多侧压下混凝土受拉多轴疲劳试验研究

多侧压下混凝土受拉多轴疲劳试验研究

所谓破坏，是指在负荷、温度和环境的影响下，材料中微裂纹的形成、发展和形成，导致宏观裂纹的发生、发展和最终断裂。同时，它导致了材料性能的不良，如强度、刚度、耐度、稳定性和使用寿命缩短等。通常也把材料中的所有微缺陷都认为是损伤,而且D.Krajcinovic建议从几何上把微缺陷分为线缺陷(类位错缺陷)、面缺陷(扁平缺陷)和体缺陷(空洞),混凝土因其材料的非均匀性,因而体缺陷损伤是其主要表现形式。同时定义,损伤随着非弹性变形的增长而发生不可逆变化的规律称为损伤演化方程,其损伤变量是物质结构某种不可逆变化的一种定量反映,作为热力学内变量的损伤变量,一般情况下是由中间变量来确定的,比如面积、弹性模量等。而损伤及其演化规律,对于不同的材料和不同的荷载类型则具有不同的表达形式。对于混凝土来说,J.Lemaitre建议的体元尺度为100mm×100mm×100mm,因此,基于应变参量的损伤变量是反映分布微缺陷的平均效应。关于混凝土损伤本构方程的形式较多,如Mazars模型、Brooks模型和俞茂宏双剪理论模型等。而疲劳损伤则是在疲劳荷载低于一次性极限静载条件下的周期性作用下,上述损伤的不断累积过程,如疲劳应变、疲劳次数的增加,疲劳变形模量的降低等,最后导致结构疲劳破坏。从唯象观点上来说,通常情况下,疲劳试验一般要得到诸如疲劳寿命(S-N曲线)、疲劳强度(疲劳强度折减系数)、循环应力应变、疲劳累积应变、残余应变和疲劳变形模量等特征量,以此进行相关深入分析。事实上,对于特定条件下的疲劳,其特征量是基本恒定的,比如寿命、极限应变等,因此在疲劳荷载作用下,损伤量累积多少,则相应地就造成多少损伤,由此开展疲劳的损伤研究。其中混凝土疲劳损伤问题是混凝土结构动力试验研究、理论设计与工程评估应用等的一个重要方面,而损伤研究的核心则是确定疲劳损伤变量与混凝土某种性能之间的关系。从广义上来说,损伤变量可以是反映材料劣化的多种指示量,如疲劳循环次数、残余应变、疲劳残余强度和疲劳变形模量以及超声波速和声发射特性等。对混凝土多轴疲劳试验来说,不论是对受压还是受拉、抑或是拉压疲劳都较单轴受压疲劳试验复杂得多,特别是对设备性能要求极高,因此国内外在这方面的研究文献十分匮乏。国外在这方面的试验研究都局限于伪三轴或是扭转或是构件方面的疲劳[6～8],国内在这方面的研究工作,则是由大连理工大学的宋玉普教授主持进行的,其主要是基于国家自然科学基金《砼多轴变幅疲劳破坏准则》(50078010)项目进行的,试验是在由大连理工大学自行开发研制的大型动静真三轴试验机上完成的,该项目完成的试验内容主要包括单轴、单侧压和双侧压下的压-压、拉-拉和压-拉等幅与变幅疲劳,得到了一系列试验研究结果[9～12],本文正是基于这一项目完成的单、双侧压下混凝土等幅与变幅受拉疲劳试验结果。由于混凝土疲劳残余应变有其独特性,也就是残余应变-循环次数关系与疲劳累积应变-循环次数关系相类似,都呈三阶段曲线关系,而且疲劳破坏时的残余应变不受加载历程的影响(或很小),只与侧应力水平相关,也就是对相同应力状态下的疲劳情况,其残余应变基本相同[9～11,13～14],这说明混凝土疲劳残余应变有其相对独立性,因此以残余应变作为损伤变量有其可靠性一面。本文主要进行了单侧压分别为0.25fc和0.50fc、双侧压分别为0.25fc和0.25fc、0.25fc和0.50fc、0.50fc和0.50fc时的混凝土等幅与变幅受拉疲劳试验,根据试验结果,分别建立了基于残余应变的等幅与变幅疲劳损伤模型,为相关研究与应用奠定参考依据。1试验设备及设备特点本文试验混凝土设计强度为C30,水泥为大连海鸥425#普通硅酸盐水泥,集料为中砂,碎石,最大粒径为20mm,水为自来水,无外加剂。试验配比为:mc(水泥):ms(砂子):mg(石子):mw(水)=1:1.73:3.01:0.50,每方混凝土水泥用量383kg。成型模具为自制木模。试件形状及尺寸如图1所示。搅拌方式为机械搅拌,振动成型,24小时后拆模,室外洒水养护,90天龄期以后试验。试验设备为大连理工大学研制的大型三轴试验机,数据采集为计算机动态实时采集。该设备的主要特点是三个轴向加载方式均为液压分控,三向加载头均为万向球铰(可自动进行微调),水平向为可滑动轨道加载车(保证定侧压加载,数据输出也证明为定侧压情形),水平加荷时,在侧压面用层间涂抹黄油的三层聚已烯塑料薄膜作为减摩措施。由于三轴加载时,两个水平向均有加载头,因此难以采用应变片量测应变,本文是通过LVDT首先进行位移量测,然后再换算为应变,每个方向位移分别通过两支LVDT量测,然后按平均值计算。2拉拔试验方案在单、双侧压下混凝土受拉等幅疲劳试验中,其侧压分别为0.25fc和0.50fc及其组合,最小应力水平为0.10,最大应力水平则根据侧压大小及其数目增加从0.75降到0.25;加载应力波形为正弦波,加载频率一般为2Hz～8Hz,其频率大小则是根据侧压大小和数目而确定的,每种工况下疲劳试验试件数量一般为3～5个。而在单、双侧压下受拉变幅疲劳试验中,每类变幅疲劳试验都分为两个级别,即两级和三级试验,其中第一级循环次数为相应疲劳寿命的20%,而三级试验中的第二级循环次数为相应疲劳寿命的30%,加载频率为1Hz和5Hz。具体试验工况设计分别如表1、表2和表3所示。3疲劳残余应变的动态特性根据文献对混凝土单轴受拉疲劳残余应变研究结果,疲劳向残余应变与总应变的发展变化规律是一致的,即都服从三阶段曲线变化的规律,而且在疲劳破坏时的残余应变不受疲劳向应力水平的影响(或受较小影响),且与变幅加载历史关系不大。其中文献在最小应力水平为0.15,最大应力水平为0.65～0.85(步长为0.05),在等幅和变幅疲劳试验中,其残余应变在22.89µε～31.27µε(µε为微应变符号,即应变值的106倍,下同)之间变化。而文献在最小应力水平为0.08,最大应力水平为0.75情况下的等幅受拉疲劳残余应变约为65.6µε,文中认为某些试件的残余应变几乎和弹性应变一样大。不同文献间的残余应变的变化可能是由于混凝土的组成材料、试件规格与形状、试验方法及试验设备等引起的,而同一文献中的差异则可能是由于材料的非均质性的影响所致。对于本文试验内容,其试件形状与规格、混凝土材料与配比均与文献相同。实际上,关于混凝土疲劳的残余应变变化规律,不仅是受拉疲劳试验,而且受压疲劳试验也有同样的规律性,只是残余应变较受拉疲劳的残余应变要大得多,如文献。本文在单、双侧压下混凝土受拉等幅与变幅疲劳的残余应变随疲劳次数变化关系如图2、图3所示。对单、双侧压下等幅疲劳残余应变εr与循环次数n/N关系进行拟合,其方程如下:多侧压下混凝土受拉疲劳的极限应变及残余极限应变与相应应力条件下的静态峰值应变的平均值比较如表4所示。由图2、图3和表4可以看出,对不同侧压下的混凝土受拉疲劳残余极限应变基本不受疲劳向应力水平的影响,而影响的则只是侧应力水平。通过表4可以清楚地看到,疲劳残余极限应变与静态峰值应变及疲劳累积极限应变的比值比较稳定,其变化区间在0.22～0.28之间,相应两种比值之差在0.0～0.2之间。实际上,根据文献的研究结论,疲劳累积极限应变与相应应力条件下的静态峰值应变十分相近,因此疲劳累积极限应变与相应应力条件下的静态峰值应变之比应接近于1,因而两种比值相差很小。正是因为疲劳残余极限应变的稳定性,因此许多文献都以残余应变的比值作为损伤变量,由此对疲劳累积损伤进行分析,并可作为剩余疲劳寿命预测的依据。因而根据前文结果,则损伤模型有如下形式:式中a、b、c是方程的系数,与加载工况和疲劳残余极限应变εr0有关,其图形形状与图2、图3相似。根据式(1)～式(6),经进一步非线性拟合,则有:而在单、双侧压下混凝土受拉等幅疲劳的损伤与疲劳循环次数关系如图3所示。由图3可以看出,在双侧压下分别为0.25和0.50及0.50与0.50情况下的损伤曲线十分接近,这是为什么呢?由表4可以看出,这是因为两者的残余应变与极限残余应变之比十分接近的缘故,其他曲线也有类似的关系,比如损伤的初始阶段要比相应条件下的疲劳应变累积曲线长些,并且十分接近。根据疲劳残余应变损伤模型可对变幅疲劳寿命进行预测,以两级变幅疲劳试验为例,当第一级疲劳寿命达到后测出第一级疲劳残余应变εr1,然后在第二级疲劳的某一寿命处如50次设置测点,测得残余应变为εrt2,然后利用式(1)～式(5)先算出相对应的相对等效疲劳次数n1/N1e、n2r/N2e;其次,对Miner准则进行稍加改变,即以相对等效疲劳寿命进行替代,也就是De=n1/N1e+n2r/N2e,其中De为混凝土疲劳的等效损伤值,据此可进行疲劳预测。而三级变幅疲劳寿命预测方法类似。根据上述原理,变幅疲劳寿命预测结果如表5所示。在单、双侧压下受拉变幅疲劳寿命相对误差分布如图5和表6所示。由图5、表5和表6可以看出,在多侧压下的混凝土受拉变幅疲劳寿命预测结果还是比较合理的。由于混凝土多轴疲劳,特别是受拉疲劳试验受影响因素较多,试验极其困难,因此数据离散极大,其最大误差竟超过3倍;但对于这种应力条件下的疲劳寿命预测结果来说,绝大多数的误差还是可以接受的,这说明基于残余应变所建立的损伤模型还是较为合理的。4残余应变-疲劳相对次数关系方程的建立(1)混凝土在多侧压下的受拉等幅疲劳,其残余极限应变与静态峰值应变及疲劳累积极限应变比值较为稳定,其变化区间在0.22～0.28之间,且相应的两种比值相差0.0～0.2之间;同时表明,残余极限应变及疲劳累积极限应变与加载历程无关(或很小,可不计),主要与侧应力水平有关;(2)不论是等幅还是变幅疲劳,残余应变因其表现的稳定性,即不因加载历史的影响,也即残余应变-疲劳相对次数关系与熟知的疲劳累积应变和疲劳变形模量-