（工程力学专业论文）预应力钢纤维混凝土板的弯曲疲劳性能及正截面承载力计算.pdf

摘要 我国高速公路网的建设飞速进行，对桥梁结构的要求越来越高。目前桥梁、的 发展己基本普及了预应力结构，但随着理论与技术的进步，要求更加科学合理的 结构形式应用于实际中。预应力钢纤维混凝土结构的技术理论特征满足桥梁结构 技术进步的要求，技术及经济的合理性却非常明显，应用前景广阔。 本文首先介绍了钢纤维混凝土优良的力学性能和预应力混凝土结构的特点， 并对三种钢纤维掺量的预应力混凝土板进行了四点弯曲静力试验和三种应力水平 的疲劳试验。在静力试验的基础上，对照钢筋钢纤维混凝土梁的受力特点，提出 了预应力钢纤维混凝土板的正截面承载力计算公式。根据疲劳试验结果，建立了 预应力钢纤维混凝士板弯曲疲劳方程和剩余强度衰减方程，分析了抗弯刚度衰减 规律。结合原有的混凝土疲劳损伤模型，建立了预应力钢纤维混凝土板的疲劳损 伤演变方程。 分析结果表明：预应力钢纤维混凝土板具有较高承载力；在达到相同的循环 寿命时，预应力混凝土板的可以承受的使用应力水平随钢纤维含量的增加而提高； 在相同的应力水平和循环次数时，高掺量的预应力钢纤维混凝土板的剩余强度较 高；在同样的循环比时，高掺量的预应力钢纤维混凝土板损伤量较小。总之，钢 纤维的增强作用明显。 关键词钢纤维混凝土预应力钢筋混凝土板正截面承载力弯曲疲劳疲劳损 伤 a bs t r a c t w i t hn a t i o n a lc o n s t r u c to f e x p r e s sh i g h w a yq u i c k l yd e v e l o p i n g ，i tr e q u i r e s b r i d g es t r u c t u r e sh i g h e ra n dh i g h e r a tt h ep r e s e n tt i m e ，p r e s t r e s s e ds t r u c t u r eh a s a l r e a d yb e e np r e v a l e n ti nt h ed e v e l o p m e n to ft h eb r i d g e s b u tw i t ht h ea d v a n c e m e n t o ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，i tr e q u e s t st h a tm o r es c i e n t i f i ca n dl o g i c a ls t r u c t u r a l f o r mb eu s e di n p r a c t i c e t e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a lc h a r a c t e r s o fs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t e ( s f r p c ) o b v io u st h a ts f r p cs t r u c t u r es h o u l db e u s e d i t st e c h n o l o g ya n de c o n o m y s t r u c t u r em e e tt h e r e q u i r e m e n t i ti s e x t e n s i v e l yb e c a u s eo ft h er a t i o n a l i t yo f t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fs t e e lf i b e rc o n c r e t ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep r e s t r e s s e ds t r u c t u r ea tf i r s t t h i sp e r f o r m a n c eo fs f r p cs l a b s u n d e rf o u r + p o i n tf l e x u r a ls t a t i cl o a d i n ga n df l e x u r a lf a t i g u el o a d i n ga r et e s t e di nt e r m s o ft h r e ef i b e rc o n t e n t s t h r e ed i f f e r e n tl e v e l so fa p p l i e df a t i g u es t r e s sa r ec o n s i d e r e d c o m p a r i n gw i t ht h eb e h a v i o ro fs f r p cb e a m ，t h ef o r m u l af o rt h es t r a i g h t - r e s i s t a n c e o fs f r p cs l a b si se s t a b l i s h e do nt h ef o u n d a t i o no ff l e x u r a ls t a t i cl o a d i n 空t e s tr e s u l c s a c c o 。d i n gt of a t i g u ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ef a t i g u ee q u a t i o na n de q u a t i o no fs u r p l u s s t r e n g t hd e g r a d a t i o na r eb u i l t t h el a wo fd e g r a d a t i o no ff l e x u r a lr i g i d i t yi sa n a l y z e d b a s e do nt h ef a t i g u ec u m u l a t i v ed a m a g em o d e l s ，a d a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o nf o r f l e x u r a lf a t i g u eo fs f r p cs l a b si ss e tu p i tc a nb es u m m e du pf r o mt h es t u d yr e s u l t s ：t h es t a t i cf l e x u r a ls t r e n g t ho fs f r p c s l a b s1 sb e t t e r ；a tt h es a m ef a t i g u el i f e ，s f r p cs l a b sc a nb e a rh i g h e rs t r e s s l e v e lw i t h t h en b e rc o n t e n ti n c r e a s i n g ；a tt h es a m es t r e s sl e v e la n d c y c l e s ，t h es u r p l u ss t r e n g t ho f h i g e rc o n t e n to fs f r p cs l a b si s h i g h e r ；a tt h es a m ec y c l er a t i o ，d a m a g e0 fh i g e r c o n t e n to fs f r p cs l a b si sl o w e r i nc o n c l u s i o n ，t h ef u n c t i o no fs t e e lf i b e p i so b v i s o u s k e yw o r d s ：s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t e ( s f r p c ) s i a b s ，p r e s t r e s s e d c o n c r e t es l a b s ，s t r a i g h t r e s i s t a n c e ，f l e x u r a lf a t i g u e ，d a m a g eo ff a t i g u e 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刁芳 日 期：2 0 0 5 年年月矽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：壅型论文作者签名：盟节 日 期：2 q q 生 生月2 1 旦 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 混凝土是一种成分复杂、性能多样的建筑材料，在当代土木工程中有着非常 广泛的应用。它由粗细骨料、水泥等材料组成，其内部组成结构非常复杂。混凝 土的物理力学性能与许多因素有关。它具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便 宜的优点。但其存在的弱点一一抗拉强度低、韧性差等限制着其优势的发挥，制 约着混凝土材料的应用与发展。因此，许多专家学者不断探索改善混凝土性能( 提 高抗拉强度，增强韧性与延性) 的方法和途径1 】 ”。 1 1 钢纤维混凝土的力学眭能和研究现状 钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展 和阻滞宏观裂缝的发展，因此，它可以改善混凝土的脆性，增加韧性，提高其拉 伸、抗弯和抗剪强度。 1 1 1 钢纤维混凝土的力学性能 111 1 钢纤维混凝土的拉伸性能 钢纤维混凝土的拉伸性能是其诸优异特性的集中表现，也是钢纤维改善混凝 土的基本性能。在混凝土受拉过程中，在受力之前，钢纤维通过抑制混凝土收缩 减少与缩小了裂缝的数量和尺度；在受力后并达到初裂之前，钢纤维混凝土拉伸 应变达到混凝土基体极限应变时，混凝土基体并不立即开裂，直至轴拉应变倍增 时，钢纤维混凝土才有可能出现初裂缝。所以，钢纤维的掺入提高了混凝土的极 限应变值和混凝土的初裂强度。而且，根据钢纤维在混凝土中不同的体积率，其 抗拉强度的提高不同。通常，混凝土的基体强度等级c 4 0 ，钢纤维占混凝土的体积 率p ，= o 一2 ，其抗拉强度的提高1 1 3 2 0 4 ，极限应变的增大均超过1 5 倍， 最高可达2 4 倍”】。 1 1 1 2 钢纤维混凝土的弯曲性能5 】 钢纤维混凝土的弯曲性能是许多工程结构的重要性能，如公路路面，机场道 面、桥面以及其他承受弯衄荷载的结构和制品。钢纤维混凝土弯曲性能与轴拉性 能有很大的不同，其抗折强度比抗拉强度高。当荷载从零增到初裂值，荷载和变 形基本上是直线关系，此时，基体通过界面粘结力将荷载传给钢纤维，、二者共同 承担荷载，变形协调且处于弹性阶段；当荷载继续增加，钢纤维混凝土承受能力 增加，混凝土基体的裂缝随荷载的增加而逐渐扩展，变形曲线呈现弯曲状，钢纤 维幌凝土处于弹塑性阶段：当钢纤维与混凝土基体之间的界面粘结强度达到极限 】 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 时，钢纤维依次从基体中拔出，整体承受荷载的能力下降，但是，钢纤维被拔出 的过程中吸收能量，使荷载一变形曲线下降缓慢，这是钢纤维混凝土韧性的表现。 1 1 1 3 钢纤维混凝土的抗压性能 钢纤维对混凝土抗压强度的影响系数远比抗拉强度与抗折强度的小。钢纤 维的掺入能否提高抗压强度及其提高幅度的太小主要取决于混凝土基体强度的高 低。通常，当体积率p ，= o 2 ，钢纤维混凝土抗压强度仅提高1 5 ，平均只有 6 。尤其当混凝土基体强度偏低时，还将有降低抗压强度的可能，只有钢纤维增 强高强度混凝土时，其影响系数才有所提高 4 】。 1 1 1 4 钢纤维混凝土的断裂性能 素混凝土和钢纤维混凝土的三点弯曲荷载一挠度全曲线试验结果表明，素混 凝土的破坏荷载与挠度均小于钢纤维混凝土，而且素混凝土在荷载达到最大值后， 表现出脆性很大，微小的应变即可引起应力明显下降，出现裂缝就将迅速破坏( 达 到极限强度后，普通混凝土试件突然折断) ，而钢纤维混凝土软化段较长( 随着裂 缝宽度的增大而缓慢卸载) 。这是由于钢纤维的掺入，可以阻碍混凝土内部裂缝的 形成与扩展，钢纤维混凝土是随着钢纤维的被拔出而承载力逐渐下降的，而拔出 混凝土内部的钢纤维，需大量的能量。从两种混凝土断裂过程中所消耗的能量亦 可看出，钢纤维混凝土的断裂能明显高于普通混凝土 3j 。在挠度继续增大的过程 中，钢纤维混凝土的荷载一挠度曲线呈逐渐下降的趋势，而不像普通混凝土近于 直线下降m j 。 1 1 1 5 钢纤维混凝土的抗剪性能 钢纤维混凝土具有优异的抗剪性能，对提高钢筋混凝土结构抗剪能力有重要 的意义。钢纤维混凝土受剪时，钢纤维混凝土中的裂缝，受垂直于裂缝尖端的钢 纤维限制与阻挡，且在开裂之后，纤维不是受顺力方向拔出，而是与受力方向成 一角度，从而增大了纤维拔出过程中的锚固作用，推迟了剪切破坏过程，使抗剪 承载能力明显提高。通常，在保持其他条件不变的情况下，当p ，相同，钢纤维混 凝土的抗剪强度要比抗拉强度、抗折强度高。 1 1 1 6 钢纤维混凝土的抗折疲劳性能 文献 7 】指出：钢纤维混凝土疲劳性能的变化，是钢纤维对混凝土材料力学性 能影响的结果。钢纤维混凝土抗折疲劳试验结果的分析表明：在混凝土中掺入钢 纤维后，其抗折疲劳强度的提高幅度要高于抗折强度的提高幅度。换句话说就是 除了抗折强度的提高导致钢纤维混凝土疲劳强度的提高外，钢纤维混凝土疲劳强 度的提高还与钢纤维混凝土其它良好的性能有关，这包括钢纤维对混凝土裂缝扩 2 曼里翌三查兰堡主兰垡堡茎 苎至生! ! 坠 展的控制作用和混凝土具有较高的裂后应力。疲劳是多次微小损伤不断积累的过 程【8 】，这- - 煅- - 个耗能过程，这就决定了钢纤维混凝土的抗折疲劳强度不仅 与钢纤维混凝土的静力强度有关，还取决于钢纤维混凝土良好的韧性和较高的吸 能能力，这就是钢纤维混凝土疲劳曲线呈现非线性性质的主要原因。 1 1 2 钢纤维混凝土的应用前景及研究现状 采用纤维增强混凝土是改善混凝土性能的一个重要途径。纤维在混凝土中韵 主要作用是限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。在受荷初期，水泥基料和 纤维共同承受外力，前者是主要承受者；当基料开裂后，横跨裂缝的纤维和混凝 土就粘结作用成为外力的主要承受者。若纤维的体积掺量达到某一比值，整个复 合材料可继续承受较高的荷载，并能经受较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从 基料中拔出。纤维能有效地防止混凝土中裂缝的扩展，提高混凝土了抗拉强度、 变形能力、增强韧性与延性。 在工程实用中，常用的纤维有石棉纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、碳纤维、钢 纤维等，其中应用得比较多的是钢纤维。 钢纤维混凝土在土建工程中应用广泛，前景十分广阔。例如可以用于三维复 杂应力部位；用于预制桩的桩尖与桩顶部位，可取消预防护钢板和铁制桩尖，并 减少两端横向钢筋网的数量；用于抗震框架节点区，可减少钢筋用量，便于浇注 节点区的混凝土；用于受弯受拉作用的水管、刚性防水屋面、地下人防工程、地 下泵房和地下室的防水，均可取得良好的效果。 在桥梁建筑中，在混凝土拱桥受拉区段用钢纤维提高抗拉强度，可降低主拱 高度，减轻拱圈自重。钢纤维混凝土用于桥梁桥面新建或大修，用于修筑或改建 公路路面及机场道面，可大大延长维修的周期。在铁路小半径曲线及轨道接头两 侧，用钢纤维增强的预应力混凝土轨枕代替木枕等均有显著的经济价值。最近在 举世闻名的三峡工程对外交通公路重载( 汽一3 6 、挂2 0 0 0 k n ) 桥梁的桥面及钢管 拱肋也采用了钢纤维混凝土【9 【1 0 得到工程技术界的重视。在水工建筑中，钢纤维 混凝土用于高速水流冲刷、磨损部位、闸门的门槽，渡槽的受拉区，喷射钢纤维 混凝士用于水电站有压隧洞衬砌工程、大坝防渗面板、隧洞及泄洪洞以及矿山井 巷、房屋、桥墩等加固工程中；还用在海拔4 5 0 0 m 的永冻地区的公路路面，国防 工程中的防护门，海港港内道路及堆场工程罩面工程以及一些特殊结构和构件， 如钢筋混凝土煤仓，市政道路的排水井篦等【1 1 】。 对钢纤维混凝土进行研究，在工程实践中具有重要意义。近二十年来，国内 墨竺翌三查堂堡主堂垒丝茎 一苎三兰! i 坠 外对钢纤维混凝土的力学和结构性能做了大量的研究，并将其广泛应用于道路、 桥梁、隧道、水利、海洋、建筑等各项工程中。钢纤维混凝土大规模的试验应用 研究始于6 0 年代中期，7 0 年代开始迅速发展。美国和日本等国先后编制了钢纤 维混凝土试验方法标准和设计施工规程。在美国、欧洲和日本等国，在地下铁道 衬砌和机场跑道中，钢纤维混凝土也得到了广泛的应用。 我国钢纤维混凝土( s f r c ) 的研究虽起步于7 0 年代后期，但进展迅速。大 连理工大学赵国藩、黄承逵等在钢纤维混凝土应用的基本理论方面作了大量的研 究；哈尔滨建筑工程大学的樊承谋、赵景海等在试验方法方面作了许多研究，对 钢纤维混凝土的本构关系、刚度、抗裂性能、抗折性能等进行了大量试验研究； 武汉理工大学彭少民等在叠合构件、桩基承台等钢纤维混凝土应用方面作了系统 深入的研究；空军工程学院章文纲、程铁生进行了单调轴压荷载下钢纤维混凝土 应力一应变全过程以及钢纤维混凝土抗折强度的试验研究和抗折弹性模量的研 究。迄今完成的研究工作表明：钢纤维混凝土能有效地增强混凝韧性和延性， 降低受拉钢筋的工作应力；减少结构构件的裂缝宽度；提高结构构件的整体两4 度。 这些研究工作与应用极大地推动了我国的钢纤维混凝土在基本理论、结构设计、 施工水平及工程应用上的迅速发展，中国工程建设标准化协会在1 9 8 9 年制定钢 纤维混凝土试验方法和1 9 9 2 年制定钢纤维混凝土结构设计与施工规程，为 我国的钢纤维混凝土的试验方法和设计施工提供了标准。 1 2 预应力混凝土的应用发展状况 1 2 1 预应力混凝土的应用情况 1 9 世纪中叶钢筋混凝土( r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，r c ) 问世以后，2 0 世纪3 0 年代开始出现预应力混凝土( p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ，p c ) ，其结构的抗裂性、刚度 和承载力大大超过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围，拓展 了新的应用领域，使土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历 史时期。预应力混凝土结构最早是由著名的法国工程师弗来西奈( f r e y s s i n e t ) 1 2 研究成功的，他在1 9 2 8 年研制成功了预应力混凝土，指出预应力混凝土必须采用 高强钢材和高强混凝土。第二次世界大战后，预应力混凝土得到蓬勃发展，经过 数十年的研究开发与推广应用，取得了很大进展，在房屋建筑、桥梁、水利、海 洋、能源、电力及通讯工程中得到了广泛应用，节约了大量的材料与投资，促进 了社会生产的发展。目前，世界各国都在大力发展预应力混凝土，可以说，预应 力混凝土结构作为一种先进的结构形式，其应用的范围和数量是衡量一个国家建 4 昆明理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 筑技术水平的重要指标之一 1 3 1 【1 4 】。 采用预应力混凝土结构，不仅节约钢材，而且可以改善结构功能，解决其他 结构材料难以解决的技术问题。在楼盖和屋盖结构中，用预应力技术，可以增大 房屋结构的经济跨度，如上海色织四厂和北京永安公寓。在框架结构中，采用预 应力方案，可以使梁的高度降低，起到压缩层高的效果，如重庆沙坪建设工商 银行大楼。在高层建筑中采用预应力吊杆代替传统的钢筋混凝土柱，是一个降低 自重和节约钢材的有效措施。 预应力混凝土在公路桥梁中的应用日益普遍。国际上，首先在法国和德国采 用预应力混凝土修建桥梁，1 9 3 7 年曾建成跨径3 3 m 的预应力钢筋混凝土简支梁桥 和6 9 m 跨径的外露配筋的悬臂梁桥，以后又建成了不少简支梁桥、连续梁桥、刚 架桥和拱式桥。在国内，继2 0 世纪8 0 年代建成南防线茅岭江大桥和衡广线武水 白面石大桥两座大跨度预应力混凝连续梁桥以来，9 0 年代，大跨度预应力混凝 土连续梁桥在铁路上又有了进一步发展，并开始建设单箱单室的双线铁路连续梁 桥。 1 2 2 预应力混凝土结构的研究现状 预应力混凝土结构对预应力钢筋的总的要求是：强度高、较好的塑性、焊接 性能、与混凝土良好的粘结性能以及低松弛等 1 ”。作为预应力筋，主要是钢材， 但在近期以来，也发展了非钢材预应力筋。研究与使用非钢材预应力筋主要在德 国与日本，2 0 世纪7 0 年代后期，原联邦德国首先对用玻璃纤维加劲塑料代替预 应力钢材作为预应力筋作了大量试验。1 9 8 0 年开始用玻璃纤维加劲塑料( g f r p ) 预应力筋( 由1 2 7 5 m m 的g f r p 绞线) 修建了试验人行桥；1 9 8 7 年在道麦根 ( d o r m a g e n ) 修建了2 跨1 0 m 的重型公路预应力混凝土桥，用以更换在氯化物蒸 汽下严重腐蚀的i e t 桥。而日本则较早使用碳索纤维加劲塑料( c f r p ) 及芳纶纤维 加劲塑料( a f r p ) 作为预应力筋。1 9 8 8 年日本用c f r p 预应力筋修建了跨度5 7 6 m 、 宽7 m 的公路桥，1 9 9 6 年又用a f r p 预应力筋修建了长5 4 5 1 m 的茨城悬索板桥。 2 0 世纪9 0 年代后期加拿大等国也开始应用c f r p 绞线作为预应力筋。到1 9 9 7 年 为止，用纤维加劲塑料( f r p ) 预应力筋修建的预应力桥已有二十余座，公路桥 跨度最大做到3 2 5 m 。 预应力混凝土结构使用的混凝土要求强度高，因此，在配制高强度混凝土时 除采用标号较高的水泥外，还需尽量减少用水量或应用外加剂技术。近二十年来， 国内外普遍采用各种减水剂、塑化剂等外加剂，既降低用水量又节约水泥，达到 曼婴堡三奎茎堡主堂垒笙壅苎上兰! ! 坠 高强度和高流动性的目的。预应力混凝土结构使用的混凝土其轻质高强、高性能 是主要研究课题。混凝土减轻自重的主要途径是采用轻质集料。对于高强、高性 能混凝土，改善其物理力学性能的主要途径是研制改性混凝土。目前改性混凝土 主要有下列两种： ( 1 ) 纤维混凝土。在混凝土中掺入钢纤维、抗碱玻璃纤维或合成纤维，可 以大幅度地提高混凝土的抗拉强度、断裂韧性。对混凝土的抗压强度、弹性模量 的提高亦有作用。目前尚需在长期使用性能和施工性能工艺方面加以研究。 ( 2 ) 聚合物混凝土。它是有机聚合物与无机材料复合的新型材料，亦可分 为两大类： 树脂混凝土一一以树脂作为胶凝材料的混凝土。 浸渍混凝土一一将聚合物浸渍入混凝土内。全部漫渍的混凝土从根本上 改变了混凝土的力学性能，强度可提高2 4 倍，压弯弹性模量约提高5 0 8 0 等。但目前浸渍的目的不在于提高强度而在于增进其耐久性和耐腐蚀性。 1 3 预应力混凝土结构疲劳性能研究概况 在工程应用中，钢筋混凝土结构及预应力钢筋混凝土结构一般承受静载作 用，但工程中还有许多结构如铁路和公路桥梁，吊车粱，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的作用，随着这些经常承受重复荷 载作用结构的应用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一个不可忽视的问题。 有关混凝土疲劳的研究起始于上个世纪，早在1 9 0 6 年f e r e t 1 6 1 就率先进行了 混凝土的弯曲疲劳试验，给出了目前所公认的第一份试验报告。 1 9 2 2 年，c l e m m e r 的研究报告【1 7 ，介绍了美国伊利诺斯( i l l i n o i s ) 大学在 1 9 2 1 1 9 2 2 年间对4 组9 0 根混凝土梁进行的弯曲疲劳研究的情况。1 9 2 2 1 9 2 5 年h a t t 和c r e p p s 在其研究报告中，介绍了美国普渡( p u r d u e ) 大学混凝土弯曲疲 劳试验研究的情况。1 9 4 3 年，美国斯坦福( s t a n f o u d ) 大学的w i l l i a m s 对一批轻 骨料混凝土梁作了弯曲疲劳试验，对混凝土存在抗折疲劳极限的看法提出了疑问， 他认为混凝土不存在抗折疲劳极限8 1 。1 9 5 3 年，美国伊利诺斯大学k e s l e r 进行 了共计1 0 0 根混凝土梁的弯凿疲劳试验，结果表明，混凝土不存在抗折疲劳极限 1 9 20 1 。1 9 6 6 年，h i l s d o r f 和k e s l e r 进行了1 8 5 根混凝土梁在等幅及变幅重复应力 作用下的弯曲疲劳试验，探讨间歇时间及加载顺序对疲劳行为的影响。 和国际水平相比，国内对混凝土疲劳性能的研究起步较晚。 6 里望堡三查兰堡主兰垒兰奎要上量! ! 生 高强度和高流动性的目的。预应力混凝土结构使用的混凝土其轻质高强、高性能 是主要研究课题。混凝土减轻自重的主要途径是采用轻质集料。对于高强、高性 能混凝土，改善其物理力学性能的主要途径是研制改性混凝土。目前改性混凝土 主要有下列两种： ( 1 ) 纤维混凝土。在混凝土中掺入钢纤维、抗碱玻璃纤维或合成纤维，可 | 三l 大幅度地提高混凝士的抗拉强度、断裂韧性。对混凝士的抗压强度、弹性模量 的提高亦有作用。目前尚需在长期使用性能和施工性能工艺方面加以研究。 ( 2 ) 聚合物混凝土。它是有机聚合物与无机材料复合的新型材料，亦可分 为两火类： 树脂混凝土一一以树脂作为胶凝材料的混凝土。 浸渍混凝土一一将聚合物浸渍入混凝土内。全部浸渍的混凝土从根本上 改变了涡凝土的力学性能，强度可提高2 4 倍，压弯弹性模量约提高5 0 8 0 等。但目前浸渍的目的不在于提高强度而在于增进其耐久性和耐腐蚀性。 1 3 预应力混凝土结构疲劳- 性能研究概况 在工程应用中，钢筋混凝土结构及预应力钢筋混凝土结构一般承受静载作 用，但工程中还有许多结构如铁路和公路桥梁，吊车粱，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的作用，随着这些经常承受重复荷 载作用结构的应用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一个不可忽视的问题。 有关混凝土疲劳的研究起始于上个世纪，早在1 9 0 6 年f c r e t f l ”就率先进行了 混凝土的弯曲疲劳试验，给出了目前所公认的第一份试验报告。 1 9 2 2 年，c l e m m e r 的研究报告”7 1 ，介绍了美国伊利诺斯( i l l i n o i s ) 大学在 1 9 2 l 1 9 2 2 年间对4 组9 0 根混凝土梁进行的弯曲疲劳研究的情况。1 9 2 2 1 9 2 5 年h a t t 和c r e p p s 在其研究报告中，介绍了美国普渡( p u r d u e ) 大学混凝土弯曲疲 劳试验研究的情况。1 9 4 3 年，美国斯坦福( s t a n f o u d ) 大学的w i l l i a m s 对一批轻 骨料混凝粱作了弯曲疲劳试验，对混凝土存在抗折疲劳极限的看法提出了疑问， 他认为混凝土不存在抗折疲劳极限“”。1 9 5 3 年，美国伊利诺斯大学k e s l e r 进行 了共计1 0 0 根混凝土梁的弯曲疲劳试验，结果表明，混凝土不存在抗折疲劳极限 1 9 2 。1 9 6 6 年，h i l s d o r f 和k e s l e r 进行了1 8 5 根混凝土梁在等幅及变幅重复应力 作用下的弯曲疲劳试验，探讨间歇时间及加载顺序对疲劳行为的影响。 和国际水平相比，匿内对混凝土疲劳性能的研究起步较晚。 和国际水平相比，国内对混凝土疲劳性能的研究起步较晚。 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 9 7 4 年国家建委下达了“钢筋混凝土、预应力混凝土梁疲劳性能的研究”科 研项目。1 9 7 41 9 8 1 年曾进行了混凝土受弯构件正截面和斜截面在等幅荷载下的 大量试验，并在试验分析的基础上提出了响应的疲劳强度和裂缝宽度的计算方法。 1 9 8 0 年，中国建筑科学研究院建筑结构研究所对1 6 根非预应力和部分预应 力混凝土小梁以及3 根部分预应力混凝土梁的疲劳性能进行试验，讨论了不同预 应力程度对梁正截面疲劳强度的影响，阐明了受拉预应力钢筋、受压区混凝土的 疲劳性能；同时，讨论了斜截面疲劳强度、箍筋应力，以及裂缝宽度、挠度等问 题。在试验研究的基础上，提出了这类构件疲劳验算的方法【2 1 1 。 长沙铁道学院土木系从1 9 8 8 年开始进行预应力混凝土、部分预应力混凝土 和钢筋混凝土的模型梁静载破坏和动载疲劳试验。试验通过对三批l8 根t 型截 面低高度梁，2 4 根t 型和矩形截面的正常高度梁( 包括不同配筋的预应力混凝土， 部分预应力混凝土和钢筋混凝梁) 的分析，说明了长期动载对梁体应变和挠度 带来的影响，动载作用下钢筋的应力增量以及角动载作用下混凝土压应变的变化， 为混凝土受弯构件正截面的极限状态设计参数提供科学依据22 1 。 太原大学于1 9 8 8 年进行6 根混凝土梁在变幅重复荷载下斜截面的疲劳试验。 试验为t 型截面，试验主要参数是剪跨比和荷载水平。1 9 8 4 年西南交通大学进行 了l3 根部分预应力混凝土t 型梁的抗剪疲劳试验，试件尺寸是模拟预应力混凝 土铁路桥梁设计的，研究了重复荷载作用下斜截面的抗裂性能，裂后箍筋的应力 分布情况以及受剪承载力。其后又进行了4 根具有弯起预应力筋的部分预应力混 凝t 型梁的动载试验，重点研究剪跨比和预应力度对疲劳抗剪的影响1 2 3 。西南 交通大学还进行了4 根具有反弯点的部分预应力混凝土箱型伸臂梁的疲劳试验 【24 _ 。 1 9 8 9 年，大连理工大学通过对混凝土在轴心受压等幅和变幅重复应力作用下 的疲劳性能试验，分析了混凝土疲劳破损机理，给出了利用混凝土纵向变形大小 来作为疲劳破坏的判断准则，提出了2 个用来估算混凝土等幅疲劳寿命的计算公 式，分析了混凝土纵向变形的发展规律，给出了混凝土纵向应变随重复荷载作用 次数而增加的经验公式；进一步证实了估算在变幅重复应力作用下混凝土变形增 加的“变形唯一性”假设。 由姚明初、赵国藩等组成的混凝土结构疲劳专题组在试验的基础上，研究 了混摄土在等幅和变幅重复应力下的疲劳性能及混凝土受弯构件正截面和斜截面 的疲劳性能。主要研究成果如下方面2 5 ： 1 混凝土在等幅和变幅重复应力下疲劳性能的研究表明，混凝土在等幅和 7 垦望墨三查兰堡圭兰垡堡奎 苎! 兰堕垒 变幅重复应力下的疲劳失效可以作为混凝土变形的判据； 2 提出了混凝土结构疲劳承载极限状态可靠性的验算方法； 3 混凝土受弯构件正截面疲劳可靠性的研究结果表明，混凝土受弯构件正 截面中钢筋应变随荷载重复次数的增大而增大，但在荷载重复作用达到一定次数 之后，增加的速度趋缓，并趋于稳定； 4 混凝土受弯构件斜截面的理论可靠性的研究表明，在变幅重复荷载作用 下，在钢筋混凝土斜截面的受剪承载力中，混凝土也承担一定的剪力。 在上述的研究成果基础上，提出了混凝土受弯构件的疲劳验算方法一一等效 重复应力分项系数法。 1 9 9 2 年，西南交通大学结合6 2 根梁试件的常幅疲劳试验开展了混凝土疲劳 寿命概率分布的研究，提出了混凝土疲劳寿命服从两参数威尔分布的假设，其合 理性通过对试验结果的统计分析得以验证；同时，西南交通大学还通过18 根梁试 件两级加载制度下的变幅疲劳试验，探讨了m i n e r 线性累积损伤准则的适用性， 初步验证该准则不能较好地描述变幅荷载下混凝土弯曲疲劳行为，并对o h 提出 的非线性疲劳损伤理论作了进一步研究【2 ”。 1 9 9 7 年西安交通大学在静载强度试验的基础上，进行了3 个系列混凝土薄壁 管试件在复杂应力状态下的疲劳强度试验。 1 9 9 8 年，李永强等进行了混凝土试件在6 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，研究素混凝土受弯试件在变幅重复荷载作用 下的弯曲疲劳累积损伤性能27 1 。 总的来讲，混凝土结构的疲劳性能研究在结构疲劳性能的研究中所占的比例 甚少，但近年来，人们逐渐重视了对混凝土疲劳性能的研究。 1 4 预应力钢纤维混凝土梁的弯曲疲劳试验的研究现状 作者查阅了大量的相关文献资料发现，有关预应力钢纤维混凝土结构的研究 资料极少，特别是预应力钢纤维混凝土板的研究资料是少之又少。只有大连理工 大学( 预应力钢纤维混凝土梁斜截面疲劳性能试验研究2 引) ，昆明理工大学( 预 应力钢纤维混凝土梁斜截面承载力及裂缝宽度研究2 9 3 ) 做了相关的研究外，别人 再无问津，而且，在他们的试验中所采用的预应力筋是钢绞线和冷拉i i 级钢筋。 冷轧带肋钢筋是我国近年来引进和开发出的一种新钢种。它具有强度高、与 混凝土结合握裹力强等特点，已经广泛地应用与我国的建筑工程、市政工程中。 但是，从发达国家的情况来看，冷轧带肋钢筋不仅在建筑工程和市政工程中有较 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 广泛的应用，而更多的是用于水泥混凝土路面、机场道面和桥面板中。关于混凝 土的钢筋的疲劳性能，国内外不少学者在这方面进行了大量的研究，而把冷轧带 肋钢筋作为预应力筋的受弯构件疲劳性能的研究，在国内外还未见相关报导。 1 5 选题的依据及意义 公路桥所使用的钢筋混凝土桥面板，因受交通荷载作用，而易于损伤，同时 钢筋间的混凝土常出现脱落现象。出现这种现象的主要原因是，近年来交通荷载 日趋增加，但桥面板的截面或钢筋量因自重变大而不能增加，致使桥面板的承载 力和抗疲劳能力相对下降。桥梁工程竣工后，经过数年间使用，由于桥面板的损 伤，常常会出现需要修补的情况。 自钢纤维混凝土问世以来，国内外专家就曾预言“钢纤维混凝土的出现是继 预应力混凝土之后的一次技术革命”，特别是由于它具有很高的韧性，在抗拉、抗 弯、抗冲击、耐磨损、抗疲劳及控制裂缝方面都具备优良的力学性能，为桥面和 桥梁结构向着轻型、高强和大跨度方向发展提供了可能性。 本文研究的是预应力钢筋钢纤维混凝土板结构，主要是想通过试验的方法来 比较预应力钢纤维混凝土板和预应力钢筋混凝土板结构的不同，即研究钢纤维的 作用，为钢纤维混凝土和预应力混凝土构件提供更大的使用空间；同时也为冷轧 带肋钢筋的使用推广提供了理论基础。 预应力混凝土梁在掺入钢纤维后，其斜截面承载力提高及裂缝宽度减小，疲 劳性能增强 28 1 ，但是预应力铜纤维混凝土板的正截面承载力及疲劳情况如何，国 内尚无研究资料可查，国外也仅做了少量的试验研究。为此，本文的主要内容是 在试验的基础上，对预应力钢纤维混凝土板的正截面受力进行了分析并对其在等 幅重复荷载作用下的疲劳性能进行研究，建立了预应力钢纤维混凝土板的弯曲疲 劳方程和剩余强度衰减方程，并进行了预应力钢纤维混凝土板的刚度衰减分析和 损伤分析。 9 垦塑堡三查堂堡主兰垡堡奎2 坠兰望堕笪堕坚整塑量! ：! 鲨 第2 章试件的制备及静力试验 根据文献 3 0 的实际情况，本文对预应力混凝土板的尺寸按比例缩小。试验 采用的试件为实心板，尺寸b x h = 3 0 0 m m 8 0 r a m ，板长1 5 0 0 r a m ，实际跨度 1 2 0 0 r a m 。跨高比为1 1 5 。符合桥梁设计规范3 。 2 1 试件的制备 2 1 1 试验材料 根据以往混凝土疲劳试验的研究结果，混凝土强度等级并不是影响其疲劳性 能的主要因素2 1 ，因此本次试验只选取强度等级为c 3 5 的一种混凝土。其材料及 配合比如下： 钢纤维：重庆凌豪钢纤维有限公司生产，规格：3 5 r a m 0 8 m m 0 4 m m 。 预应力钢筋：冷轧带肋钢筋c r b 6 5 0 ，直径疹= 5 m m 。试验实测极限抗拉强度 平均值为6 9 2 8 m p a ，满足标准要求。张拉控制应力为o 7o ，p 加 水泥：云南澄江冶钢( 集团) 水泥有限公司生产，4 2 5 辑矿渣硅酸盐水泥。 集料：细集料用普通黄砂，粗集料用当地产碎石，最大粒径15 m m 。 外加剂：昆明嘉生混凝土外加剂公司生产，天艺牌m 2 5 早强减水剂。 水：采用当地的自来水。 材料配合比列于表2 - 1 ，试件是由昆明江南预制构件厂负责制作成型。 根据预应力混凝土的要求，结合本试验的实际情况，拟作如下设计 表2 - 1 预应力钢筋( 钢纤维) 混凝土基体的配合比 水泥水砂碎石外加剂水灰比 ( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g l m 3 ) ( w c ) a 组 4 5 52 0 09 9 09 1 42 0 50 4 4 b 组 4 1 018 07 2 61 1 8 42 0 50 4 4 2 1 2 试件的制备 a 组：预应力钢纤维混凝土板，钢纤维的体积率( 体积率是指每立方米混凝 土中所占的体积百分比) 分别为l ，2 ，共2 0 根，其中，6 根用来测试预应力 钢纤维混凝土板的抗折强度，其余的1 4 根进行应力比分别为o 8 5 、o 8 和o 7 5 的 疲劳试验。 b 组：预应力钢筋混凝土板，钢纤维的体积率为0 ，共1 0 根，3 根用来测 1 0 昆明理工大学硕士学位论文 第2 章试件的伟惜及静力试验 o 7 5 的疲劳试验。 为了在本文中的表述方便，把钢纤维含量2 的钢纤维混凝土称为a 一2 舟混凝 土：把钢纤维含量为1 的钢纤维混凝土称为a 。1 群混凝土；把钢纤维含量为0 的 普通混凝土称为b o 拌混凝土。 同时制作l5 0 m m 15 0 r a m x1 5 0 r a m 的标准试件9 块，a 2 # 、a 1 撑和b 一0 群混 凝土分别做3 块，用于测量( 钢纤维) 混凝土的2 8 天的抗压强度。 另外制作15 0 m m l5 0 m m 3 0 0 r a m 的标准试件18 根，a 2 # 、a 1 撑和b o 拌混 凝土分别做6 根，用于测量( 钢纤维) 混凝土的弹性模量和泊松比。 为保证钢纤维在混凝土中均匀分散，采用如下投料次序：先将钢纤维、骨料 和水泥搅拌均匀，然后加水和外加剂继续搅拌约3 m i n 。浆体搅拌均匀后装入试验 模具经震动成型，静置一天后编号拆模，然后自然养护。在制作a 2 # 混凝土试件 时，钢纤维偶有结团现象，采用人工二次分散。 2 2 试验方案的确定 2 2 1 加载方案 ( i ) 加载方式：分两点对称加载，如图2 1 所示。 静载试验：测量预应力钢纤维混凝土试件的最大载荷，然后计算出抗折强度。 以便确定预应力钢纤维混凝土板的疲劳应力水平。 测量参数有：荷载( p ) ，梁的挠度( 力。 弯曲疲劳试验：在m t s 试验机上进行加载波形为正弦波，频率为3 h z ，循 环特征值为0 1 。 测量参数有：荷载( p ) ，循环次数( n ) ，最大拉伸应变( e ) ，最大压缩应 变( e ) ，梁的挠度( 一，弹性模量( e ) 。 2 2 2 试件的配筋方式 如图2 2 所示。 垦塑墨三查兰堡主堂堡笙塞 苎! 童堕堡些型鱼墨璧塑蔓墅 。转。一起 厂 i b 支盘二 图2 - 1 试验板装置图图2 - 2 预应力钢筋布置图 2 3 抗压强度试验 试验采用试件尺寸为1 5 0 r a m x l5 0 r a m 1 5 0 r a m 的立方体试件来测定基体( 包 括钢纤维混凝土和普通混凝土，下同) 的抗压强度。b 0 # 混凝土、a 1 # 混凝土和 a 2 # 混凝土共3 组试件，每组3 个测定其2 8 天抗压强度，用来确定试验用混凝 土基体的强度指标。表2 - 2 为b - o # 混凝土、a 1 # 混凝土和a 2 # 混凝土2 8 天抗压 强度测试结果。 表2 - 2b - 0 # 、a - 1 # 、a 2 # 混凝土2 8 天立方体抗压强度试验结果 混凝土 试验结果平均值立方体抗压 类型 ( k n )( k n )强度( m p a ) 8 0 0 a 2 拌8 5 08 3 03 69 8 4 0 6 6 0 a 1 群 7 2 06 9 33 0 8 7 0 0 1 1 3 0 b 0 #9 1 01 0 5 3 4 6 8 1 1 2 0 2 4 混凝土基体受压弹性模量和泊松比的测定 24 1 静力受压弹性模量试验 混凝土基体弹性模量的测定采用粘贴电阻应变片的方法。粘贴的电阻应变片 的尺寸为1 0 0 r a m 5 r a m ，为浙江黄岩生产。 1 2 垦塑堡王查兰堡主兰垡鲨查 签! 兰立壁塑塑鱼墨塑! ! 苎垒 试验在无锡建筑材料仪器机械厂生产的n y l - - 2 0 0 d 型2 0 0 吨压力试验机上 进行。试验过程参考普通混凝土试验方法标准及钢纤维混凝土试验方法 中的规定，只是将书中采用标距的方法改为电阻应变片的测试方法来测定其变形， 另外在试件的横向也粘贴有电阻应变片用于测定试件的泊松比。 试验中b 一0 # 混凝土、a 1 # 混凝土和a 一2 # 混凝土试件共3 组，尺寸为1 5 0 m m 15 0 r a m 3 0 0 r a m ，龄期为三个月。每组6 个试件，其中3 个测定轴心抗压强度， 用于确定弹性模量试验的加荷标准，剩余3 个测定抗压弹性模量。测定的数据见 下表2