结构疲劳试验

4.结构疲劳试验的方法
• 1． 按试样破断时应力（应变）循环周次高低可 分为：低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环 周次大于5X104的称为高周疲劳试验，小于5X104 的称为低周疲劳试验。 • 2． 按试样的加载方式可分为：拉-压疲劳试验、 弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试 验。弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验、 圆弯曲疲劳试验、平面弯曲疲劳试验；又可分为 三点弯曲、四点弯曲、悬臂弯曲疲劳试验。 • 3． 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、 变频疲劳试验、程序疲劳试验、随机疲劳试验等。
结构疲劳试验
1.疲劳试验的历史及实例 2.疲劳试验的内容 3.疲劳试验机 4.结构疲劳试验的方法 5.混凝土受弯构件疲劳破坏的标志 6.疲劳试验的观测 7.疲劳试验试件的安装 8.混凝土疲劳性能试验研究现状
1.疲劳试验的历史
• 1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬 机服役过程中钢索经常发生突然断裂,首先以10次 /分的频率进行疲劳试验。 • 1852-1869年德国人沃勒(A.Wöhler)为研究机车车 1 sb 钢 辆开始以15次/分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳 试验,以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲 ss 疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是 指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果 s r －持久极限 绘成应力与循环周次关系的-曲线 ，又称为 Wohler曲线。因此应力-疲劳寿命曲线称为“ SN N曲线”，自从1936 年以后也叫“ Wöhler 曲 线”。 S-N 曲线 - 应力 S（s 或 t）与相应应力循环数
• 疲劳试验机特点是可以实现高负荷、高频 率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试 验费用。
电液伺服疲劳试验机
• 功能用途： • 主要用于捡测各种材料、零部 件、弹性体、橡胶弹性体和减 振器的动、静态力学性能试验。 • 试验机操作灵活方便,移动横梁 升降、锁紧、试样夹持均由按 钮操作完成,采用先进的液压伺 服驱动技术加载、高精度动态 负荷传感器和高分辨率磁致伸 缩位移传感器测量试件力值和 位移。
（或寿命） N 的关系曲线
实例
载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化
每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化
（载荷不变, 轴转动）
起落架因飞机起落而 反复受载
2.疲劳试验的内容
研究性疲劳试验一般研究以下内容：
1. 应力随荷载重复次数变化情况； 2. 开裂荷载及开裂情况；
鉴定性疲劳试验
3. 裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化； 4. 最大绕度及其变化； 5. 疲劳极限； 6. 疲劳破坏特征。
• 。
• 三、在锚固区钢筋与混凝土的粘结锚固疲劳破坏； • 四、在停机受力情况进行一个循环的静载试验时， 出现下列情况之一：
• 1）受拉主筋处的最大裂缝宽度达到1.5mm，或挠度达到 跨度的1/50，将此作为钢筋屈服的标志。一般配筋适中的 梁，多数出现这种标志。 • 2）受压区混凝土破坏。这是一种脆性破坏，此时受拉主 筋处的最大裂缝宽度未达到1.5mm，且挠度小于跨度的 1/50。配筋过多或混凝土强度太低的梁，出现此种标志。 • 3）受拉主筋拉断。这是另一种更为危险的脆性破坏，它 发生于配筋过少或预应力过高的梁
橡胶试片疲劳试验
橡胶试片是橡胶材料研究中最为常见的测试对 象，因其制造工艺简单、试验周期较短及疲劳测 试时占用资源较少等性能，经常在拉伸、拉伸率、 蠕变及疲劳等材料属性测试中使用。
本次橡胶材料单轴拉伸疲劳属性试验的主要 目的在于探讨固定载荷比R 下，其疲劳试验方案、 试验原理，测试其加载过程中的应变、盈利率及 应变能密度所呈现的变化值。
受拉疲劳
由于大部分的混凝土结构在使用过程中受拉 区的混凝土已经开裂,因此结构设计中总是忽略混 凝土材料的抗拉强度,而由钢筋承受结构的拉应力, 又加之试验得出的抗拉强度离散性很大,所以目前 国内外对于混凝土抗拉疲劳的试验资料较少.
单轴受拉疲劳
• Cornelissen等完成的混凝土轴拉疲劳试验 是很具有说服力的资料,他们采用 Φ120×300圆柱体试件,进行了250个等幅 疲劳试验,得到混凝土轴拉疲劳方程为




2．应变测量
一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依 试验具体要求而定。 测试方法： 动态应变仪和记录器或静态应变仪等


3．裂缝
裂缝的开始出现和微裂缝的宽度对构件安全使 用具有重要意义。因此，裂缝测量也很重要。 目前测裂缝的方法是利用光学仪器目测或利用 应变传感器电测。


4．挠度
试验对象
本次试验设计了如图42的橡胶试片做为测试对象。 该试片两端为夹持段，中 间段为疲劳观测区域。本 次试验共硫化了200张 2mm厚的试片，用于裁剪 哑铃型试片，可获哑铃型 橡胶试片约800条。
测试设备
• 此次试验选用 Demattia 公司生产的 EKT-2102DFT型 Flexing Fatigue Tester（柔性疲劳 测试系统）。该设备如图 4-3 所示，可进行高、低 温疲劳性能测试。 本次试验使用设备工 具如表 4-1 所示、其性能 指标如表 4-2 所示。
拉-压疲劳
• 由于拉-压疲劳试验对试 验设 备 的要 求 较高 实现 疲劳 加 载所 需 的夹 具制 造难度大,试验过程控制 复杂,试验周期长,并需要 有雄 厚 的人 力 、物 力和 财力支持.所以,到目前为 止,关于混凝土在波动拉压疲 劳 方面 的 研究 资料 极少.
总结
• 从受压、受拉、受弯及拉-压疲劳的试验可以看出, 混凝土单轴受压、受拉以及拉-压疲劳的试验研究 较多,多轴受压、受拉疲劳较少; • 试验试件中以混凝土梁或立方体试件较多,板作为 试验试件则很少. • 由于试验受到试验设备、试验条件、环境等因素 的影响,试验结果表现出多样性,具体试验结果的可 行性、重要性还要通过以后进一步的试验研究得 以确定.
6.疲劳试验的观测


1．疲劳强度
科研性试验是以疲劳极限强度和疲劳极限荷载作为最大的 疲劳承载能力。构件达到疲劳破坏时的荷载上限值和应力 最大值分别为疲劳极限荷载和疲劳极限强度。 为了得到给定疲劳应力比值（值）条件下的疲劳极限强度 和疲劳极限荷载，一般采取的办法是: s 根据构件实际承载能力，取定最大应力值 max，作疲劳试验， s max 求得破坏时荷载作用次数n，从 与n双对数直线关系中 求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度，作为标准疲劳极限 强度。它的统计值作为设计验算时疲劳强度取值的基本依 据。
接触式测振仪、差动式位移计、电阻应变式位 移传感器或百分表（停机作静载试验时）。
7.疲劳试验试件的安装
具体安装应注意：
• • • 严格对中 保持平稳 安全防护
8.混凝土疲劳性能试验研究现状
纵观目前国内外关于混凝土疲劳的试验研究情况,整体上可以划分 为两个方面:
简单应力状态下的疲劳 • 在简单应力状态下,研究者做了大量关于混凝的轴压、轴拉、弯 拉、拉-压疲劳的试验研究
Smax 1 - (1 - R) lg N
如图1所示的典型的三阶段疲劳变形规律, 即在等幅压载作用下变形的加速增长、稳 定增长以及不稳定增长的三个阶段. 其中,N为加载次数;N f 为疲劳命;S max 为 最大加载应力比;ε为疲劳应变. 从图1中还可以看出在同一循环次数比的 情况下,最大应力水平越高,应变及变形也越 大.
受弯疲劳
• 抗弯疲劳在有的文献中又称抗折疲劳,所研 究的对象一般为混凝土或者预应力混凝土 梁板,抗弯疲劳问题因其在公路桥梁交通领 域中大量出现,使得相应的试验研究资料较 多
素混凝土的弯曲疲劳 目前,国内外对于素混凝土的受弯疲劳性 能的试验研究,以小跨径的梁和板为研究对 象,通过龄期、加载频率、应力水平的不同 来分析混凝土受弯疲劳寿命和疲劳强度.抗 弯试验一般采用三分点加载或跨中加载的 方式.
5.混凝土受弯构件疲劳破坏的标志
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一、正截面疲劳破坏的标志是某一根纵向 受拉钢筋疲劳断裂，或受压区混凝土疲劳 破坏； 二、斜截面疲劳破坏的标志是 1某一根与临界斜裂缝相交的腹筋（箍筋或 弯筋）疲劳断裂， 2混凝土剪压疲劳破坏， 3与临界斜裂缝相交的纵向钢筋疲劳断裂；
腹筋配筋率正常或 较低时可能发生 腹筋配筋率 很高 纵向配筋 率较低
对于混凝土的三轴受压疲劳试验国内外研究资 料则较少。 曹伟等就定侧压混凝土的三轴受压等幅疲劳问 题做过试验,试验得出定侧压混凝土的三轴疲劳破 坏是以混凝土侧压的急剧增大拐点为标志,并且以 该点所对应的纵向应力作为混凝土在不同侧压工 况下的极限强度;通过对变形性能的分析可以看出, 三轴压载作用下混凝土纵向最大和最小应变的发 展规律,应力-应变曲线均表现出类似单轴。
疲劳破坏特征 破坏时应力低于sb （抗拉强度），甚至 ss（屈服强度） 即使是塑性材料，也呈现脆性断裂 断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域
钢拉伸疲劳断裂
断
疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、逐渐 扩展与最后断裂的过程
3.疲劳试验机
疲劳试验机概述
• 疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及 其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或 拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。
复杂应力状态下的疲劳 • 在复杂应力状态下,国内外的研究有少量关于多轴疲劳及考虑周 围约束的拉-压疲劳的资料.
另外,考虑温度、腐蚀等环境的混凝土疲劳试验研究则是极少.
受压疲劳
单轴受压 国内外目前关于混凝土单轴受压 疲劳试验一般都在电液伺服万能疲 劳试验机上进行以不同应力水平和 应力比与相应混凝土疲劳寿命的关 系,建立S-N方程,从而得出混凝土的 抗压疲劳强度. Aas-Jakobsen最早提出了最大应力水 平与加载次数的直线形式Wohler方 程
功能用途： • 主要用于金属材料及其构件 等零部件的拉、压、扭、多 向复合试验，能在正弦波、 三角波、梯形波、斜波、用 户自定义波形下进行多种试 验，根据试验部件的不同可 以进行以下试验： • 1、单纯拉压疲劳试验 • 2、单纯扭转试验 • 3、拉（压） 功能用途：电液伺服 腐蚀疲劳试验机专用 于钛合金及其他材料 在恒幅轴向加载和腐 蚀环境条件下的腐蚀 疲劳强度和腐蚀疲劳 寿命测试。
应力比： 指对试件 循环加载时的 最小荷载与最 大载荷之比
双轴受压疲劳
目前对于双轴受压疲劳试验主要考虑两 个受压方向上的加载历程、应力比大小及 加载次数3个方面的影响;少量定侧压下的双 轴疲劳试验,则主要考虑侧压力大小对混凝 土疲劳性能的影响,由于双轴疲劳试验机的 限制,试件一般采用立方体.
三轴受压疲劳
测试方法
试片如图 4-4 所示 安装于固定架上，选 择用于产生正确激励 的加载凸轮。当凸轮 在其最低点时调整好 橡胶试片的初始长度L i ，然后设置好加载参 数此次试验载荷方案 计划见表 4-3 所示。 试验环境为常温，加 载频率为 5Hz，每种 应变水平疲劳试验样 本数量为 18 个。
电液伺服扭转疲劳试验机
功能用途： 主要用于金属及非金属等 各种材料扭转试验，进行静 态或动态扭转疲劳耐久性试 验，能实现扭矩及扭角的测 量和控制，通过增配相应夹 具，还可进行各种零件的扭 转试验。并可配备高温炉、 低温箱、腐蚀箱等环境箱， 完成材的在不同坏境下的力 学测试。
电液伺服拉扭疲劳试验机
lgN=14.18-14.52ftmax/ft+2179ftmin/ft
同时他们还得出混凝土静载强度的离散性 导致疲劳寿命离散性的主要原因.
多轴受拉疲劳
关于混凝土的多轴受拉疲劳性能,大连 理工大学的赵东拂和杨健辉进行了变截 面混凝土棱柱体试件在一向定侧压约束 和两向定侧压约束下的双轴和三轴受拉 等幅和变幅疲劳试验研究.根据结果得到 定侧压下双轴和三轴疲劳S-N曲线方程分 别为
钢筋混凝土梁的弯曲疲劳
对于配有高强钢筋的高强混凝土梁在等幅弯载下 的抗弯疲劳性能试验研究也比较多。 试验重点大都放在了等幅疲劳荷载作用下钢筋混 凝土梁的裂缝宽度、挠度以及疲劳刚度的变化规律上. 钟铭等通过对几组钢筋混凝土梁受弯疲劳过程中裂缝和 挠度的观测,得出高强混凝土梁随着疲劳荷载循环次数 的增加。 此外,还总结出疲劳荷载作用N次后构件的裂缝宽 度可根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数来 计算.然而,目前的资料对于变幅疲劳荷载作用下混凝土 结构的疲劳性能研究较少,而实际结构则主要承受变幅 荷载的作用.