混凝土受拉疲劳试验及寿命预测

混凝土受拉疲劳试验及寿命预测

0静态和单轴受拉疲劳随着混凝土结构物力学研究的深入，混凝土在多轴应力下的静、动态（包括疲劳）研究越来越受到重视。同时，由于混凝土材料的高度分散，因此很少有研究在拉压组合下进行，但也未报道在定侧压下的牵引疲劳试验。目前，关于混凝土拉伸疲劳的研究很少，而且也有少量的牵引疲劳试验。在压压应力下，混凝土的极限疲劳减小，相应地，牵引疲劳的存在也降低了极端抗压强度。因此，混凝土的抗压强度是最危险的。因此，静态和单轴压的疲劳研究、弯曲牵引和开裂牵引对混凝土结构的破坏意味着混凝土结构更危险。本文在混凝土侧压分别为0.25fc和0.50fc时进行大量的受拉疲劳试验,以揭示混凝土在单侧压下的受拉疲劳基本特性,为相关工程设计与结构评估提供基本参考.1混凝土疲劳性能试验试验在大连理工大学自行开发研制的真三轴试验设备上进行,所采用的试件形状与尺寸如图1所示.本次试验混凝土的设计强度为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20mm,水为自来水,无外加剂;试验配比为m(水泥)∶m(砂子)∶m(石子)∶m(水)=1∶1.73∶3.01∶0.50,每m3混凝土水泥用量383kg.成型模具为自制木模,搅拌方式为机械搅拌,振动成型,24h后拆模,室外洒水养护,90d龄期以后试验.本文试验所用设备的主要特点为侧向和竖向加载头都为球铰连接,可以进行自动微调,侧向可以水平滑动.侧压减摩措施为3层聚乙烯塑料薄膜及其层间和加载头、试件侧压面用黄油减摩.竖向联结则是通过试件的预埋螺栓与加载头紧固的.本次试验是在侧压分别为0.25fc和0.50fc,最小应力为0.10ft,最大应力分别为0.75ft、0.60ft和0.45ft时的混凝土受拉疲劳试验.其中ft为图1所示形状的试件静态抗拉强度,fc为试件中间部分经3层聚乙烯塑料薄膜且层间为黄油减摩后的抗压强度.试验方法如图2所示.通过试验发现,上述fc的确定方法与150mm×150mm×300mm的试件抗压强度确定方法基本一致,试验中利用前述方法更加合理.疲劳试验结果如表1所示.2试验结果的分析2.1sma和s1s-n的s-n关系根据最小二乘原理分别得到统一的疲劳方程和各子方程:lgN=21.0418-5.9375s1-72.1260Smin-12.8404Smax(1)Smax=0.8855-0.05963lgN,s1=0.25,Smin=0.1(2a)Smax=0.8294-0.07457lgN,s1=0.50,Smin=0.1(2b)S-N关系如图3所示.2.2应力应变为正,y向y向应力应变曲线如图4所示(限于篇幅这里只给出两种应力水平下的情况).符号规定如下:z向(即σ1向)为拉,应力应变为正;y向(即σ3向)为压,应力应变为负;下同.从整体上来说,不同侧压下的混凝土受拉疲劳的应力应变曲线分布特点相一致,也就是初始和结束前曲线分布较稀疏,而中间阶段则较紧密,即呈现疏-密-疏的特点,这和单轴受拉疲劳相一致.2.3单轴受拉疲劳初始应变和后应变的变化中.应变与循环次数关系曲线如图5所示.可见,在一向侧压作用下,混凝土受拉疲劳应变随循环次数的变化趋势与单轴受拉疲劳的应变发展趋势是一致的,也就是都服从三阶段规律,即初始和结束前应变发展得较快,而在第二阶段(中间部分)的发展却相当平稳.但由于侧应力的存在,疲劳向和侧向的初始应变都较大(绝对值),并且随着侧应力的增大而增大,这和单轴受拉疲劳是完全不一样的.2.4根据力学性能确定变形模量定义1变形模量为图4中应力应变曲线的中值应力与最小应力的差与下降段相应应变差的比值,通过推算其数学表示如下:Etm=σ1max−σ1min2(εm−ε1min)(3)Etm=σ1max-σ1min2(εm-ε1min)(3)式中:σ1max为疲劳向最大应力(MPa),σ1min为疲劳向最小应力(MPa),εm为下降段总应变的中值(10-6),ε1min为最小应力所对应的总应变(10-6).由图4计算出各应力水平下的混凝土疲劳变形模量比如图6所示.从图6可以看出,虽然疲劳变形模量比随着循环次数的变化有起伏,但总体还是服从三阶段发展规律的,这一点和单轴受拉疲劳情形相一致.但由于侧应力的存在,在疲劳稳定时的变形模量损失较多,而且疲劳破坏前的模量也较小,这和单轴情况是不一样的.2.5应变、疲劳变形模量比与循环次数的线性关系定义2应变率:考虑疲劳试验加载频率情况下,把疲劳次数转换为相应的疲劳时间(s),某点应变与对应的时间之比,其数学表示如下:定义3变形模量率:考虑疲劳试验加载频率情况下,把疲劳次数转换为相应的疲劳时间(s),某点疲劳变形模量比与对应的时间之比,其数学表示如下:etm=enm/tn=enm/(n/f)(5)式中:εt、etm为数学变换符号,εn、enm分别为循环次数为n时所对应的总应变和疲劳变形模量比,tn为循环次数为n时所对应的时间,f为疲劳试验加载频率(Hz).通过定义2和定义3分别把图5和图6转换为对数线性关系,如图7所示.限于篇幅,这里只给出一种应力水平下的两种线性方程:当s1=0.25,Smin=0.1时lgεt=-0.9518lgn+2.8328,Smax=0.45,r=1.00,f=8Hz(6)lgetm=-1.0463lgn+0.9653,Smax=0.45,r=1.00,f=8Hz(7)式中:r为相关系数.从上述方程和图7可以看出,应变及疲劳变形模量比与循环次数关系的三阶段曲线分别经过εt和etm变换后被转换为线性关系.这些线性关系只与疲劳试验时的加载频率有关,利用这一规律可以对应变及疲劳变形模量比随循环次数变化趋势进行预测.另外,通过应变与循环次数关系的第二阶段变化稳定规律,利用第二阶段应变增长率对疲劳寿命进行预测有如下方程:lgN=−4.316−0.9482lgε˙snd,max,s1=0.25(8)lgN=−4.342−0.9978lgε˙snd,max,s1=0.50(9)lgΝ=-4.316-0.9482lgε˙snd,max,s1=0.25(8)lgΝ=-4.342-0.9978lgε˙snd,max,s1=0.50(9)式中:ε˙ε˙表示应变增长率,下标snd表示第二阶段,max表示疲劳向最大应力水平.3应变及疲劳变形模量比与循环次数关系曲线(1)得到各级应力水平下的疲劳方程及总的疲劳方程.(2)应力应变曲线分布表现为疏-密-疏的特点.(3