钢筋混凝土结构的疲劳性能研究综述

徐双琼

钢筋混凝土结构通常主要承受静载作用,但在实际工程中还有许多结构,除了承受静载作用外,还要经常承受重复循环荷载作用。1898年Considere[1]和De Joly[2]对水泥砂浆试件的疲劳问题进行了最早的研究;进入20世纪20年代,由于公路的发展,混凝土路面的抗折疲劳性能进一步引起了人们对混凝土疲劳性能的研究兴趣。

1 混凝土结构疲劳的概念及内容

钢筋混凝土结构的疲劳破坏是在反复荷载作用下损伤不断累积,承载力逐渐降低直至丧失的过程,其疲劳性能与构件的材料(混凝土和钢筋)性能和它们之间的连接密切相关。混凝土结构疲劳性能的研究可分为两个阶段:第一阶段主要是着眼于混凝土结构疲劳破坏的极限状态;第二阶段是疲劳损伤全过程衰减规律。

2 特殊环境下混凝土结构的疲劳性能

2.1 冻融环境下结构的疲劳

对于实际工程中的预应力混凝土结构,在长期的冻融损伤环境下,预应力结构产生了微损伤。因此这些结构在验算其在反复荷载作用下的疲劳能力时,应该考虑在冻融损伤环境下的疲劳。刘荣贵等[3]通过实验得出曲线,见图1。

2.2 腐蚀环境下结构的疲劳

腐蚀环境下结构的疲劳称为腐蚀疲劳[4]。腐蚀疲劳现象早在1917年就已由Haigh首先提出,后来 E-vans V.R.认为它是工程实践的一个很重要的问题。所以对于承受反复荷载作用的钢筋混凝土构件,存在着疲劳和腐蚀的双重累积损伤[5]。

3 混凝土结构的疲劳寿命分析

混凝土结构的疲劳寿命,是研究混凝土结构疲劳性能的一个重要指标。1944年吴佩刚提出同时考虑疲劳试验离散型和加载顺序影响的修正线性疲劳累积损伤公式[8];1956年Corten提出Corten-Dolan模型[6]并给出多级加载下的疲劳寿命预测公式;1967年Manson在修正Miner准则时提出著名的双线性准则[7]并给出两级疲劳加载时的疲劳寿命预测公式;大连理工大学也进一步的给出了剩余疲劳寿命的预测动力系统[9]等等。由此表明疲劳寿命的预测分析一直是疲劳试验关注的重点,同时我国在这方面的研究也在不断的进步中。孔宪途等[10]提出了P—S—N曲线的概念,或称为根据应力与寿命关系作出的失效概率曲线族。同时进行了载荷与寿命关系的试验,试验数据见表1。李士彬等[11]通过混凝土梁的低周疲劳破坏试验,建立了疲劳寿命与动态模量之间关系的数学模型,提出了通过较少循环的试验结果来预测混凝土梁疲劳寿命的方法。殷波等[12]以弹塑性断裂理论为基础,提出了基于积分混凝土的疲劳裂纹扩展率工程计算方法,推导出了D-M模型下的混凝土疲劳寿命工程计算公式,并得出了混凝土疲劳寿命的尺寸效应。

表1 混凝土不同负荷下的疲劳试验数据

4 提高混凝土疲劳性能的措施

4.1 掺磨矿物掺合料

随矿物掺合料的广泛应用,掺磨矿物掺合料的混凝土不可避免地应用于各种承受疲劳荷载作用的结构。纳米压痕测试表明,矿物掺合料减少了基体和界面过渡区在力学性能上的差异,相对提高了界面过渡区抵抗荷载作用及抑制粘结裂缝发生、扩展的能力,延缓损伤在界面过渡区的发展、累积过程,从而改善混凝土的疲劳性能。郑克仁等[13]通过试验得出曲线,由不同矿物掺合料的掺量和疲劳寿命曲线可知,混凝土疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平S有关。

4.2 FRP混凝土结构

FRP材料用于混凝土结构主要有两种形式:1)直接应用于新建结构中;2)用于对既有结构的维修加固。用于新建结构时,非预应力FRP混凝土结构的抗疲劳性能较好,疲劳加载应力水平对结构的疲劳寿命影响较大。东南大学的朱虹等[14]对体外预应力AFRP筋加固RC梁的抗弯疲劳性能进行了研究,表明体外预应力AFRP筋加固混凝土梁的疲劳性能良好。Bizindayi L等[15]还对FRP与混凝土界面的疲劳性能进行了研究,结果表明FRP混凝土结构的疲劳性能优于钢筋混凝土结构。

4.3 纤维混凝土技术

1)聚丙烯腈纤维混凝土。聚丙烯腈纤维混凝土技术是随着高性能混凝土技术的发展应运而生的。刘凤茹等[16]的试验说明对动力荷载作用下的结构,聚丙烯腈纤维能发挥更大的效果。而且聚丙烯腈纤维混凝土具有优良的弯曲疲劳性能,尤其在高应力比下,与普通混凝土相比,疲劳寿命可成倍增长。

2)粗合成纤维混凝土。粗合成纤维(直径大于0.1 mm的合成纤维)是一种兴起于20世纪末的新型增强增韧材料。邓宗才等[17]对异型粗合成纤维(聚丙烯与聚乙烯的复合体)进行试验,得出当τ≤0.800时,异型粗合成纤维对混凝土疲劳寿命的改善显著优于钢纤维;但当τ≥0.800时,钢纤维混凝土疲劳寿命优于异型粗合成纤维混凝土;高应力水平下,且两端变大的哑铃形钢纤维不容易与混凝土发生脱粘拔出破坏。

5 结语

文章概述了混凝土结构疲劳的定义及特殊环境下的混凝土结构的疲劳性能,同时简述了混凝土结构疲劳寿命的预测方法和提高混凝土结构疲劳性能的措施。当然,混凝土结构疲劳性能的研究还有很多需要关注的问题:1)有必要建立完整的关于吊车梁、火车车辆、海洋平台、铁路车辆的荷载谱,为可靠度分析提供基础。2)应注重研究混凝土结构的多轴疲劳,变幅疲劳和随机变幅疲劳等。3)加深混凝土结构疲劳的理论分析,如疲劳本构模型、疲劳累积损伤模型、概率理论及可靠度分析。

[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] 刘荣桂,高 嵩.预应力混凝土在冻融作用下的疲劳性能分析及可靠度研究[J].混凝土,2009(11):10-13.

[4] 彭修宁,韦树英.腐蚀环境下混凝土结构疲劳性能研究综述[J].广西大学学报,2003,28(4):347-350.

[5] 贡金鑫,赵国藩.腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的分析方法[J].土木工程学报,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.

[8] 吴佩刚,赵光仪.高强混凝土抗压疲劳性能研究[J].土木工程学报,1994(6):33-40.

[9] 曹 伟,宋玉普.多级加载下混凝土疲劳剩余寿命预测新方法[J].大连理工大学学报,2003,43(5):659-662.

[10] 孔宪途,徐人平.混凝土疲劳寿命P—S—N曲线的试验[J].江南大学学报,2009,8(3):327-330.

[11] 李士彬,朱慈勉.由刚度衰减规律预测混凝土梁疲劳寿命的试验研究[J].建筑结构,2006,36(2):51-54.

[12] 殷 波,赵吉坤.混凝土结构疲劳寿命的尺寸效应研究[J].东北水利水电,2004,22(241):1-3.

[13] 郑克仁,孙 伟.矿物掺和料对混凝土疲劳性能的影响[J].建筑材料学报,2007,10(4):379-385.

[14] 朱 虹,张继文,吕志涛.体外预应力 AFRP筋RC梁的实验研究与设计方法[A].第二届全国公路科技创新高层论坛文集[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] 刘凤茹,张海文.纤维增强塑料(FRP)混凝土结构疲劳性能研究进展[J].公路,2006(4):81-85.

[17] 邓宗才,李建辉.粗合成纤维混凝土抗弯韧性及疲劳特性试验研究[J].新型建筑材料,2006(7):8-10.