拉壓循環(huán)荷載作用下預(yù)裂紋混凝土疲勞性能研究

郭蒙蒙 張志彪 朱茹琳

（1 安徽省高路建設(shè)有限公司， 安徽 合肥 230000；2 安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 安徽 合肥 230000； 3.安徽保利房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 安徽 合肥 230000）

0 引言

大量的工程實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)方面采取一定的措施，也不能完全消除混凝土結(jié)構(gòu)中的裂紋，混凝土結(jié)構(gòu)大多是帶著既有裂紋投入使用的。在自然環(huán)境各種侵蝕作用和各種荷載作用下，特別是在反復(fù)循環(huán)的疲勞荷載作用下，在裂紋的尖端會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使疲勞極限極大地降低。國內(nèi)外一些學(xué)者對于混凝土的疲勞性能進(jìn)行了相關(guān)的分析研究，McCall 最早通過混凝土梁試件受彎疲勞試驗(yàn)對疲勞破壞概率進(jìn)行分析[1]；Byung 進(jìn)行了混凝土梁試件的受彎變幅疲勞試驗(yàn)[2]；Yang 基于混凝土疲勞損傷理論提出了疲勞壽命預(yù)測的概率方法[3]；李靖華基于混凝土疲勞壽命的分布特點(diǎn)得到了兩參數(shù)威布爾分布的估計(jì)方法[4]；大連理工大學(xué)對混凝土在單軸以及多軸應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞性能進(jìn)行了研究[5][6][7]。而對于帶有預(yù)裂紋的混凝土疲勞性能研究還鮮有涉及，本文以帶有預(yù)裂紋的混凝土試件為主要研究對象，進(jìn)行在拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)，同時(shí)引入有限元仿真模擬技術(shù)，針對混凝土在疲勞荷載作用下的疲勞壽命的結(jié)果做詳細(xì)的分析，研究既有裂紋對混凝土疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)制作的混凝土試件為100mm×100mm×300mm 的長方體，中部帶有預(yù)裂紋，在制作試件的同時(shí)，每一批次要制作150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊5 個(gè)，在試驗(yàn)之前，使用同批次的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊（150mm×150mm×150mm）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度檢查各五次，抽查結(jié)果滿足C50 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定。

在試驗(yàn)時(shí)，采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，將試件兩端用液壓夾具夾緊以后，施加應(yīng)力比R=-1，頻率為8Hz 的正弦波形疲勞荷載。施加的荷載應(yīng)力幅值(本試驗(yàn)施加的應(yīng)力均為名義應(yīng)力)由0.2MPa 遞增到1.3MPa，每次增量為0.1MPa。如果試件在循環(huán)105次不發(fā)生破壞，則可以認(rèn)為在該荷載下，試件的疲勞壽命是無限的。

施加拉壓循環(huán)荷載以后，試件在疲勞荷載作用下，循環(huán)一定次數(shù)后沿預(yù)設(shè)裂紋延長線即垂直最大主應(yīng)力的方向突然發(fā)生破壞，破壞前沒有任何明顯預(yù)兆，斷裂時(shí)伴有鈍音。

由試驗(yàn)測得的不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命擬合如圖1、圖2 所示。

圖1 疲勞壽命S-N 曲線

圖2 疲勞壽命S-lgN 曲線

從疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)混凝土試件在名義應(yīng)力為0.3MPa～0.4MPa，即實(shí)際應(yīng)力0.375MPa～0.5MPa之間開始發(fā)生疲勞破壞，名義應(yīng)力幅值在0.5MPa 即實(shí)際應(yīng)力幅值為0.75MPa 時(shí)，混凝土試件開始發(fā)生穩(wěn)定破壞，而當(dāng)名義應(yīng)力幅值在0.4MPa 以下即實(shí)際應(yīng)力幅值在0.5MPa 以下時(shí)，試件才有無限疲勞壽命出現(xiàn)。

(2)由C50 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft=1.89MPa）為標(biāo)準(zhǔn)，得到帶預(yù)制裂紋的混凝土試件在拉壓循環(huán)荷載下的疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)處于0.198～0.265 之間，遠(yuǎn)低于混凝土相關(guān)規(guī)范[8]。

從疲勞壽命S-N 曲線可以看出：帶預(yù)裂紋的混凝土，在拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限值約為S-1=0.36MPa，試驗(yàn)中采取的是名義應(yīng)力，實(shí)際應(yīng)力=1.25×名義應(yīng)力，所以考慮其換算關(guān)系，疲勞極限值也僅僅約為S-1=0.45MPa，遠(yuǎn)低于無裂紋混凝土的抗拉疲勞極限值和抗壓疲勞極限值。

2 有限元分析

由ANSYS 有限元軟件對帶預(yù)裂紋混凝土模型進(jìn)行疲勞分析，從分析結(jié)果可以看出模型在裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變水平較高，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，帶預(yù)裂紋的混凝土試件在應(yīng)力幅值小很多的情況下就開始發(fā)生疲勞破壞，可以看出預(yù)裂紋對混凝土構(gòu)件的疲勞性能有比較大的影響。由混凝土在拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在名義應(yīng)力為0.3MPa 時(shí)，六個(gè)試件中有一個(gè)試件在疲勞荷載作用下循環(huán)81822 次發(fā)生破壞，在名義應(yīng)力在0.5MPa 以上時(shí)，試件開始發(fā)生穩(wěn)定破壞。

通過模型的分析結(jié)果，對其疲勞壽命和安全系數(shù)進(jìn)行整理分析，并結(jié)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以得到預(yù)裂紋使混凝土構(gòu)件的疲勞壽命安全系數(shù)降低了44.9%左右，而使其疲勞壽命縮短了75%～80%左右?？梢钥闯鰩ьA(yù)裂紋的混凝土疲勞性能遠(yuǎn)低于正常的混凝土的疲勞性能，預(yù)裂紋使混凝土的疲勞壽命大大地降低。

3 結(jié)論

（1）進(jìn)行帶有預(yù)裂紋的混凝土試件在拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析整理，得到S-N 曲線以及S-lgN 的一階、二階、三階曲線得到帶預(yù)裂紋的C50 混凝土的疲勞極限為0.45MPa。

（2）得到帶預(yù)制裂紋的混凝土試件在拉壓循環(huán)荷載下的疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)處于0.198～0.265 之間，遠(yuǎn)低于混凝土相關(guān)規(guī)范。

（3）應(yīng)用ANSYS 有限元軟件帶有預(yù)裂紋的混凝土進(jìn)行仿真模擬，得出混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命云圖，結(jié)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得出預(yù)裂紋會使混凝土的疲勞性能降低75%～80%左右。