根据试验结果并通过公式变 换 , 得
15、C2 0 C6 o级混凝土疲劳强度折减系数的估算公式如 下 : 份 一 扮 + ( ,一 韶) , 。卜 o 0 7 4lgN ) 根据上式 , 可列出C2 0 C6 0 级混凝土在不 同应力下限水平f m,扩fc 与不同循环次数N 的 情况下 , 等幅重复应力下的疲劳强度折减系数 f 二 : x /了 。 列于表 4 。 混凝土结构实际应用时往往是承受变幅重 复荷载 , 这时可将混凝土变幅重复应力变换为 铁道建筑 王9 96年第。期 一27- 混凝土疲劳强度析减系橄 f 。 : 声 。 f 。,。 /f e n O 亡门 O盛U一U 一 nUU 循环次数 ZX10. 5X10. 。 . 7
16、2 1 0 . , 54 Q一6 6 6 J 0 . 70 . 0 . 74 口 今 . 一一t一O一。 司 弓 . 么又一|一| 一 一 等效等幅重复应力 , 并以累积疲劳变形 。 。, ,: 达 到0 . f 4c / E c, 即认为混凝土达到疲劳失效 。 4 . 宜复荷载对混凝土瞬时变形模t的影 晌 铁道部科学研究院在进行重复荷载对混凝 土残余变形的影响试验的同时 , 进行了重复荷 载对混凝土瞬时变形模量的影响试验 。 需要说 明的是 , K8 1 一1 2变形模量的加荷应 力 为 o . 4f 。, 而H2 8 、 GR试件瞬时变形模量的加荷 应力均同于重复荷载上限 , 试验结果列 于表 3 、 表 5及图3 。 试验 结 果表明 , 无论何种混鲜 土 , 在任何龄期下进行疲劳试验 , 其疲劳后的 静压变形
