钢筋混凝土结构疲劳性能研究综述.doc

钢筋混凝土结构疲劳性能研究综述 殷曹刚1,2，王玉田1,2，姜福香1，刘大详1 （1.青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心山东青岛266000； 2.青岛理工大学土木工程学院山东青岛2660330） 【摘要】疲劳对士木工程结构，特别是被广泛应用的钢结构和混凝土结构具有严重危害，一直以来受到广泛关注。研究钢筋混凝结构的疲劳效应问题，预测其剩余寿命，对于保障在役结构的安全使用具有重要意义。本文介绍了混凝土材料的疲劳性能、钢筋混凝土结构的受弯疲劳性能和损伤钢筋混凝土梁疲劳性能的研究现状，并通过总结分析了目前已有研究中的不足，并针对当前研究中亟待解决的问题提出了看法。 关键词疲劳性能；混凝土；强度 【】TU375;TU528.0 【文献标志码】A 1.前言 （1）在实际工程应用中，像桥梁、吊车梁和海洋平台等结构承受着反复荷载的作用，这些特殊而重要的结构在正常使用的情况下将承受反复变化的应力和应变作用，促使这些结构的力学损伤不断累积，当损伤累积超过一定量后将会使这些承载结构发生低于静载强度的脆性破坏或破损，即结构发生疲劳破坏。但疲劳问题长期以来一直未得到足够的重视，使得混凝土结构的疲劳变成不可忽视的问题。 （2）本文从混凝土材料的疲劳性能、钢筋混凝土结构的受弯疲劳性能和损伤钢筋混凝土梁疲劳性能等三个方面介绍了钢筋混凝土结构的疲劳性能的研究现状。 2.混凝土材料疲劳性能研究 2.1混凝土抗拉疲劳性能研究现状。 从评定在循环荷载作用下结构对开裂的敏感性的角度来看，混凝土在纯拉状态下的疲劳性能非常重要。 Tepfers2采用数字模拟的方法对立方体劈裂试验结果进行处理，得出在受拉应力状态下可采用与受压应力状态下较为相似的方程来表示： 式中fcsplm-混凝土静力劈拉强度平均值； -材料常数，可取为0.0685。 Saito和Imai等3进行了纯拉疲劳试验，采用4Hz的加载频率，试验中最小应力和静载抗拉强度fctm的比值约为0.08，得出破坏概率p=0.5的S-N关系线的试验结果可用下式表示： 2.2混凝土抗压疲劳性能研究现状。 抗压性能是混凝土材料性能的重要指标，因此成为科研工作者的研究重点。关于这一方面的研究较多，研究成果也较多。 (1)混凝土单轴受压疲劳性能研究现状。 Graf和Brenne等4通过混凝土的疲劳试验研究了最小应力和应力范围对其的疲劳强度的影响，同时给出了Goodman图；Brenne和Muir等5利用立方体高强混凝土构件研究了高强混凝土的疲劳强度以及其退化规律；Holmen等6通过大量的试验研究得出混凝土的疲劳特性和其疲劳寿命的概率分布。 Matsushita7利用混凝土圆柱构件进行了大量的疲劳试验，得出了混凝土疲劳寿命的概率分布，并通过线性回归的方法分析出了考虑最小应力水平的S-N曲线关系式： lgN=17(1-Smax)/(1-Smin)+0.23 （2）混凝土双轴受压疲劳性能研究现状。 Lan等8通疲劳试验研究了板式混凝土构件在不同应力比下完全卸载和部分卸载两种情况的疲劳双轴受压疲劳性能，得出两种卸载方式下混凝土的疲劳性能相似，且与应力大小无关。 大连理工大学9进行定侧压双轴受压疲劳试验，定侧压比分别为0.25和0.50，试验结果表明：定侧压的约束提高了混凝土的抗压疲劳强度，纵向最大应变和最小应变的发展和单轴受压情况下相似，也符合三阶段规律，并综合分析(考虑了侧压影响)出了统一的疲劳破坏准则方程： Smax=-(1-R)lgN 其中： =1+0.8304(2/fc)，=0.0638+0.115(2/fc)；（0?2?fc?0.5） （3）混凝土三轴受压疲劳性能研究现状。 关于混凝土三轴受压疲劳试验国内外研究资料较少，曹伟等10进行了定向侧压约束下三轴受压疲劳试验，试验中试件的静载破坏现象与疲劳破坏形态一样，都是沿着纵向加载方向出现数条裂纹，符合三阶段规律，但变形模量逐渐减小，得出了混凝土多轴受压疲劳S-N统一方程，然而混凝土的三轴疲劳试验操作复杂，试验结果很难得出，结果的有效性难以得到确认，故现有的数据与资料只能作为参考。 2.3混凝土压-拉疲劳性能研究现状。 由于在压拉循环应力状态下的混凝土疲劳试验对试验仪器等要求较高等原因，因此目前对压拉反复状态下混凝土的疲劳试验研究较少。 Cornelissen11对混凝土试件进行了疲劳试验，频率为6Hz，结果表明最小压应力的水平高时，疲劳寿命明显降低，同时分别给出了引起受拉和受压破坏的拉压应力状态下的S-N方程： (1)受拉破坏： (2)受压破坏： 大连理工大学的吕培印等12也进行了一些压-拉疲劳试验，在综合考虑了最小、最大应力水平对疲劳的影响下，通过多元回归线性分析法得到压-拉情况下的S-N方程： lgN=12.02-10.64Smax-4.39Smin(Smin=0.1-0.2) 其中： 复相关系数为0.932，Smax、Smin对lgN的偏相关系数分别为0.998和0.839，回归误差为0.046。 3.钢筋混凝土梁受弯疲劳性能研究 3.1钢筋混凝土是一种复合材料，同时离散性又很大，所以对钢筋混凝土梁受弯疲劳性能的研究是一项比较复杂的课题，但一直以来还是有许多学者对钢筋混凝土梁受弯疲劳性能进行了一系列的研究。 3.2目前国内外的研究重点主要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、疲劳刚度的变化规律以及疲劳寿命的预测上。 3.3H.A.马达洛夫在文献13中详细介绍了在重复荷载作用下钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能的两类问题：（1）钢筋构造对钢筋混凝土受弯构件的强度、裂缝形成和刚度的影响；（2）钢筋混凝土结构疲劳计算理论的若干问题。 3.4沈忠斌14和朱晓东15通过对11根钢筋混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下的试验结果分析，得出了其裂缝宽度和挠度的变化规律和机理，建立了疲劳荷载作用下裂缝宽度和挠度的计算模式，同时给出了钢筋混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下裂缝宽度和挠度的计算公式。 3.51990年，石小平等16进行了混凝土梁弯曲疲劳试验，通过对所得的试验数据进行分析得出混凝土弯曲疲劳寿命的概率分布基本符合两参数Weibull分布，并同时分析了应力比对疲劳性能的影响，并建立了相应的疲劳方程； 3.61991年，Byung17通过混凝土梁的弯曲疲劳试验得出S-N曲线并得出疲劳强度方程，并验证了在给定的应力水平下疲劳寿命分布符合Weibull分布，同时研究了混凝土在变幅疲劳荷载作用下的损伤累积理论。 4.损伤钢筋混凝土梁疲劳性能研究 （1）目前我国的大部分钢筋混凝土梁桥都已服役相当长的时间，主要承重构件均有着各种各样的损伤(锈蚀、腐蚀）情况，所以对损伤钢筋混凝土梁的疲劳性能进行研究具有十分重要的实际意义，国内外对此也进行了一系列研究。 （2）同济大学的李士彬18利用13根锈蚀钢筋混凝土梁进行了等幅疲劳试验研究，通过分析认为在等幅荷载作用下，锈蚀梁的疲劳寿命比未锈蚀梁的疲劳寿命有明显降低，同时在相同的荷载的水平下，锈蚀梁的疲劳寿命随锈蚀率呈指数函数下降。锈蚀钢筋混凝土梁锈蚀率越高，刚度随荷载循环次数的增加衰减的速率越大。 （3）华侨大学的宋小雷19利用18根锈蚀程度不同的钢筋混凝土梁进行了静力和疲劳性能试验研究，研究结果表明，钢筋混凝土梁的锈蚀率越高，钢筋混凝土梁的疲劳寿命就越短，同时还得出了促使钢筋混凝土梁的疲劳性能降低的重要原因是钢筋与混凝土之间的粘结力下降和因锈蚀而导致钢筋表面形成的锈坑和疲劳应力之间的耦合作用。 （4）桂林理工大学的虞爱平20利用9根锈蚀程度不同的钢筋混凝土梁进行了疲劳性能以及疲劳后剩余承载力的试验研究，试验结果表明，锈蚀率越高的钢筋混凝土梁的耐久性越差、疲劳性能越低。 （5）浙江大学的徐冲21利用四组不同(正常构件、正常加固、锈蚀损伤加固和超载损伤加固)的钢筋混凝土梁进行了静力和疲劳性能试验研究，试验结果表明，在循环荷载作用下说明钢筋混凝土梁的整体刚度的重要指标是动挠度，且影响这一指标的两个重要因素是加固形式和加固前的损伤情况。 （6）大连理工大学的王海超等22利用8根腐蚀钢筋混凝土梁进行了腐蚀后钢筋混凝土梁的静力和疲劳性能试验研究，试验结果表明，较低水平的腐蚀对钢筋混凝土梁的静力性能影响很小，但对钢筋混凝土梁的疲劳寿命影响较大。 （7）中南大学的赵亚敏23利用ANSYS等软件，以钢筋混凝土简支梁桥和拱桥为模型研究了其在超载情况下的疲劳性能，研究结果表明，超载对钢筋混凝土简支梁桥和拱桥的疲劳性能影响非常大，在一般情况下，超载的荷载增加一倍，钢筋混凝土梁的疲劳损伤增加将近10倍。 5.结束语 目前虽然对钢筋混凝土结构的疲劳性能进行了大量的研究，但是仍然存在着许多问题： (1)疲劳试验影响因素多，离散性较大，而试验构件数量往往有限，无法从不同截面尺寸、不同配筋率、不同应力水平、不同应力比等方面对的钢筋混凝土结构进行疲劳分析和试验研究； (2)由于在实际结构中，构件承受的都是变幅荷载和随机荷载，因此还需要研究钢筋混凝土梁在变幅疲劳荷载和随机荷载作用下的性能研究，疲劳破坏机理，疲劳累积损伤发展规律； (3)钢筋混凝土疲劳寿命预测的研究工作都是基于各种理论的基础上，千差万别无法统一，还没有形成一个符合实际且易于操作的框架体系； (4)钢筋混凝土结构发生锈蚀后的疲劳问题对钢筋混凝土结构的安全使用也尤为重要，目前对锈蚀钢筋混凝十结构的疲劳承载力、粘结滑移退化等方面的研究还不够深入，有待加强。 参考文献 1陈肇元土建结构工程的安全性与耐久性M北京：中国建筑工业出版社，xx. 2TepfersR，andKuttiT.Fatiguestrengthofplain，ordinaryandlightweightconcrete.ACI J.，May1979：635-652. 3SatioM，andImaiS.Directtensilefatigueofconcretebytheuseoffrictiongrips.Journalof theACI，Proc，1983，80(5)：431-438. 4GrafO.，andBrenner.Experimentsforinvestigatingtheresistanceofconcreteunderoften repeatedpressionloads.1.Bulletin，DeutscherAusschussfurStahlbeton，Berlin，1934， 1(76)：17-25. 5BentE.W.，andMuirS.E.J.，Somefatiguetestsonhigh-strengthconcreteinaxial Compression.MagazineofConcreteResearch，1967，19(59)：113-117. 6JanOveHolmenFatigueofConcretebyConstantandVariableAmplitudeLoadingCIn： FatigueofConcreteStructure，SP-75，ACI，1982：71-110 7MatsushitaH，TokumitsuY.AStudyonCompressiveFatigueStrengthofConcrete ConsideredSurvivalProbabilityJ.ProceedingofJSCE，1972，198(2)：127-138. 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