单轴荷载作用下钢纤维混凝土疲劳性能研究

郭蒙蒙张志彪 朱茹琳

（1安徽省高路建设有限公司，安徽 合肥 230000；安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230000 3.安徽保利房地产开发有限公司，安徽 合肥 230000）

关键字：钢纤维混凝土；疲劳性能；S-N曲线；应力；应变

0 引言

钢纤维混凝土（简称SFRC）具有良好的抗疲劳性和耐久性，成为现在工程应用中一种重要的混凝土材料[1][2]。针对SFRC 的材料特性以及受力特点，不少专家进行了一系列的分析探讨，针对钢纤维参数（长径比、体积率、纤维类型等），对混凝土基体进行了理论试验探究，但是大多局限于SFRC 静力性能研究。S. Goel为了研究钢纤维掺入体积率和加载工况对SFRC 的影响，进行了SFRC 梁弯曲疲劳试验，对其力学性能以及破坏机理进行分析[3][4]；赵国藩通过试验研究，分析了钢纤维对混凝土的增强作用，以及在不同荷载形式作用下其疲劳破坏形态[5]；杨润年利用SFRC 试验结果，建立了弯拉疲劳破坏模型[6]；宋玉普利用内时损伤理论，基于SFRC 疲劳试验结果，分析探讨了SFRC 的疲劳应力应变关系[7～9]。

本文在单向拉压往复荷载作用下对SFRC 试件进行了加载测试，探究了在不同加载工况作用下SFRC 展现的不同性能特征。

1 试验状况

1.1 试件设计

试验设计的混凝土试件，材料强度等级为C30，按照一定体积掺入率添加钢纤维，试件采用两端加载的方式，在试件两端设置预埋连接件，预埋件埋入试件8厘米，试件外1.2 厘米，同批次浇筑边长15 厘米的标准混凝土立方体试块，用来测试浇筑试件的强度是否满足要求。

1.2 试验工况

试验加载仪器采用多轴子结构万能疲劳试验机；在试件表面布置位移传感器进行应变采集。

试验旨在研究在拉压循环应力状态下的混凝土疲劳性能，因此试验荷载选取应力比R=-1 的疲劳荷载形式，疲劳荷载的最大应力值为0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa、1.2MPa。如果在荷载循环106次以后，试件依然保持完好，就可以认为该测试试件具有无限疲劳寿命。

2 试验结果分析

从初步试验结果来看，在拉压循环荷载作用下，普通混凝土试件当应力幅值在0.6MPa～0.7MPa 左右时，开始有无限寿命出现，SFRC 试件当应力幅值在0.7MPa～0.8MPa 左右时，有无限寿命开始出现。混凝土是由多相材料组成，导致其存在很大的离散特性，因此试验结果也随之表现出一定的离散特性，很难对试验结果进行直接探析。本文利用统计学原理，对试验结果进行回归处理，对试验结果进行拟合分析，得出普通混凝土试件的疲劳强度约为0.639MPa，SFRC 试件的疲劳强度为0.847MPa，SFRC 的疲劳强度相对于普通混凝土提高了32.6%。

2.1 疲劳变形

加载时，当试件处于轴向受压作用时，荷载作用较小，因此在试验的最初阶段和中间阶段，没有出现显著的滞回曲线。当试件处于由受拉转变为受压作用时，微裂纹在试件结构内部开始逐渐闭合，其抗压承载力也逐渐正常；而当试件处于由受压转变为受拉作用时，其抗压承载力和抗拉承载力不断减小。随着加载周期的增加，试件损伤也在不断增加，在试验的最后阶段，出现了显著的滞回曲线。试验时加载的荷载越大，试件的总变形量和残余变形量越大，其最终的疲劳寿命也越小。

SFRC 疲劳应变呈“S”型三阶段逐渐增长，第一阶段大概包括试件疲劳寿命的20%，微裂纹在混凝土结构内部迅速萌生，试件整体应变表现出快速增长；第二阶段大概包括试件疲劳寿命的70%，微裂纹在混凝土结构内部缓慢发展，试件整体应变表现出稳定增长；第三阶段大概包括试件疲劳寿命的10%，微裂纹在混凝土结构内部快速发展，试件整体应变表现为急速增长直至试件发生破坏。从试验结果可以看出：在试验荷载作用下，SFRC 试件最终受拉发生断裂，断裂前变形量在（100～110）×10-6左右，其疲劳拉压应变均略小于普通混凝土。

3 结论

1）SFRC 试件在拉压循环荷载作用下，无限寿命混凝土试件出现在疲劳荷载幅值在0.7MPa 和0.8MPa 时，试件的疲劳强度为0.847MPa，比普通混凝土提高32.6%。

2）SFRC 在拉压循环荷载作用下疲劳变形表现出明显的滞回现象，疲劳变形表现出“S”型三阶段逐渐增长，SFRC 试件最终受拉发生断裂，断裂前变形量在（100～110）×10-6左右，其疲劳应变略低于普通混凝土。