国内结构混凝土疲劳性能研究现状.pdf

1 3 4 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1 年 1 0月( 上) 第 2 5卷第 1 0 期 国内结构混凝土疲劳性能研 究现状 刘 巍 ， 荣 辉 ( 1 兰新铁路甘青有限公司， 兰州 7 3 0 0 0 0 ； 2 东南大学材料学院， 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 对国内结构混凝土疲劳性能的研究动态进行 了较为全面详细的阐述。着重阐述了应用较多的钢筋预 应力混凝土、 高强混凝土、 高性能混凝土、 纤维混凝土的疲劳研究， 同时简单介绍 了活性粉末混凝土和多孔混凝土疲 劳性能的研究。通过对国内各类结构混凝土疲劳性能研究现状分析， 以期对国内研究者以后研究混凝土疲劳性能有 所帮助。最后提出研究结构混凝土在多重环境 因素耦合作用下疲劳性能的必要性。 关键词 疲劳 钢筋混凝土 高强混凝土 高性能混凝土 活性粉末混凝土 多孔混凝土 S t u dy o n Fa t i g u e Pr o p e r t i e s o f S t r u c t u r a l Co n c r e t e i n Chi n a LI U W e i ，RONG Hu i ( 1 Ga n s u a n d Qi n g h a i Co ，Lt d ，La n - Xi n Ra i l wa y，La n z h o u 7 3 0 0 0 0 ； 2 Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ) Ab s t r a c t Th e r e s e a r c h o n f a t i g u e p e r f o r ma n c e o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e i s e x p l a i n e d i n d e t a i l Th e f a t i g u e p r o p e r t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ，h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ，h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ，f i b e r c o n c r e t e a r e d e s c r i b e d，r e s p e c t i v e l y F u r t h e r mo r e ，t h e f a t i g u e r e s e a r c h o f t h e r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e a n d p o r o u s c o n c r e t e a r e p r e s e n t e d Th e f a t i g u e p e r f o r ma n c e o f v a r i o u s s t r u c t u r e c o n c r e t e i n Ch i n a i s a n a l y s e d a n d i s c o n d u c i v e t o t h e f u t u r e r e s e a r c h Fi n a l l y ， i t i s n e c e s s a r y t o r e s e a r c h t h e f a t i g u e p e r f o rm a n c e o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e u n d e r c o u p l i n g mu l t i p l e e n v i r o n me n t a l f a c t or s Ke y wo r d s f a t i g u e ，r e i n f o r c e d c o n c r e t e ，h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ，h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ，r e a c t i v e p o wd e r c onc r e t e，po r ous c on c r e t e 疲劳是指材料在小于静载强度的荷载重复作用下所 发 生的内部性能变化过程 ， 这种变化可能是 由损伤导致裂纹进 一 步扩展或荷载达到足够重复次数后的完全断裂引起的， 它 是材料 、 构件和结构最主要的破坏形式之一 。混凝土结构是 当今世界上使用最广泛的结构形式之一， 这类结构对建造和 使用过程中的安全性、 技术合理性和经济性有着 重要的影 响， 历来是结构工程人 员深 入研究 的课题 。本 文总结 了 1 O 年来国内对各类结构混凝土疲劳性能的研究情况， 并讨论 了 当前研究混凝土结构疲劳性能存在 的问题。 1 钢筋预应 力混凝 土疲 劳性能研 究现状 1 1 钢筋与混凝土界面处疲劳特性研究 钢筋混凝土以其优越的复合材料特性被广泛应用 于建 筑领域 。在实际工程中， 许多钢筋混凝 土结构如铁路桥梁、 公路桥梁 、 吊车梁及海洋平 台等除了承受静荷载作用外， 还 会承受循环荷载的作用， 并时常伴有混凝土开裂和钢筋拉断 等现象发生。当混凝土裂缝发展到一定程度后 ， 在裂缝附近 通常会出现沿钢筋方 向的界面脱粘 ， 这对混凝土横向开裂起 到一定的延缓作用 ， 而此时钢筋将继续承受外加荷载的作用 直至完全拔出或拉断。由此可 以看出界面脱粘研究 的重要 性， 尤其是循环荷载作用下的界面疲劳问题更加不可忽视 。 2 0 0 3 年北京交通大学 的陈艳华 等 针对钢筋与混凝土 界面疲劳特性研究不多的现状， 基于已有的纤维增强复合材 料界面疲劳的研究理论 ， 采用单筋布置的同轴圆柱体一 剪切筒 作为简化钢筋混凝土试件的几何模型( 见图 1 ) 。 该模型相应的柱坐标系选取 如图 1 ( a ) 所示 ， 图 1 ( b ) 为 裂纹扩展示意图。由图 1 ( a ) 可见， 直径为 2 n的钢筋沿轴 向 埋入外径为 2 6 的混凝土中， 混凝土基体底部置于试验台上， 模型顶端完全 自由， 外加疲劳荷载 a ( t ) C 施于钢筋下端， 其 中 C 。 一n 。 6 。 为钢筋的体积比。图 1 中 z 为界面脱粘长度 ， L 为试件整体长度。他们在图 1 的几何模型基础上， 同时考虑 钢筋与混凝土界面疲劳损伤不均匀性及 由热收缩和泊松效 应引起界面法向压力 ， 给出界面脱粘应力及界面疲 劳裂纹扩 展速率的表达式， 这两种表达式均与界面脱粘长度和循环次 数有关 。研究结果表明， 摩擦系数 的衰减程度是影响界面脱 粘应力及裂纹扩展的主要因素 ， 而且材料的尺寸效应对界面 疲劳特性的影响也不容忽视。2 0 0 5年， 崔畅等 在 2 0 0 3年 的研究基础上分别研究了线性衰减模型、 幂指数衰减模型和 修正的幂指数模型 3 种不 同界面损伤模型下脱粘界面疲劳 裂纹扩展速率、 扩展长度与循环加载次数的关系。研究结果 刘巍： 男， 1 9 8 3年生， 助理工程师， 从事混凝土施工 E - ma i l ： x i a o z h u r o ngh u i 1 2 6 c o m荣辉： 通讯作者 E - ma i l ： x i a o z h u r o n g h u i 1 2 6 c o m 国内结构混凝土疲劳性能研究现状 刘 巍等 1 3 5 表明， 经过修正的线性衰减模 型( 工) 和修正的幂指数衰减模 型( I I I ) 模拟的界面脱粘具有共同点 ， 即损伤的发展均可分为 3 个阶段： 第 1 阶段 ， 初始裂纹在一定循环次数 内不会扩展 ； 第 2 阶段 ， 随着循环荷载作用次数 的增加 ， 疲劳裂纹开始扩 展， 且会 出现一个扩展的峰值 ， 此阶段 ， 既有 由于界面不断磨 损促进裂纹加速扩展的因素 ， 也有由于裂纹扩展新增 的开裂 界面阻止裂纹扩展 的因素 ， 当两 者作用相 当时 ， 裂纹扩展即 达到峰值 ； 第 3阶段 ， 裂纹扩展 速率下降并逐渐趋 于平缓。 由于模 型 工、 均考虑 了脱粘界面上损伤分布 的不均匀性 ， 所以得到的结果对长试件更合理 ， 见图 2和图 3 。而根据幂 指数衰减模 型( ) 计算的结果表明， 在相当长的循环内界面 的损伤增长非常缓慢， 但随后损伤急剧增长 ， 由此可知， 此模 型不适合长试件 ， 而较适合于混凝土短试件。 0 筋 凝土 ( t ) C ( b ) 裂纹扩展示 意图 图 1 钢筋混凝土界面脱粘模型 Fi g 1 I n t e r f a c i a l d e b o n d mo d e l o f r e i n f o r c e d c o n c ret e g o 1 00 0 之 5 O 0 UU U Z U 4 O 6 0 1 U N1 0 6， 次 图 2 裂纹扩展速率与加载次数的关系 Fi g 2 Th e re l a t i o n s h i p b e t we e n c r a c k g r o wt h r a t e a n d l o a d i n g t i me s 山东建筑大学 的李士彬等 3 针对锈蚀钢筋混凝 土梁弯 曲疲劳性能研究较少 的现状 ， 于 2 0 1 0 年对 6 根局部无黏结 钢筋混凝土梁进行 了弯 曲疲劳试验 ， 并模拟了黏结退化 的极 端情况。试验结果表明 ， 局部无黏结梁中钢筋的疲劳断裂位 置都处在有无黏结的分界面上； 试验梁的刚度随跨 中完全无 黏结区段长度的增加而减小， 荷载水平越高 ， 刚度 退化越 明 显 ； 试验梁中钢筋 的应力范围是影响梁疲劳寿命 的最主要 因 素 ； 锈后钢筋混凝土梁疲劳寿命的降低主要是 由钢筋 的截 面 积减小和疲劳强度退化引起的， 与黏结退化 的关系不大， 仅 梁中钢筋最大应力的增大与黏结退化有关， 且荷载水平越高 受黏结退化的影响越大 ； 建议分析锈蚀钢筋混凝土梁 的疲 劳 寿命时设定黏结退化对梁的疲劳寿命无显著影响。 图 3 裂纹扩展长度与加载次数的关系 F i g 3 Th e rel a t i o n s h i p be t ween c rac k g r o wt h l e n g t h an d l o a d i n g t i m e s 1 2 腐蚀一 疲劳双重因素下对钢筋混凝土梁性能影响 的研究 处于腐蚀环境 中的结构疲 劳寿命远低于一般空气环境 中的结构疲劳寿命 ， 这表明交变应力与腐蚀介质对结构破坏 有着共同作用 ， 称为腐蚀疲劳。处于腐蚀环境 中的钢筋混凝 土梁在反复荷载作用下 同样也会发生腐蚀疲劳破坏。尽管 疲劳破坏形式仍然是钢筋断裂 ， 但钢筋混凝土构件的腐蚀疲 劳有别于裸露钢筋材料的腐蚀疲劳。就试验方法而言 ， 对没 有缺 口的材料进行腐蚀疲劳试验时， 荷载系统的作用使材料 承受交变的均匀拉应力 ， 材料 与腐蚀介质的接触是 均匀 的， 而钢筋混凝土构件中的钢筋则不同。另外 ， 钢筋混凝土构件 在荷载作用下 ， 受拉区会产生裂缝 ， 腐蚀介质易于侵入裂缝 ， 钢筋不能受到混凝土的保护， 且有裂缝截面的钢筋应力较无 裂缝截面的大。因此构件 中钢筋的腐蚀疲 劳断裂有其 自身 的特点和规律 ， 需要进行专门的研究。 在 自 然环境和使用环境 中， 钢筋混凝土结构 中钢筋 的腐 蚀是一个电化学过程 ， 这种过程起源于由各种原 因产生 的钢 筋表面的电位差 ， 电位差越大， 腐蚀速度越快。通过测定构 件表面的半 电位 ， 可以相对确定构件中钢筋是否腐蚀及腐蚀 程度 ， 测定 的电位越负 ， 腐蚀 的可 能性及腐蚀 程度越大_ 4 。 根据上述原理， 2 0 0 5年大连理工大学的贡金鑫等L 5 对尺寸为 1 2 0 mmX 2 0 0 mmX 1 7 0 0 m m、 跨度为 1 5 m、 强度等级为 C 3 o 的钢筋混凝土梁试件在空气环境 、 淡水环境和模拟的盐水环 境下， 以及不施加荷载、 施加静力荷 载和高周疲劳荷载下进 行 了 4 点弯 曲试验 ， 试验环境和加 载参 数的组合如表 1所 示 ， 每个组合有 2 根梁 。 1 3 6 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1 年 1 0月( 上) 第 2 5卷第 1 0期 I l 2 I 3 4 5 3 5 盐水 3 5 盐水 3 5 盐水 空气 空气 疲劳 疲劳 疲劳 疲劳 疲劳 1 2 5 1 2 5 1 2 5 4 0 4 O 3 1 3 65 4 2 3 1 3 6 5 1 3 - 6 空气 疲劳4 0 4 2 第 0 、 1 1 0 次 、 5 1 0 次、 1 O 1 O 次、 2 O 1 O 次、 3 0 1 0 次时 测腐蚀电位 通过分析不施加荷载、 静力荷载和疲劳荷载下梁在盐水 环境中的腐蚀电位变化 ， 同时分析疲劳荷载下钢筋混凝土梁 在淡水环境和盐水环境下腐蚀电位 的差异得： ( 1 ) 淡水环境 中的腐蚀要较盐水环境 中的腐蚀慢 ； ( 2 ) 荷载对腐蚀具有促 进作用， 施加荷载较不施加荷载的腐蚀过程快， 施加疲劳荷 载较施加静力荷载的试件腐蚀过程快 ， 荷载水平越高， 影响 越明显。荷载的作用加快 了构件 电化学的过程 ； ( 3 ) 荷载与 环境对钢筋混凝土构件的腐蚀具有耦合作用 ， 不同的荷载与 环境组合 ， 耦合作用的效果不 同。当存在静力荷载时， 盐水 环境中的构件较淡水环境中的构件腐蚀快； 当存在疲劳荷载 时 ， 构件腐蚀速度由快到慢的排列顺序是 ： 盐水环境 、 淡水环 境、 空气环境 。2 0 0 5 年， 贡金鑫等在钢筋混凝土梁腐蚀疲劳 试验的基础上 ， 对疲劳断裂的钢筋断 口进行扫描电镜和化学 分析_ 6 。通过对空气环境中、 淡水环境中和盐水环境 中钢筋 的疲劳断 口形貌分析， 发现三者都存在疲劳源区、 疲 劳发展 区和断裂区， 而这些区域都对应着钢筋 的裂纹萌生、 裂纹稳 定扩展和不稳定扩展的各个阶段 ， 其中裂纹萌生是在金属表 面某些位置上发生的局部过程 。当此表面在腐蚀 环境 中暴 露时， 疲劳开裂过程加速 。裂纹源可以是钢筋表面的原始缺 陷、 裂隙， 也可以是 由于腐蚀造成 的缺陷。在循环荷载作用 下 ， 材料表面的缺陷易产生应力集中， 为加剧局部腐蚀创造 了条件 ， 加快 了疲劳源的生成 ； 疲劳裂纹 的扩展包括稳定扩 展和不稳定扩展两个方面。疲劳裂纹扩展 区的断 口相对 比 较光滑、 平整， 表现为指纹状疲劳条纹， 这些条纹是裂纹在以 不同速率的扩展中， 在断口上留下 的不同瞬时痕迹。光滑平 整的断 口形貌是 由裂纹开合过程 中断面相互摩 擦引起的。 腐蚀疲劳裂纹的扩展是一个电化学作用和力学作用相结合 的动力学过程 。 1 3 冻融一 疲劳双重因素对钢筋混凝土梁性能影响的 研究 在长期冻融损伤环境下 ， 预应力结构产生了微损伤。因 此验算这些结构在反复荷载作用下的疲劳能力时， 应考虑在 冻融损伤环境下的疲劳。而 目前 的研究情况是将疲 劳与冻 融分开而单独研究， 这样的研究不符合疲劳和冻融循环同时 作用的客观实际， 难 以正确判断混凝土的损伤过程和程度。 b 图 4 冻融循环产生的内应力 Fi g 4 Th e s t r e s s d u e t o f r e e z e - t h a w c y c l e 针对 以上现状 ， 江苏大学 的刘荣桂等 采用三点弯曲加 载方式研究了不同冻融循环次数条件下长度为 5 1 5 mm、 横截 面为 1 0 0 mmX 1 0 0 mm、 强度等级为 C 6 0的 5根预应力混凝 土梁的疲劳性能。各构件试验过程及现象见表 2 。他们讨论 了混凝土结构在冻融循环条件下疲劳损伤机理 ， 认为在等温 差 、 等降温速度的条件下， 可假设冻融循环试验在混凝土中 引起的应力是锯齿状的循环荷载 ， 如 图 4所示。混凝土结构 在经历一定冻融循环次数后， 等效于先进行 了一级疲 劳加 载， 在混凝土结构内部形成 了初始的损伤 。因此 ， 混凝土结 构在冻融循环条件下 的疲劳损伤就可以等效为混凝土结构 在两级疲劳加载下的损伤 。他们利用疲 劳累积损伤理论研 究 了二级疲劳荷载下混凝土结构的损伤， 通过对相对动弹性 模量衰减规律的研究， 建立了双因素下的损伤破坏模型。 刘荣桂等建立的损伤模型为 ： D一 0 2 6 7 1 ( N ) 。 。 I_ ( 1 ) 式中： k 为冻融损伤因子 ， 表示不同冻融循环次数对混凝土 疲劳性能的影响； 为冻融次数； N 为疲劳损伤次数。同时 将上述模型计算 的损伤度与试验测得 的基于相对动弹性模 量定义的损伤度进行对 比， 发现两者误差在 1 6 以内。 国内结构混凝土疲劳性能研 究现状 刘 巍等 1 3 7 结构疲劳破坏与静态性能一样 ， 在一定次数作用下结构 破坏与否是一个不确定的事件， 所 以结构的疲劳性能可以用 概率的方法加 以计算E 。2 0 0 9年刘荣桂等E 提出了冻融 作用下预应力混凝 土结构疲劳的可靠度概率计算方法并得 出结论 ： 预应力结构在低次数冻融后 的疲劳相可靠度变化规 律并不明显 ， 而当冻融次数 比较高时 ， 可靠度变化 表现 出比 较明显的 3 阶段曲线关 系。同时建立 了考虑预应力度和冻 融次数关系较为合理的多次多项式 。 表 2 5根梁的试验过程描述 Ta b l e 2 The t e s t p r o c e s s d e s c r i p t i o n o f 5 g i r d e r s 试件 试验情况 试验现象 L1 冻 疲 劳 黧 盖 一一 次时， 梁内受拉钢筋断裂 ， 观察构件裂缝还可以发现 ： 主要有 2 条垂直裂缝 ， 其中 1 条贯穿破 冻融 2 5 次+ 疲劳试验 冻融 5 O次+ 疲劳试验 冻融 7 5次+ 疲劳试验 L 5 静载试验 当循环 1 1 0 1 O 1 0 次时， 发现裂缝发展 比较缓慢但较 L 1 要快， 主要是原有冻融循环 产生的裂缝在长度上有所发展， 并伴有少许新裂缝的产生 ； 当循环至 2 O 1 0 次时 ， 发现裂 缝发展更快。在原有裂缝之间产生新裂缝 ， 并向上发展； 循环 3 O 1 O 次以后裂缝发展比较 平稳 ， 当继续循环至 3 4 0 1 6 3 1 0 次时， 梁内受拉钢筋断裂， 观察构件裂缝还可 以发现： 主 要有 1 条斜裂缝破坏， 宽度超过 0 2 m m， 构件破坏时可以看出受压区混凝土有 明显压碎 的 现象 试验初期大约 5 1 O 次裂缝发展明显 ， 应该是冻融引起的细裂纹在疲劳荷载的作用下扩展 所至 ， 在循环初期大约 2 O 1 O 次之前 ， 裂缝发展 比较缓慢 ， 到 4 2 7 1 9 8 1 0 次后梁内受拉 钢筋断裂 ， 观察构件可以看出： 主要 由 2 条裂缝 以中间 1 条贯穿破坏为主， 裂缝宽度已经很 大 ， 超过了 0 2 m m， 但受压 区混凝土并未压碎 当循环 1 1 0 5 1 0 次时， 发现裂缝发展较快 ， 主要形成 3 条裂缝 ， 并伴有少许新裂缝的 产生 ； 当循环至 3 O 1 0 次之后 ， 发现裂缝发展更快， 已经形成 1 条垂直裂缝 ； 当继续循环至 5 9 3 0 9 5 1 0 次时， 梁内受拉钢筋断裂 ， 观察构件裂缝 还可 以发现： 主要有 2条垂直裂缝 ， 其中 1 条贯穿破坏， 宽度超过 0 2 mm， 构件受拉区有明显的破损 ， 但是受压区混凝土没有发 生压碎的迹象 在荷载 1 8 k N左右， 纯弯段内混凝土抗拉能力最薄弱截面出现第 1 条垂直裂缝， 裂缝宽度为 0 O l mm左右 ； 当荷载达到 6 2 k N左右时， 纯弯段内主要裂缝基本完全 ， 主要裂缝有 3 条 1 4 纤维对钢筋混凝土梁疲劳性能影响的研究 2 0 0 7 年西安建筑科技大学的张兴虎等E “ 研究了用碳素 纤维布加固后铁路桥梁的疲劳性能 。试验表 明， 加固的混凝 土梁经 2 0 0 万次疲劳后强度和刚度没有下降， 同时没有发生 剥落和脆断现象 。2 0 0 8 年江苏大学 的石启 印等_ l 从碳纤维 布加固方式 、 构件使用荷载等参数方面研究 了碳纤维布加固 钢筋混凝土吊车梁的抗弯疲劳性能。研究表 明， 采用碳纤维 布加固后 ， 构件裂缝 的宽度减小 了5 O 2 6 6 ， 发展速度 也得到控制， 钢筋应 力减小 了2 4 1 2 8 2 ， 构件 的刚度 提高了 1 4 9 1 6 1 。同时依据试验结果 ， 结合现有规范 中关于构件刚度计算以及寿命分析的方法， 计算分析 了碳纤 维布加 固钢筋混凝土 吊车梁的疲 劳刚度及寿命 。理论分析 结果表明， 用该方法计算得到的结果可以满足工程上对精度 的要求 。最后 以试验结果为基础 ， 对碳纤维布加 固梁的疲劳 设计提出了合理化建议 。华南理工大学的黄培颜等E ” 将 1 8 根尺寸为 1 8 5 0 m m1 0 0 mm2 0 0 m m 的碳纤维薄板增强钢 筋混凝土梁分为 4组分别进行弯 曲疲劳试验。按照他们提 出的碳纤维增强钢筋混凝土梁的容许疲劳寿命 和极限疲 劳 寿命 的概念 ， 得出了 SN 和 P S N 曲线 ， 见 图 5 一图 8 。由 图 5 一图 8 可发现碳纤维薄板增强梁的容许疲劳寿命和极 限 疲劳寿命分别是其静载极限强度的 6 5 和 6 7 。 N c y c l e s 图 5 容许疲劳寿命的 N 曲线 F i g 5 T he N c u r v e o f a l l o w f a t i g u e l i f e 同时他们还提出了一种只需少量循环加载 ( 研究 中建议 取 一1 0 0 1 0 0 0 ) 的非破坏性弯曲疲劳试验数据就能预测该 1 3 8 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1年 1 0月( 上) 第 2 5 卷第 1 0期 增强梁疲劳寿命的新公式： ， 一c + l n l n NJ ( 2 ) 式中： C、d是常数， 是加载次数 ，N 是疲劳寿命 。一般 l n n l n Nj 的变化范围在 0 1之间。最后， 通过另外 3根碳 纤维薄板增强梁 的疲劳试验对所提 出的寿命预测方法进行 了验证 ， 发现与试验结果符合度较高。 0 7 9 N c y c l e s 图 6 极限疲劳寿命的 N 曲线 Fi g 6 Th e N c u r v e o f e x t r e me f a t i g u e l i d N c y c l e s 图7 容许疲劳寿命的 s _ 曲线 F i g 7 Th e p_ s N c u r v e o f a l l o w f a t i g u e l i d 图 8 极限疲劳寿命的 P - S - N 曲线 Fi g 8 Th e l N c u r v e o f e x t r e me f a t i g u e l i d 2 高强混凝土疲劳性能的研究现状 国内对普通混凝土结构疲劳问题 已进行 了大量研究， 在 设计规范中有明确的条文解释， 但对高强混凝土结构的疲劳 问题研究较少。与普通混凝土相 比， 高强混凝土具有高密实 性、 高强度和脆性等特点 ， 在疲劳荷载作用下更易发生脆性 断裂 ， 需要深入探讨其疲劳特性 。 = j 匕 京交通大学的钟铭等 】 “ 以受拉钢筋配筋率和循环 特性为参数 ， 设计制作了 1 3 根梁， 9根梁混凝土强度等级为 C 7 0 ， 4根梁混凝土强度等级为 C 4 0 ， 采用三点加载方式 ， 分析 了高强混凝土受弯构件在高周重复荷载作用下的变形性能 。 他们指出对于配筋率为 0 7 l _ 4 的高强混凝土梁 ， 混凝 土弯曲受压的变形模量 E 与轴心受压弹性模量 E 的关系 为 E 一0 7 8 7 E ， 同时根据试验还得 出了疲劳变形模量 E 与混凝土轴心受压弹性模量 E 的关系为 ： E2 =0 7 8 7 T E 一( O 7 8 5 3 一O 0 1 8 7 1 n N) E ( 3 ) 式中： y 为疲劳变形模量 降低系数 ， N 为疲劳荷载作用次数 ( 1 0 次 ) 。 他们还研究了高强混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下 裂缝发展规律和疲劳刚度的变化 ， 分析认为高强混凝土受弯 构件在疲劳荷载作用下刚度降低， 裂缝宽度增大 。与普通混 凝土梁相 比， 高强混凝土梁裂缝在初期 的发展速度 明显大于 普通混凝土梁 ， 在高应力水平循 环下 ， 2 1 0 5 1 O 次 即 进入稳定发展阶段。但在裂缝进入稳定发展阶段后， 其裂缝 发展的速度小于普通混凝土梁 。 高强混凝土梁裂缝特点为： 裂缝一经出现 ， 开展宽度即较大 ， 一般 开裂时裂缝宽度可达 0 O 4 O 0 8 m m， 且在梁侧向上延伸很快， 配筋率越低裂缝宽 度越大。这反映出高强混凝土材质脆、 延性差。随着疲劳荷 载循环次数的增加 ， 在 1 1 0 1 O 1 0 次 内裂缝宽度 伽 变化较快， 随后则基本稳定下来。 针对混凝土阻尼功能低、 不适于长期处于频繁振动荷载 作用下的缺点 ， 武汉理工大学 的田耀刚等l 1 在高强混凝土中 引入阻尼器 ， 制备 出具有阻尼功能的高强混凝 土， 并对该混 凝土在振动荷载作用下 的弯曲疲 劳性能进行 了研究。结果 表 明，与同强度等级的普通高强混凝土相比， 具有阻尼功能 的高强混凝土抗疲劳性能明显提高 ， 随着振 动疲 劳荷载增 加， 具有阻尼功能的高强混凝土寿命明显缩短且近似服从两 参数威布尔分布 。他们把这种结果归结为混凝土疲劳破坏 的过程为材料 内部存在 的原始微裂纹对于动态荷载响应扩 展的过程 ， 响应越剧烈 ， 混凝土内部存在的原 始裂缝越易扩 展， 则 昆凝土的振动疲劳破坏越迅速 。而 当混凝土 中引人采 用特殊材料和工艺制备的阻尼器时， 阻尼器可发挥两方面作 用： ( 1 ) 内养护作用 ， 它可降低水泥水化对毛细孔 内水分的依 赖， 减小收缩裂缝产生数量 ， 提高水 泥水化程度， 优化水泥 昆 凝土体系中的孔隙结构 ， 改善普通集料与水泥石之间的界面 过渡区性能， 提高普通集料与水泥石之间的黏结强度 ， 同时， 其 自身弹模低 ， 变形能力强 ， 这样又可缓解混凝土体 系内部 的应力集中， 这些因素都降低了阻尼混凝土中原始微裂缝 的 数量； ( 2 ) 提高了混凝土的阻尼功能， 降低了 昆 凝土材料在振 动疲劳荷载作用下 的动态响应及其对混凝土材料内部原始 微裂缝扩展的推动作用。 华南理工大学的胡瀚 1 通过向高强混凝土中添加钢纤 维和乳胶 的方法来提高其抗疲劳性能， 并对其增强机理进行 了探讨。他认为在高强混凝土中掺入钢纤维和乳胶， 一方面 由于钢纤维的阻裂效应抑制了裂纹的发展 ， 另一方面由于乳 胶的掺入改善 了孔缝结构， 提高 了混凝土的断裂韧性 ， 使得 在应力不变的条件下较大幅度地提高了高强混凝土的疲劳 国内结构混凝土疲劳性能研 究现状 刘 巍等 1 3 9 性能。东南大学的孙伟 院士等 在原有 的 型 预应力混 凝土轨枕 的基础上掺人体积率为 1 的钢纤维 以及 1 钢纤 维和 1 5 硅灰( 取代水泥量) 的复合物 ， 分别制备了预应力钢 纤维高强混凝土轨枕和预应力钢纤维硅灰高强混凝土轨枕， 并系统研究了它们在疲 劳荷载作用下裂缝宽度和高度的变 化规律。他们认为利用钢纤维优异 的阻裂效应和硅灰 的填 充效应、 微集料效应和火山灰效应对混凝土内部微观结构 的 改善 以及钢纤维和硅灰诸效应的复合， 可以大幅度提高 型 预应力混凝土轨枕的抗疲劳能力 ， 降低在相同应力下裂缝 的 宽度和高度， 从而减少和延缓裂缝 的发生 和发展 ， 延长轨枕 的使用寿命。结果表 明， 在 预应力混凝土轨枕 中掺人 1 1 2 的钢纤维 ， 或者复合掺入 1 钢纤维和 1 5 硅灰 ( 取代 水泥量) 的复合物后 ， 既提高 了预应力混凝土轨枕的阻裂能 力 ， 也减少了原始裂缝的尺度和数量 ， 改善各类界面区的微 观结构 ， 而且可以带裂缝工作 ， 大大提高了轨枕的使 用寿命 和安全性。 3 高性能混凝土疲劳性能的研究现状 随着 土木工 程的发展 ， 高性能混凝土 的应用越来越广 泛 。高性能混凝土与普通混凝土在材料组分上存在差异 ， 目 前有关规范中关于高性能混凝 土疲劳计算参数 的可靠程度 还需进一步验证 。 同济大学的肖建庄等 进行了 C 4 0 、 C 5 0两种不 同强 度等级的高性 能混凝土梁正截面三点 弯曲疲劳性能试 验。 试验结果为在弯曲重复荷载作用下 ， 高性能混凝土梁的裂缝 在重复荷载作用初期( 约为 2 0 1 O 次以内) 已大部分形成 ， 其后相当长的阶段内裂缝发展十分缓慢； 对于承受 了一定次 数弯曲重复荷载作用而未发生破坏的高性能混凝土梁 ， 在其 受荷过程 中， 受压区混凝土应变、 受拉钢筋应变 和跨 中挠度 随重复荷载次数变化的规律均具有 2 个 阶段的特点 ， 即快速 发展阶段和稳定发展阶段 ； 在等强度配筋 的条件 下， 受拉钢 筋强度等级对高性能混凝 土梁 的抗弯疲劳性能 没有显著 的 影响； 重复荷载应力 比和钢筋应力幅值是影响高性能混凝土 梁正截面疲劳寿命的关键因素， 在相同应力幅值的弯曲重复 荷载作用下 ， 相同配筋的 C 8 O梁比 C 4 0梁具有更高 的疲劳寿 命， 因此与普通混凝 土梁相 比， 高性 能混凝土梁具有更好的 抗弯疲劳性能； 高性能混凝土梁 的抗弯刚度将 随着重复荷载 作用次数的增加而减小 ， 但减小的趋势变缓 ， 而高性能混凝 土梁的剩余刚度大于相同配筋的普通混凝土梁 ， 表明高性能 混凝土梁的抗弯疲劳性能优于普通混凝土梁。 肖建庄等_ 2 对单掺粉煤灰、 双掺粉煤灰和矿渣 、 双掺粉 煤灰和聚丙烯纤维高性能混凝土进行了轴心抗压静载强度 试验 ， 并分别建立了公式。 掺有粉煤灰的高性能混凝土 的抗静压强度概率密度函 数公式为 ： f ( f c ) 一 志e x p - ( f c - 6 9 8 2 ( 2 ) 5 9 0 2 ) ( 4) 掺有粉煤灰和矿渣 的高性能混凝 土的抗静压强度概率 密度函数公式为： 1 _ 厂 ( ) 一 云 e x p I- 一 ( 一6 4 3 4 ) ( 2 x 3 7 4 ) V厶7 I - d ， ( 5 ) 掺有粉煤灰和聚丙烯纤维的高性能混凝 土的抗压静载 强度概率密度函数公式为 ： 1 厂 ( )一 _ e x p r 一 ( 一7 5 5 3 ) ( 2 4 5 5 ) z a - 4 ( 6 ) 根据轴心抗压静载强度与疲劳强度 的关系， 同时推导出 高性能混凝土疲劳寿命概率分布和疲劳强度表达式。 长安大学 的陈拴发等 2 3 - 2 5 研究了高性能混凝土在 三分 点疲劳加载及 N a 。 S O 腐蚀溶 液同时作 用下的强度衰减规 律。研究表明， 受腐蚀疲劳的高性能混凝土强度衰减幅度远 超过普通浸泡腐蚀试件， 其最大损失率 可达 1 3 。他们提出 了表征交变荷载与腐蚀介质交互作用对混凝土造成破坏的 两个指标( 腐蚀疲劳因子、 腐蚀介质因子) 。 腐蚀疲劳因子公式为： Kt c f d f d ( 7 式中： K 为腐蚀疲劳因子， 厂 c r 为混凝土小梁试件标准养护一 定龄期时的弯拉强度( MP a ) ， 为标养一定时间、 疲劳荷载 作用下腐蚀介质中浸泡规定龄期混凝土小梁试 件的弯拉强 度( MP a ) 。 由式( 7 ) 可知 ， K 反映水泥混凝土受腐蚀疲劳力学性能 的衰减程度。该值越小， 混凝土抵抗交变应力与化学腐蚀介 质交互作用的能力越差， 其力学强度衰减幅度越大； 相反 ， 该 值越大， 则抵抗腐蚀疲劳破坏作用尤其抵抗交变应力的破坏 作用能力越强。 腐蚀介质因子公式为 ： K 一 f d ( 8 ) 式 中： K 为是腐蚀介质因子 ， 为混凝土小梁试件标准养护 一 定龄期时的弯拉强度 ( MP a ) ， f c 为标养 一定时间、 腐蚀介 质 中浸泡规定时间混凝土小梁试件的抗弯拉强度( MP a ) 。 由式( 8 ) 可知， K 反映高性能混凝土受腐蚀介质作用其 力学性能的衰减程度 。该值越高 ， 混凝土受腐蚀介质作用 的 破坏越弱， 其力学强度衰减越小 ； 相反， 该值越小 ， 则高性能 混凝土受化学腐蚀介质作用的影响越大， 遭受破坏的可 能越 大 。 最后还得 出水胶比、 矿物掺合料对高性能混凝土的腐蚀 疲劳特性均有较显著的影响 ， 水胶 比增 大， 其弯拉强度损失 也增大 ， 而 2 0 左右的矿物掺合料掺量可明显改善高性能混 凝土的抗腐蚀疲劳性能 ， 其 中粉煤灰 与硅灰复掺效果 更明 显 。 湖南科技大学的罗许 国等r 2 。 根据重复荷载作用下高性 能混凝土桥梁疲劳损伤与结构 自振频率之间的关系， 找到了 一 种可以通过车过桥后 的余振波形得到 的自振频率来评估 桥梁使用性能的方法。试验表 明， 采用基频法评估桥梁结构 疲劳性能的方法简捷 ， 可靠性较高， 便于实际应用， 具有广泛 的工程使用价值 。 1 4 0 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 1年 l O月( 上) 第 2 5卷第 1 O期 4 纤维混凝土疲劳性能的研究现状 2 0 0 0 年山东建材学院的邓宗才等E z T 对带切 口的碳纤维 混凝土三点弯曲梁试件预先施加频率为 0 5 Hz 的疲劳荷载 ， 然后测其在准静载下的剩余断裂参数 ， 以探讨疲劳加载历史 对碳纤维混凝土断裂特性 的影响。另外， 还对碳纤维混凝土 作 了疲劳断裂试验 ， 根据试件在加、 卸载时的柔度值 ， 以确定 碳纤维混凝土在疲劳断裂 时裂缝 的亚临界扩展长度。试验 表明， 预疲劳加载幅值对于断裂参数有影响， 而试件在疲劳 断裂过程中的亚临界扩展长度与疲劳寿命无关， 它是 由材料 自身性能决定 的。碳纤维混凝土 的疲劳断裂 寿命 和能量吸 收值明显高于素混凝土 。2 0 0 1 年邓宗才_ 2 阳 进一 步对碳纤维 混凝土和钢纤维混凝土的疲劳性能进行对 比， 并研究了纤维 掺量、 加载应力水平 对疲劳寿命 、 能量吸收值及疲劳累积损 伤变量的影响规律 。研究表明， 在对纤维混凝土进行疲劳设 计和疲劳强度分析时， 应考虑应力水平对疲劳寿命及能量吸 收的影响。纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命 和能 量吸收 比高应力水平时有 明显 的增大趋 势。当应力水平大 于或等于破坏荷载的 8 0 时， 纤维混凝土的疲劳寿命和能量 吸收明显降低 ； 纤维在较低应力水平下表现出很 强的阻滞作 用， 从而延缓了混凝 土基体 的损伤发展 ； 当钢纤维体积率为 1 O 2 0 X、 碳纤维体积率为 1 o ff 。 2 5 时， 钢纤维混 凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土 的 1 6 6 5 倍 ， 能量吸收 是碳纤维混凝土的 3 9 4 8倍 。 东南大学的蒋金洋等 9 对超 高程泵送钢纤维混凝土进 行了四点弯曲疲劳试验， 发现 同样应力水平条件下 ， 钢纤维 混凝土的疲劳寿命 比普通混凝土高 1 个数量级 。由图 9 疲 劳强度试验结果可知 ， 掺入钢纤维后， 昆 凝土 的疲劳强度大 幅度提高 ， 当钢纤维体积掺量为 0 8 时， 疲劳强度提高 了近 4 0 。 v 图 9 纤维掺量对混凝土疲劳强度的影响 Fi g 9 Th e i n flu e n c e f i b e r c o n t e n t s o n f a t i g u e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 中南大学