不同混凝土构件疲劳性能研究现状

(天津市建筑工程职工大学，天津 300070)

1 钢筋混凝土构件疲劳性能研究

1.1 混凝土疲劳性能研究

对于已建设的混凝土工程，其中大部分结构不仅要承受一般的静荷载，还要经常承受重复动荷载作用，如公路桥梁、海洋钻井平台和厂房吊车梁等。随着高强材料不断应用于结构工程中以及结构设计方法不断改进，使得结构承受静载的比例相对较低，而对于在振动荷载下的疲劳损伤问题就会显得尤为突出。

目前有关构件中混凝土的疲劳分析一般概括为三个视角：简单应力状态的混凝土疲劳分析、复杂应力状态的疲劳分析以及考虑温度、腐蚀等环境因素的疲劳分析。承受简单应力时，可以概括为混凝土的轴压、拉-压、轴拉、弯-拉疲劳性能的分析；对于复杂应力状态的试验，一般概括为混凝土的复合疲劳和周围约束实际存在的拉-压疲劳试验。然而工程中，构件的混凝土疲劳一般指压应力状态的疲劳。对于考虑环境因素的疲劳相对研究较少。

国内外学者对于混凝土单向受压疲劳的研究主要以立方体、圆柱体、棱柱体为主，从混凝土受重复荷载后的应变、变形模量和滞回曲线等方面来分析其受力性能，根据混凝土疲劳荷载施加次数和应力幅值、应力之比的对应，绘制应力-寿命曲线，得到S-N方程，进而得到承受疲劳荷载的混凝土疲劳抗压极限。

Aas-Jakobsen通过将混凝土进行重复疲劳荷载后，建立最大应力水平和荷载循环次数的直线Wohler方程：

Smax=1-β(1-R)lgN

(1.1)

式中：Smax为最大加载应力比；N为加载次数；R为应力比，R=fmin/fmax；fmin，fmax分别为最大应力与最小应力；β为材料常数，取为0.064。

在等幅循环荷载下对高强梁开展抗弯疲劳试验，通过对梁的疲劳刚度、裂缝宽度开展规律及挠度的分析，发现使用高强材料的梁体混凝土应变会增加较快，疲劳刚度在最初变化迅速，稍后会基本稳定。经过循环荷载的施加，中和轴位置在过程中保持基本一致，混凝土正截面平均应变仍遵循平截面假定。

文献为了解混凝土轴向受拉状态的疲劳性能分别开展了循环荷载作用下的等应力幅及变应力幅试验，得出混凝土残余应变在发生疲劳破坏之前相对集中，处于23με-33με范围，并认为当残余应变积累到25.2με时即可以认为发生轴向疲劳失效。

混凝土承受交变的拉-压荷载时，其疲劳寿命不随应力的改变而变化，这是最初部分学者的观点。但是Zhang等进行混凝土单轴交变的拉-压疲劳试验后，发现疲劳寿命因为反向应力的存在减小明显，以此提出混凝土交变应力疲劳S-N方程：

lgN=9.36-7.93ftmax/ft-2.59fcmin/fc

(1.2)

宋玉普等同样开展了砼交变拉-压荷载试验，结果表明，反向应力使其疲劳寿命明显减小，当最小压应力fcmin=0.1fc和fcmin=0.2fc时，拉-压双向疲劳强度相对轴拉时强度减小20%和27%。

朱劲松和曹伟等分别进行混凝土的定侧压双轴拉-压和三轴拉-压疲劳分析，研究结果表明，侧应力水平对固定侧压下的混凝土双轴破坏形式没有影响，定侧压能使疲劳强度减小，侧压的增大使疲劳强度减小显著。

混凝土应力-应变曲线在不同应力水平下具有不同表现形式。在疲劳应力小于(0.3～0.5)fcu时，混凝土试件每次卸载都残余少量塑性变形。当重复应力大于(0.5～0.7)fcu时，伴随疲劳次数的递增，塑性应变不断累积，最终造成混凝土发生疲劳破坏。

1.2 钢筋疲劳性能研究

混凝土结构是建筑的主要结构形式，随着对混凝土用钢筋需求的不断增加，钢筋的力学性能测试逐渐受到了研究人员的关注。由于钢筋混凝土构件使用环境的多样性，对钢筋力学性能的要求也逐渐增多，除了拉伸、松弛指标外，钢筋的安全使用寿命是近年来主要考察的内容之一。采用应力控制的方法对材料的疲劳性能进行检测是得到安全使用寿命的基础。

大量研究显示，钢筋的疲劳断裂是大部分构件发生疲劳失效的关键因素。对于长期处于重复荷载状态下的预应力混凝土结构，例如，公路桥梁、铁路轨枕、海洋钻井平台等，一般使用同时配置普通钢筋和预应力筋的混合配筋形式。试验结果显示，其主要失效模式之一即疲劳破坏，普通钢筋的疲劳破坏是其破坏的主要标志。目前，对于普通钢筋的分析方法主要有：对钢筋自身材料性能的试验，可以随机取一段均质钢筋进行试验；另外一种常见的方法是将普通钢筋浇筑在混凝土中进行疲劳试验，该方法能够将钢筋在混凝土中的实际工作性能较真实地反映出来。

关于普通钢筋的疲劳性能发达国家在早期展开了相当多的试验研究，例如Haibach认为钢筋的疲劳性能可表示为：

ΔσmN=K

(1.3)

Buton于1965年将36根试验梁内变形钢筋分别在三种不同应力幅度作用下进行了疲劳性能试验研究，钢筋最小应力在试验过程中保持不变。结果显示，其疲劳强度和应力幅呈负相关；观察发现，钢筋的破坏位置也就是最大应力处即钢筋纵助与横助相交的根部。随后有学者于1974对各类钢筋的疲劳性能开展综述分析，采用353根梁试件进行了疲劳试验，总结了包括应力幅值以及钢筋材料基本状况在内的多项决定其疲劳性能的因素。根据现有的大量疲劳试验结果，得出承受重复荷载的梁内受弯钢筋设计的应力幅公式为：

Δσs=145-0.33σs,min+55(rs/hs)

(1.4)

冯秀峰等认为预应力梁中钢筋在承受疲劳荷载时会发生应力重分布。通过将同时配置非预应力钢筋和钢绞线的预应力T型构件开展疲劳试验，得出初始阶段，两类钢筋的应变大致相等，其应力同时递增；混凝土的开裂致使普通钢筋应力增速变大，它们的应力幅之比Δσp/Δσs基本遵循“三阶段”变化，在第二阶段中Δσp/Δσs变化范围较小，大致在0.6～0.7之间，均值约为0.653。

宋玉普等采用12片后张法有粘结部分预应力构件进行疲劳分析。试验结果显示，部分预应力梁疲劳破坏是由于受拉区普通钢筋中某一根首先疲劳断裂，进而导致预应力钢筋应力迅速增长以至疲劳破坏，梁退出工作。在较低加载次数(0至10万次)内，重复加载次数增加，预应力钢筋应力提高值变化较小。加载循环至一定数值，两种钢筋应力增长量基本保持不变。构件开裂后，继续施加重复荷载，由于有效预应力不断降低以及粘结性能减弱，两类钢筋的应力幅值表现为不均衡增长，最终造成非同时破坏。

2 预应力构件疲劳性能研究

为研究结构的疲劳寿命和其构成材料疲劳强度的关系，不少学者进行了不同实体结构疲劳试验。1934年弗氏对钢筋混凝土和预应力混凝土电杆开展疲劳试验，1946年英国Abeles系统地研究了部分预应力梁的疲劳相关性能。五十年代以后开展的研究表明，构件在超过其开裂荷载的重复荷载作用下，存在小于其静载极限时失效的可能。美国对工字梁疲劳试验表明，构件疲劳寿命小于根据其钢绞线承受循环荷载下强度的估算值。英国对有粘结的后张工字梁做了抗弯疲劳试验，发现配筋率较低截面在较高荷载幅值下，或超配筋承受较低荷载幅值作用时，结构混凝土抗压疲劳破坏出现几率较大。这就充分说明重复荷载可导致结构材料的疲劳破坏，材料以及构件的疲劳是关系到结构安全的一个不可忽视的问题。

上述研究表明，为充分研究结构的疲劳性能，除重点研究结构材料的疲劳特性外，还要研究实体结构的抗疲劳特性。

唐铁汉于1983年对20根部分预应力混凝土受拉试件进行分别做了静载或疲劳试验，以此来研究部分预应力构件(包括受弯梁、受拉吊杆、桁架受拉腹杆以及斜拉桥刚性缆索等)拉区的疲劳特性。试验结果体现了受拉区砼、预应力以及普通钢筋共同抵抗重复荷载的综合特性。施荷方法也体现出部分预应力构件承受重复荷载时，由于裂缝反复张开闭合，致使钢筋应力呈现反复突增。由此造成受拉构件的预应力钢筋先于普通钢筋疲劳失效。部分预应力构件非预应力钢筋疲劳特性，与普通构件钢筋相比，由于存在较大压应力储备，抗疲劳性能会相应增强。

罗小勇等进行了普通梁以及无粘结部分预应力梁的疲劳分析,主要分析承受循环荷载作用时受弯试件的钢筋应变、混凝土应变、刚度等变化规律。结果表明，普通钢筋的承载能力决定着无粘结预应力试件的疲劳承载能力，并且试件刚度因荷载循环施加退化显著。

3 腐蚀构件疲劳性能研究

腐蚀构件包括预先腐蚀及过程腐蚀两种构件。该项研究针对两种情况下的试件疲劳开展。交变应力和腐蚀因素同时作用于结构使其发生破坏，称作腐蚀疲劳。通常状态，混凝土构件疲劳寿命因腐蚀因素的存在下降显著。

Fang等采用腐蚀后的钢筋开展拉拔试验，研究显示，低腐蚀率钢筋在无侧向约束时，钢筋腐蚀能增大疲劳粘结力，然而腐蚀率加大并不能使粘结性能相应提高；若构件具有可靠侧向约束，其材料间的粘结力不因钢筋腐蚀而产生变化。高腐蚀率钢筋在加载初始阶段产生粘结力减小的现象，随后腐蚀作用逐渐降低。

王海超先后采用人工腐蚀后的梁试件开展静载和疲劳试验，得出低腐蚀率下梁试件的静承载力没有明显降低，但在高周疲劳荷载下，钢筋混凝土梁承载能力会急剧下降，并且其疲劳寿命会大为降低。究其原因，轻微腐蚀缩短了梁试件的疲劳寿命，并且蚀坑的存在加剧了应力集中，从而更易产生疲劳裂缝。

李进洲以1/6试验梁来模拟目前我国铁路采用的T型梁。主要包括一般使用和存在腐蚀介质的两种环境下的试验过程，分析了两种环境中梁的破坏机理。研究显示，一般环境下，梁试件失效前会出现明显征兆。受拉区普通钢筋经循环荷载后断裂会引起构件疲劳破坏，普通钢筋承受的应力范围是预应力桥梁疲劳力学性能的决定性因素，普通钢筋的破坏过程决定了梁在受弯状态时疲劳裂缝开展情况。预应力混凝土试验梁处于腐蚀环境时，其疲劳寿命随非预应力钢筋腐蚀程度的升高而减小，当腐蚀率大于7%时，需要对梁体加固处理。此外，预应力梁中普通钢筋在承受疲劳荷载时对裂缝开展会起到一定的抵抗作用，可以通过配置非预应力钢筋来提高预应力桥梁的延性。

4 结语

其一，目前有关构件中混凝土的疲劳分析一般概括为三个视角：简单应力状态的混凝土疲劳分析、复杂应力状态的混凝土疲劳分析以及考虑温度、腐蚀等因素的混凝土疲劳分析。其二，对于普通钢筋的疲劳性能的试验分析方法主要有：对钢筋自身材料性能的试验，即随机截取一段均质钢筋进行试验；另外一种常见的方法是将普通钢筋浇筑在混凝土中进行疲劳试验，该方法能够将钢筋在混凝土中的实际工作性能较真实地反映出来。其三，预应力构件的疲劳性能分析为建立实体结构的疲劳寿命与其构成材料疲劳强度的关系奠定了基础。其四，腐蚀混凝土构件的分析包括腐蚀后试件的分析以及腐蚀中试件的分析。结果证明，结构的疲劳寿命和腐蚀因素存在较大相关性。