疲劳荷载作用下混凝土裂缝扩展过程

第37卷增刊1

大　连　理　工　大　学　学　报Vo 1.37,Suppl .11997年8月Journa l of da l i an Un iversity of technology Aug .1997

疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程Ξ吴智敏　宋玉普　赵国藩　黄承逵 董　超33

(大连理工大学土木工程系　116024)

摘要　采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入劈拉试件研究了在等幅

重复荷载作用下砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在疲劳破坏前,裂缝存

在着明显的亚临界扩展,其扩展长度约为65mm .裂缝扩展速率d a d N 符合

Paris 公式

.关键词:混凝土;疲劳;裂缝扩展

分类号:TU 502.6;TU 375

砼是一种多相的复合材料;其断裂机理十分复杂,尤其对疲劳荷载作用下的裂缝扩展知之更少.许多学者认为,砼是脆性材料,裂缝一经起裂便失稳破坏,不存在所谓的“亚临界扩展过程”.针对这一问题,文献〔1〕采用最大尺寸为3.6m ×3.0m ×0.2m 的巨型紧凑拉伸试件,采用光弹贴片、电阻应变片等测试手段,研究了砼裂缝的亚临界扩展过程.结果表明,砼在失稳破坏前,存在很大的亚临界扩展;当试件高度h >1.0m 时,亚临界扩展量∃a c 达200mm .

然而,在疲劳荷载作用下砼裂缝是否存在亚临界扩展阶段,扩展长度有多大,这在国内外均很少研究.文献〔2～4〕采用三点弯曲梁法研究了砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程,证实了砼在疲劳荷载作用下裂缝存在亚临界扩展;其扩展规律符合Paris 公式.

图1　试件型式本文采用尺寸为200mm ×200mm ×200mm 的楔入

劈拉试件,采用柔度标定法测得了砼疲劳裂缝扩展长度,

并与光弹贴片法作了比较.

1砼楔入劈拉试件静载试验结果及柔度标定

1.1　试件制作及砼配合比

根据试验目的,采用如图1所示的楔入劈拉试件;其

编号及尺寸等见表1.试件均采用同一配合比,水泥∶砂

子∶石子∶水=1.00∶1.73∶3.01∶0.52.水泥采用大连

水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥,砂为河砂,粗骨料为Ξ国家自然科学基金青年基金资助项目(2.59209084)33　现在大连民建设计院工作　收稿日期:1997206202;修订日期:1997207210　吴智敏:男,1963年生,副教授

石灰岩碎石;一级配.试验时测得其立方体抗压强度(150mm ×150mm ×150mm )为30.44M Pa ,劈裂抗拉强度为2.35M Pa ,弹性模量为25.5GPa .

表1　试件参数及柔度标定

试件编号

l ×h ×t :

mm ×mm ×mm a 0 h C 10-6(mm ・N -1)P m ax kN K I C (M Pa ・m -1 2)n ST 1

20×20×200.21.965116.200.92944ST 2

20×20×200.33.566113.910.97494ST 3

20×20×200.46.919712.271.08454ST 420×20×200.515.67367.570.88004

1.2　楔入劈拉试件柔度标定及静载试验结果

静载试验均在5000kN 压力试验机上进行,用X 2Y 记录仪自动记录荷载2位移曲线.荷载传感器采用型号为BL R 21 5000拉压式,测量范围为0～50kN ;裂缝口张开位移CM OD 采用M T S 公司生产的夹式引伸仪测量,测量范围为0～4mm .试验时测得的P 2CM OD 曲线见图2.

图2　各组试件的P 2CM OD 曲线

图3　柔度标定曲线

对图1所示的楔入劈拉试件,断裂韧度K I C 由下式

计算:

K I C =3.675(1-a 0 h )-3 2P m ax t h (1)

其中:P m ax 为最大水平荷载;P m ax =1.866P v m ax ,P v m ax

为最大垂直荷载.静载试验所测得的最大荷载P m ax 、弹

性柔度C 及断裂韧度等值见表1.图3为柔度标定曲

线.

2　砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程

疲劳试验均在M T S 疲劳机上进行;试验频率为1H z ,加载波形为正弦波,荷载控制.加载时的最大荷载为0.7P m ax ,最小值为0.07P m ax .

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试验中实测的试件柔度及裂缝长度随疲劳次数N 的变化见图4和图5.图6为当N =500时光弹贴片观测结果

.

图4

　试件柔度随疲劳次数的变化图5

　砼裂缝长度随疲劳次数的变化

图6　光弹贴片观测结果从图中可以发现,在疲劳荷载作用下,砼试件的柔度及裂缝

扩展量的变化规律大致可分为三个阶段:第一阶段,试件柔度及

裂缝扩展较快,随后增长速率逐渐降低;这一阶段占总疲劳寿命

的10%左右.第二阶段,试件柔度及裂缝扩展量随疲劳次数的增

加基本上呈线性增加;这一阶段约占总疲劳寿命的70%左右.进

入第三阶段后,砼裂缝扩展很快

,导致失稳断裂.从a 2N 曲线上

还可以发现,当试件即将破坏时,裂缝的亚临界扩展量∃a c 约为

65mm .因此,在疲劳荷载作用下砼也是经过裂缝的稳定扩展,

然后失稳破坏.

3　砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展速率 文献〔2〕认为,当忽略砼裂缝扩展的第一阶段时,其扩展速

图7　lg (d a d N )2lg ∃K 关系曲线率d a d N 亦符合Paris 公式:

d a d N =C (∃K )n (2)

式中:∃K 为应力强度因子幅度,∃K =K m ax -K m in ;C 、n

是由材料决定的常数.因此,可以从试验得出的a 2N 曲

线上求得d a d N ,并根据此时的a h 求得∃K ,从而得

到d a d N 2∃K 曲线

.若对式(2)两边取对数,得lg (d a d N )=lg C +n lg ∃K

(3)将试验得出的lg (d a d N )及∃K 画于同一坐标系(图7),根据线性回归可得n =7.4,lg C =-2.9,相关系数

R =0.94.因此砼疲劳裂缝扩展速率可表示为

d a d N =1.2589×10-3(∃K )7.84(4)

4　结 论

1)在疲劳荷载作用下,砼裂缝存在较长的亚临界扩展阶段.

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