混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究.

第19卷第2期(总第44期)中国铁道科学1998年6月

混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究李永强车惠民

(铁道部科学研究院)摘要:

,证明了变幅疲劳荷载的大,当疲劳荷载由小变大时,累积损伤量大于1,当疲劳荷载由大变小时,累积损伤量小于1,P—M线性累积损伤准则不适于混凝土弯曲疲劳破坏,同时验证了非线性疲劳累积损伤理论的合理性。

关键词:混凝土弯曲疲劳累积损伤试验

1引言

在工程应用中,钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构一般承受静载作用,但工程中还有许多如铁路桥梁、公路桥梁、吊车梁及海洋平台等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。随着这些经常承受重复荷载作用的结构应用的日益广泛,以及高强混凝土、高强钢筋的广泛应用,许多构件处于高应力状态下工作,使得混凝土结构的疲劳成为不可忽视的问题。在以往的混凝土疲劳性能研究中,研究重点主要是研究混凝土在等幅重复应力作用下的疲劳强度,得出计算等幅重复应力作用下疲劳寿命的S—N曲线。在这些试验中,混凝土应力是一个随时间等幅周期性变化的荷载函数。但在实际工作中,钢筋混凝土及预应力混凝土结构承受的荷载是一个随时间而变化的变幅荷载(例如由风、海浪、车辆、地震等引起的荷载就属于这种类型),实际结构的疲劳破坏往往是由变幅重复荷载引起的,因此除了研究混凝土材料在等幅重复应力作用下的疲劳性能外,还应在其基础上研究混凝土材料在变幅重复应力作用下的疲劳性能。近年来,一些国家开始进行混凝土材料在变幅重复荷载作用下的疲劳性能研究,其研究重点主要是P—M线性累积损伤准则的适用性,但迄今为止仍未得出一个较统一的结论。有些研究者认为该准则由于不考虑加载顺序的影响,利用它判断混凝土在变幅重复应力作用下的疲劳破坏偏于保守或偏于危险;另外一些研究者认为,可以不考虑加载顺序的影响,该准则可以运用。基于这些原因,我们进行了混凝土试件在等幅和变幅循环荷载作用下的弯曲疲劳试验,探讨和研究了P—M线性累积损伤准则的适用性,进而对混凝土非线性累积损伤理论的合理性作了进一步的验证。

2试验

为了研究在变幅重复荷载作用下混凝土弯曲疲劳累积损伤性能,进行了混凝土试件在6收稿日期:1998205220李永强助理研究员铁道部科学研究院铁道建筑研究所100081北京

第2期混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究53种不同应力水平下常幅弯曲疲劳试验和分级加载的变幅弯曲疲劳试验。分级加载又分为两种情况。第一种情况,疲劳荷载是先低后高;第二种情况,疲劳荷载是先高后低。

试验所用的试件分9批成型,每批包括10cm×10cm×5115cm试件12

根,10cm×10cm×10cm立方体试块3个,共成型梁试件108根,立方体试块27个。试件制作采用普通硅酸盐水泥,水泥标号为525,粗骨料采用卵石,最大粒径为2cm,细骨料为河砂。混凝土材料的配合比见表1。试件采用钢模浇筑,成型后,,。试验时混凝土的龄期为6个月。

。静表1:①27个立方体试块的28天抗压强度试验,其结果是平均抗压强度为51174MPa,变异014011162147

系数618%;②每批两根小梁(共18根)的抗折强

度试验,所得每批平均抗折荷载值见表2,试验的龄期与该批试件进行疲劳试验的龄期相同。试验梁的有效跨径为4412cm,加载方式为中点集中加载,图1为试验装置示意图。疲劳试验是在西南交通大学结构试验中心MTS疲劳试验机上完成的。试验时施加的荷载频率为10Hz,低高应力比R=011,疲劳荷载下限之所以不取为零,主要理由是为了使试件在疲劳试验过程中保持位置的稳定。在等幅混凝土的弯曲疲劳试验中,疲劳荷载的上限的应力水平分别为01900,01800,01750,01675,01600和01500,疲劳试验结果见表3。通过对表3中的试验数据进行统计分析,可得在各应力水平下混凝土试件在等幅循环荷载作用下发生疲劳破坏时的平均寿命,其中Nf,01675=137740次,Nf,01800=5017次。在变幅重复应力作用下混凝土的弯曲疲劳试验中,混凝土的分级加载分两种情况进行。第一种情况:首先施加的应力水平S=01675,循环次数∃n=012Nf,01675=27548。当循环次数达到012Nf,01675时,将所施加的疲劳循环荷载的应力水平提高到01800,直到试件破坏。第二种情况与第一种情况相反,首先施加的应力水平S=01800,循环的次数是∃n=012Nf,01800=1003,然后降低应力水平至S=01675直到试件破坏,试验结果见表4、表5。

表2各批试件抗折荷载表

kN

批号

1

3

4

抗折荷载11147101991217511151批号6789抗折荷载10161101401016012170

图1试验装置示意图

从试验中可以观察到,对于混凝土试件,无论是静载的抗折试验,还是在常幅或变幅反复荷载作用下的混凝土弯曲疲劳试验,混凝土试件的破坏形态之间没有较明显的差别,破坏的位置都是在梁跨中截面处,断裂面是一较规整的平面,在破坏前没有观察到表面裂纹的出现。

54中国铁道科学第19

卷表3常幅疲劳试验结果表

试件编号12345678111213141516171819202122232425262728293031

017501应力水平

疲劳寿命

试件编号32333435374041424344454647484950515253545556575859606162

应力水平

疲劳寿命0190039535775778613121102265931053758416547495073598168447161802783458 41110003109431188212413147621904820284203282328626291 0175026539265614009553835 0167589063901259294011436911568411604012142716880317293317516819311019 3830209442258418 0160022429725375647543156124397684297711710529631201474 0155021165983000000330000003

注:3——试件未发生破坏