结构疲劳试验终.ppt

结构疲劳试验课件 结构疲劳试验 疲劳试验的历史及实例疲劳试验的内容疲劳试验机结构疲劳试验的方法混凝土受弯构件疲劳破坏的标志疲劳试验的观测疲劳试验试件的安装混凝土疲劳性能试验研究现状 1 疲劳试验的历史 1829年德国人阿尔贝特 J Albert 为解决矿山卷扬机服役过程中钢索经常发生突然断裂 首先以10次 分的频率进行疲劳试验 1852 1869年德国人沃勒 A W hler 为研究机车车辆开始以15次 分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳试验 以后又用试样以72次 分的频率在旋转弯曲疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验 他的功绩是指出一些金属存在疲劳极限 并将疲劳试验结果绘成应力与循环周次关系的 曲线 又称为Wohler曲线 因此应力 疲劳寿命曲线称为 S N曲线 自从1936年以后也叫 W hler曲线 1 实例 载荷F的大小循环变化 联杆内应力随之变化 每个齿随齿轮转动循环受力 齿内应力循环变化 起落架因飞机起落而反复受载 载荷不变 轴转动 2 疲劳试验的内容 研究性疲劳试验一般研究以下内容 应力随荷载重复次数变化情况 开裂荷载及开裂情况 裂缝的宽度 长度 间距及其随荷载重复次数的变化 最大绕度及其变化 疲劳极限 疲劳破坏特征 鉴定性疲劳试验 3 疲劳试验机 疲劳试验机概述疲劳试验机 是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸 压缩或拉 压交变负荷的疲劳性能试验的机器 疲劳试验机特点是可以实现高负荷 高频率 低消耗 从而缩短试验时间 降低试验费用 电液伺服疲劳试验机 功能用途 主要用于捡测各种材料 零部件 弹性体 橡胶弹性体和减振器的动 静态力学性能试验 试验机操作灵活方便 移动横梁升降 锁紧 试样夹持均由按钮操作完成 采用先进的液压伺服驱动技术加载 高精度动态负荷传感器和高分辨率磁致伸缩位移传感器测量试件力值和位移 电液伺服扭转疲劳试验机 功能用途 主要用于金属及非金属等各种材料扭转试验 进行静态或动态扭转疲劳耐久性试验 能实现扭矩及扭角的测量和控制 通过增配相应夹具 还可进行各种零件的扭转试验 并可配备高温炉 低温箱 腐蚀箱等环境箱 完成材的在不同坏境下的力学测试 电液伺服拉扭疲劳试验机 功能用途 主要用于金属材料及其构件等零部件的拉 压 扭 多向复合试验 能在正弦波 三角波 梯形波 斜波 用户自定义波形下进行多种试验 根据试验部件的不同可以进行以下试验 1 单纯拉压疲劳试验2 单纯扭转试验3 拉 压 扭复合试验 电液伺服腐蚀疲劳试验机 功能用途 电液伺服腐蚀疲劳试验机专用于钛合金及其他材料在恒幅轴向加载和腐蚀环境条件下的腐蚀疲劳强度和腐蚀疲劳寿命测试 4 结构疲劳试验的方法 1 按试样破断时应力 应变 循环周次高低可分为 低周疲劳试验 高周疲劳试验 失效循环周次大于5X的称为高周疲劳试验 小于5X的称为低周疲劳试验 2 按试样的加载方式可分为 拉 压疲劳试验 弯曲疲劳试验 扭转疲劳试验 复合应力疲劳试验 弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验 圆弯曲疲劳试验 平面弯曲疲劳试验 又可分为三点弯曲 四点弯曲 悬臂弯曲疲劳试验 3 按应力循环的类型可分为 等幅疲劳试验 变频疲劳试验 程序疲劳试验 随机疲劳试验等 5 混凝土受弯构件疲劳破坏的标志 一 正截面疲劳破坏的标志是某一根纵向受拉钢筋疲劳断裂 或受压区混凝土疲劳破坏 二 斜截面疲劳破坏的标志是1某一根与临界斜裂缝相交的腹筋 箍筋或弯筋 疲劳断裂 2混凝土剪压疲劳破坏 3与临界斜裂缝相交的纵向钢筋疲劳断裂 腹筋配筋率很高 腹筋配筋率正常或较低时可能发生 纵向配筋率较低 三 在锚固区钢筋与混凝土的粘结锚固疲劳破坏 四 在停机受力情况进行一个循环的静载试验时 出现下列情况之一 1 受拉主筋处的最大裂缝宽度达到1 5mm 或挠度达到跨度的1 50 将此作为钢筋屈服的标志 一般配筋适中的梁 多数出现这种标志 2 受压区混凝土破坏 这是一种脆性破坏 此时受拉主筋处的最大裂缝宽度未达到1 5mm 且挠度小于跨度的1 50 配筋过多或混凝土强度太低的梁 出现此种标志 3 受拉主筋拉断 这是另一种更为危险的脆性破坏 它发生于配筋过少或预应力过高的梁 6 疲劳试验的观测 1 疲劳强度科研性试验是以疲劳极限强度和疲劳极限荷载作为最大的疲劳承载能力 构件达到疲劳破坏时的荷载上限值和应力最大值分别为疲劳极限荷载和疲劳极限强度 为了得到给定疲劳应力比值 值 条件下的疲劳极限强度和疲劳极限荷载 一般采取的办法是 根据构件实际承载能力 取定最大应力值 作疲劳试验 求得破坏时荷载作用次数n 从与n双对数直线关系中求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度 作为标准疲劳极限强度 它的统计值作为设计验算时疲劳强度取值的基本依据 2 应变测量一般采用电阻应变片测量动应变 测点布置依试验具体要求而定 测试方法 动态应变仪和记录器或静态应变仪等3 裂缝裂缝的开始出现和微裂缝的宽度对构件安全使用具有重要意义 因此 裂缝测量也很重要 目前测裂缝的方法是利用光学仪器目测或利用应变传感器电测 4 挠度接触式测振仪 差动式位移计 电阻应变式位移传感器或百分表 停机作静载试验时 7 疲劳试验试件的安装 具体安装应注意 严格对中保持平稳安全防护 8 混凝土疲劳性能试验研究现状 纵观目前国内外关于混凝土疲劳的试验研究情况 整体上可以划分为两个方面 简单应力状态下的疲劳在简单应力状态下 研究者做了大量关于混凝的轴压 轴拉 弯拉 拉 压疲劳的试验研究复杂应力状态下的疲劳在复杂应力状态下 国内外的研究有少量关于多轴疲劳及考虑周围约束的拉 压疲劳的资料 另外 考虑温度 腐蚀等环境的混凝土疲劳试验研究则是极少 受压疲劳 单轴受压国内外目前关于混凝土单轴受压疲劳试验一般都在电液伺服万能疲劳试验机上进行以不同应力水平和应力比与相应混凝土疲劳寿命的关系 建立S N方程 从而得出混凝土的抗压疲劳强度 Aas Jakobsen最早提出了最大应力水平与加载次数的直线形式Wohler方程 如图1所示的典型的三阶段疲劳变形规律 即在等幅压载作用下变形的加速增长 稳定增长以及不稳定增长的三个阶段 其中 N为加载次数 Nf为疲劳命 Smax为最大加载应力比 为疲劳应变 从图1中还可以看出在同一循环次数比的情况下 最大应力水平越高 应变及变形也越大 应力比 指对试件循环加载时的最小荷载与最大载荷之比 双轴受压疲劳目前对于双轴受压疲劳试验主要考虑两个受压方向上的加载历程 应力比大小及加载次数3个方面的影响 少量定侧压下的双轴疲劳试验 则主要考虑侧压力大小对混凝土疲劳性能的影响 由于双轴疲劳试验机的限制 试件一般采用立方体 三轴受压疲劳对于混凝土的三轴受压疲劳试验国内外研究资料则较少 曹伟等就定侧压混凝土的三轴受压等幅疲劳问题做过试验 试验得出定侧压混凝土的三轴疲劳破坏是以混凝土侧压的急剧增大拐点为标志 并且以该点所对应的纵向应力作为混凝土在不同侧压工况下的极限强度 通过对变形性能的分析可以看出 三轴压载作用下混凝土纵向最大和最小应变的发展规律 应力 应变曲线均表现出类似单轴 受弯疲劳 抗弯疲劳在有的文献中又称抗折疲劳 所研究的对象一般为混凝土或者预应力混凝土梁板 抗弯疲劳问题因其在公路桥梁交通领域中大量出现 使得相应的试验研究资料较多 素混凝土的弯曲疲劳目前 国内外对于素混凝土的受弯疲劳性能的试验研究 以小跨径的梁和板为研究对象 通过龄期 加载频率 应力水平的不同来分析混凝土受弯疲劳寿命和疲劳强度 抗弯试验一般采用三分点加载或跨中加载的方式 钢筋混凝土梁的弯曲疲劳 对于配有高强钢筋的高强混凝土梁在等幅弯载下的抗弯疲劳性能试验研究也比较多 试验重点大都放在了等幅疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的裂缝宽度 挠度以及疲劳刚度的变化规律上 钟铭等通过对几组钢筋混凝土梁受弯疲劳过程中裂缝和挠度的观测 得出高强混凝土梁随着疲劳荷载循环次数的增加 此外 还总结出疲劳荷载作用N次后构件的裂缝宽度可根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数来计算 然而 目前的资料对于变幅疲劳荷载作用下混凝土结构的疲劳性能研究较少 而实际结构则主要承受变幅荷载的作用 受拉疲劳 由于大部分的混凝土结构在使用过程中受拉区的混凝土已经开裂 因此结构设计中总是忽略混凝土材料的抗拉强度 而由钢筋承受结构的拉应力 又加之试验得出的抗拉强度离散性很大 所以目前国内外对于混凝土抗拉疲劳的试验资料较少 单轴受拉疲劳Cornelissen等完成的混凝土轴拉疲劳试验是很具有说服力的资料 他们采用 120 300圆柱体试件 进行了250个等幅疲劳试验 得到混凝土轴拉疲劳方程为lgN 14 18 14 52ftmax ft 2179ftmin ft同时他们还得出混凝土静载强度的离散性导致疲劳寿命离散性的主要原因 多轴受拉疲劳 关于混凝土的多轴受拉疲劳性能 大连理工大学的赵东拂和杨健辉进行了变截面混凝土棱柱体试件在一向定侧压约束和两向定侧压约束下的双轴和三轴受拉等幅和变幅疲劳试验研究 根据结果得到定侧压下双轴和三轴疲劳S N曲线方程分别为 拉 压疲劳 由于拉 压疲劳试验对试验设备的要求较高实现疲劳加载所需的夹具制造难度大 试验过程控制复杂 试验周期长 并需要有雄厚的人力 物力和财力支持 所以 到目前为止 关于混凝土在波动拉 压疲劳方面的研究资料极少 总结 从受压 受拉 受弯及拉 压疲劳的试验可以看出 混凝土单轴受压 受拉以及拉 压疲劳的试验研究较多 多轴受压 受拉疲劳较少 试验试件中以混凝土梁或立方体试件较多 板作为试验试件则很少 由于试验受到试验设备 试验条件 环境等因素的影响 试验结果表现出多样性 具体试验结果的可行性 重要性还要通过以后进一步的试验研究得以确定 橡胶试片疲劳试验 橡胶试片是橡胶材料研究中最为常见的测试对象 因其制造工艺简单 试验周期较短及疲劳测试时占用资源较少等性能 经常在拉伸 拉伸率 蠕变及疲劳等材料属性测试中使用 本次橡胶材料单轴拉伸疲劳属性试验的主要目的在于探讨固定载荷比R下 其疲劳试验方案 试验原理 测试其加载过程中的应变 盈利率及应变能密度所呈现的变化值 试验对象 本次试验设计了如图4 2的橡胶试片做为测试对象 该试片两端为夹持段 中间段为疲劳观测区域 本次试验共硫化了200张2mm厚的试片 用于裁剪哑铃型试片 可获哑铃型橡胶试片约800条 测试设备 此次试验选用Demattia公司生产的EKT 2102DFT型FlexingFatigueTester 柔性疲劳测试系统 该设备如图4 3所示 可进行高 低温疲劳性能测试 本次试验使用设备工具如表4 1所示 其性能指标如表4 2所示 测试