混凝土受彎構(gòu)件疲勞性能的試驗(yàn)研究.pdf

1、對(duì)于承受循環(huán)反復(fù)荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)，如橋梁、吊車(chē)梁等，保證其具有足夠的疲勞壽命，在使用期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性具有十分重要的意義。隨著荷載不斷升級(jí)和高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題越來(lái)越受到重視；在役結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)期使用或設(shè)計(jì)施工質(zhì)量缺陷及使用功能的改變等，其疲勞壽命可能會(huì)不滿(mǎn)足實(shí)際要求；所以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞壽命，必要時(shí)采取相應(yīng)的加固措施是非常重要的課題。本文采用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的疲勞性能、

2、壽命預(yù)測(cè)及加固技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容和成果如下： 本文進(jìn)行了13塊鋼筋混凝土板及CFRP加固板的靜載和疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論未加固板還是加固板最后的破壞模式均為鋼筋疲勞斷裂，鋼筋的應(yīng)力幅是決定疲勞壽命的主要因素；在疲勞荷載作用下，鋼筋及混凝土應(yīng)變、受壓區(qū)高度、撓度和裂縫寬度不斷發(fā)展，整個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)階段：初始發(fā)展較快，而后發(fā)展趨于平緩，臨近破壞時(shí)發(fā)展有所加快；CFRP加固板疲勞壽命得到延長(zhǎng)，主要是因?yàn)榧庸毯箐摻顟?yīng)

3、力幅降低，另外加固后板的抗變形能力得到提高，疲勞抗裂性能也有較大改善；對(duì)比分析了CFRP對(duì)完好板和損傷板的加固效果。 混凝土在疲勞荷載作用下?lián)p傷量逐漸積累，宏觀(guān)表現(xiàn)為其力學(xué)性能不斷劣化，本文利用損傷力學(xué)基本原理建立混凝土疲勞損傷模型。首先推導(dǎo)出基于殘余應(yīng)變的混凝土損傷變量公式；然后選擇合適的微塑性表達(dá)式，推導(dǎo)混凝土疲勞損傷發(fā)展率的表達(dá)式，建立混凝土疲勞損傷演化方程；最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了模型參數(shù)。鋼筋在循環(huán)荷載作用下裂紋不斷擴(kuò)展

4、，本文采用斷裂力學(xué)基本原理分析鋼筋裂紋發(fā)展并預(yù)測(cè)壽命。鋼筋的表面裂紋近似簡(jiǎn)化為半橢圓形裂紋，理論分析結(jié)果表明：表面裂紋的深度和寬度在荷載作用下不斷擴(kuò)展，其形狀符合先圓化、后扁化的規(guī)律，鋼筋的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好；用裂紋尺寸定義鋼筋的損傷變量，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出鋼筋的疲勞損傷演化方程，模型參數(shù)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸獲得。 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在疲勞荷載作用下力學(xué)性能也不斷劣化，本文在混凝土和鋼筋疲勞損傷模型的基礎(chǔ)上，用條帶法分

5、析鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的疲勞性能。在材料軸心本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)疲勞荷載下的鋼筋和混凝土粘結(jié)應(yīng)力退化模型推導(dǎo)出用于條帶法的平均截面材料本構(gòu)關(guān)系；編制程序計(jì)算得到任意次數(shù)下的混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、撓度、受壓區(qū)高度，具有一定的精度；程序可以跟蹤模擬受彎構(gòu)件的全壽命過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)一些試驗(yàn)過(guò)程中不易直接發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，對(duì)疲勞試驗(yàn)研究是一種很好的補(bǔ)充。根據(jù)本文編制的疲勞性能程序計(jì)算得出的疲勞荷載作用下的材料應(yīng)力，選擇適合于鋼筋和混凝土材料的疲勞累積損

6、傷理論，對(duì)鋼筋和混凝土損傷量的發(fā)展分別進(jìn)行計(jì)算，編制程序分析鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞模式并預(yù)測(cè)疲勞壽命，結(jié)果與試驗(yàn)值接近；數(shù)值模擬結(jié)果表明：適筋構(gòu)件最后破壞模式均為鋼筋疲勞破壞，過(guò)高的配筋率會(huì)引起混凝土首先破壞，應(yīng)力水平是決定疲勞壽命的主要因素，另外，應(yīng)力比和配筋率對(duì)疲勞壽命也有一定的影響。 根據(jù)CFRP的材料性質(zhì)，選擇合適的疲勞本構(gòu)關(guān)系模型，用剩余強(qiáng)度定義CFRP的損傷變量；運(yùn)用條帶法對(duì)CFRP加固構(gòu)件進(jìn)行疲勞性能的數(shù)值模擬，

7、結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，數(shù)值模擬結(jié)果表明：加固后的構(gòu)件與加固前相比鋼筋應(yīng)力下降，受壓區(qū)高度增加，混凝土的壓應(yīng)力降低；構(gòu)件加固后再施加疲勞荷載時(shí)構(gòu)件的各性能指標(biāo)仍然早現(xiàn)三階段發(fā)展規(guī)律，即開(kāi)始時(shí)變化較快，而后趨于平緩，臨近破壞時(shí)變化明顯。對(duì)CFRP的損傷變量發(fā)展選用線(xiàn)性累積損傷理論，編程預(yù)測(cè)加固構(gòu)件的破壞模式和疲勞壽命，預(yù)測(cè)結(jié)果表明：加固后的構(gòu)件壽命得到了延長(zhǎng)，CFRP加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件主要作用是降低了鋼筋的應(yīng)力幅，從而延長(zhǎng)了構(gòu)件的疲勞