构件的疲劳性能(郭家齐)

1、目录目录疲劳性能的简介疲劳性能的简介疲劳破坏实例及分析疲劳破坏实例及分析构件疲劳性能的改善构件疲劳性能的改善1. 疲劳性能的简介疲劳性能的简介 疲劳破坏： 钢筋混凝土结构的疲劳破坏是在反复荷载作用下损伤不断累积，承载力逐渐降低直至丧失的过程，其疲劳性能与构件的材料(混凝土和钢筋)性能和它们之间的连接密切相关。 混凝土结构疲劳性能的研究可分为两个阶段： 第一阶段主要是着眼于混凝土结构疲劳破坏的极限状态； 第二阶段是疲劳损伤全过程衰减规律。 材料破坏机理材料破坏机理 交变应力引起金属原子晶格的位错运动位错运动聚集，形成分散的微裂纹微裂纹沿结晶学方向扩展（大致沿最大剪应力方向形成滑移带）、贯通形成宏

2、观裂纹宏观裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展，宏观裂纹的两个侧面在交变载荷作用下，反复挤压、分开，形成断口的光滑区突然断裂，形成断口的颗粒状粗糙区。2005年年4月月7日日 苏州偃月桥倒塌苏州偃月桥倒塌2.2.疲劳破坏实例及分析疲劳破坏实例及分析1994年年10月月21日韩国汉城汉江圣水大桥坍塌日韩国汉城汉江圣水大桥坍塌3. 构件疲劳性能的改善构件疲劳性能的改善纤维增强复合材料纤维增强复合材料(FRP) 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,或Fiber Reinforced Plastic,简称FRP)是由增强纤维材料,如玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维等,与基体材料经过

3、缠绕,模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同,常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP),碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。1. 预应力碳纤维薄板加固钢筋混凝土梁试验本次疲劳试验梁在本次疲劳试验梁在MTS810MTS810材料试验机上进行加载。材料试验机上进行加载。该试验机可自动记录荷载值、循环次数以及跨中挠度该试验机可自动记录荷载值、循环次数以及跨中挠度等动态试验数据等动态试验数据。2. 疲劳破坏模式 与加载头接触的表面混凝土压碎 跨中出受拉钢筋疲劳断裂 碳纤维薄板从加固梁的一端完全剥落 在循环荷载作用下，加固梁上部受压区混

4、凝土疲劳损伤不断累积，当受压区混凝土超过其抗压疲劳强度被压碎而导致梁发生疲劳破坏时，受拉钢筋和碳纤维薄板均未达到其极限拉应变，碳纤维薄板界面尚未完全剥离，这种破坏时受压区混凝土疲劳压碎破坏。 在循环荷载作用下，加固梁中受拉纵筋由于疲劳损伤不断累积而发生屈服，加载至一定次数时，加固梁中一根受拉筋首先发生疲劳断裂，引起应力重分布，其余钢筋的应力突增，跨中处弯曲裂纹快速扩展，中性轴上移，受压区混凝土面积减小，加固梁迅速丧失承载能力而破坏，这种破坏是钢筋疲劳断裂破坏。 在弯曲荷载作用下，加固梁跨中附近会产生疲劳受弯裂纹，裂纹根部处碳纤维薄板与混凝土界面会出现应力集中，当两者相对滑移量增大并超过临界值时

5、，碳纤维薄板开始发生局部剥离。随着循环次数增加，界面疲劳损伤不断累积，界面裂纹向碳纤维薄板自由端扩展，当界面裂纹尖端的应力强度因子达到临界值时，碳纤维薄板迅速从加固梁的一端完全剥落，丧失抗拉作用不参加工作。由于应力重分布，受拉钢筋应力突增，钢筋瞬间发生屈服或断裂，加固梁丧失承载能力而破坏，这种破坏为界面剥离破坏。3. 疲劳寿命分析 受压区混凝土疲劳压碎破坏 钢筋疲劳断裂破坏 界面疲劳剥离破坏度。为混凝土圆柱体抗压强土的最大、最小应力；分别为受压区上缘混凝、应力幅，表示混凝土受压上缘的其中式中，ccccccccccffSSNminmaxminmax,6 .159 .15lg 现有试验结果表明，受

6、弯构件在稳定的循环荷载作用下，受压区混凝土的疲劳寿命与加载水平之间的关系能较好地服从单对数方程或双对数方程。疲劳寿命与加载水平之间的关系疲劳寿命与加载水平之间的关系：受压区混凝土疲劳压碎破坏受压区混凝土疲劳压碎破坏log61. 40 .17logN 笔者收集了近10年来报导的关于FRP片材加固钢筋混凝土梁发生钢筋断裂破坏模式的试验数据，试件的疲劳寿命对数logN与应力幅值log之间的关系基本呈线性分布，其回归系数r为-0.92，利用最小二乘法对该试验数据进行线性拟合，可得到拟合方程：钢筋疲劳断裂破坏钢筋疲劳断裂破坏随着荷载循环次数的增加，界面裂缝将不断扩展。本试验对界面裂纹进行了测量，得到了最大荷载为32.5kN、试验编号分别为P4-2和P4-1的界面裂纹长度a与循环次数N的关系曲线。为，为此试验中，一般由试验确定。为由材料决定的常数，、，为应力强度因子幅值，式中，54. 5422.262/minmaxmCmCKKKKKCdNdam裂纹扩展的第3阶段，裂纹长度急剧