钢筋混凝土结构的疲劳性能研究综述

钢筋混凝土结构的疲劳性能研究综述

摘要：筒述了钢筋混凝土结构疲劳的概念和内容及其在特殊环境下的疲劳性能，同时总结了目前关于混凝土结构疲劳寿命的预测方法，最后简要的提出了提高混凝土性能的相关措施，为钢筋混凝土结构的研究奠定了基础。

关键词：钢筋混凝土结构，疲劳性能，疲劳寿命

钢筋混凝土结构通常主要承受静载作用，但在实际工程中还有许多结构，除了承受静载作用外，还要经常承受重复循环荷载作用。1898年Considere和De

Joly对水泥砂浆试件的疲劳问题进行了最早的研究；进入20世纪20年代，由于公路的发展，混凝土路面的抗折疲劳性能进一步引起了人们对混凝土疲劳性能

的研究兴趣。

1 混凝土结构疲劳的概念及内容

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)性能和它们之问的连接密切相关。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。

2 特殊环境下混凝土结构的疲劳性能

2．1 冻融环境下结构的疲劳

对于实际工程中的预应力混凝土结构，在长期的冻融损伤环境下，预应力结构产生了微损伤。因此这些结构在验算其在反复荷载作用下的疲劳能力时，应该考虑在冻融损伤环境下的疲劳。

2．2 腐蚀环境下结构的疲劳

腐蚀环境下结构的疲劳称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳现象早在1917年就已由Haigh首先提出，后来E—vans V．R．认为它足工程实践的一个很重要的问题。所以对于承受反复荷载作用的钢筋混凝土构件，存在着疲劳和腐蚀的双重累积损伤。

2．3温度环境下混凝土结构的疲劳

蠕变疲劳是指循环荷载与高温联合作用引起的疲劳失效．目前一般认为高温作用下的混凝土材料破坏发生在450℃ 以下．这是因为结构内部孔隙增多，C—H—S和Ca(oH)2脱水，引起混凝土强度的降低．温度过高导致水凝胶凝体结构破坏，最终造成混凝土的损坏．然而需要注意的是目前关于钢筋混凝土结构在温度与疲劳作用耦合破坏机制方面的研究还很少．均不是在温度很低的下端破断，而是在温度较高的上端破断．这充分说明低温下无粘结筋一锚具组装件的疲劳锚固性能并未降低，仍具有良好的工作性能．国外对浸透的混凝土试件进行了低温抗压试验的研究．其研究结果表明冷冻条件下混凝土的疲劳寿命得到很大提高．但是由于这些试验的试件不太多，结果不具有代表性，因此，试验结论还需要进一步验证．

大连理工大学的吕培印进行了不同温度下混凝土单轴抗拉疲劳性能的试验，建立了考虑温度影响的轴拉SN 关系，认为随着温度的提高，混凝土试件的疲劳强度不仅会逐渐下降，而且疲劳破坏时的最大总应变值也会增大，疲劳割线模量出现了衰减．周新刚等对高温混凝土轴压疲劳进行了研究，认为高温作用下混凝土由于其内部水泥凝胶体中水分的蒸发，最终使其内部形成了毛细裂缝和隙．因为骨料的线膨胀系数和水泥浆的不同，所以沿骨料表面也将形成微裂缝，并且随温度的升高会进一步发展成表面的细微裂缝．在受到循环荷载作用后，混凝土内部和表面的裂缝，将随反复荷载循环次数的增加逐渐累积扩展，最后导致试件的破坏．引起疲劳性能降低的主要因素就是微裂缝在反复循环荷载作用下的扩展．从他们所建立的相应的S-N 关系来看，高温作用后混凝土的S-N 关系比常温状态下的要陡得多刘晚成等 研究了无粘结预应力筋一锚具组装件在低温下的疲劳锚固性能．其研究结果表明3个试件

3 混凝土结构的疲劳寿命分析

混凝土结构的疲劳寿命，是研究混凝土结构疲劳性能的一个重要指标。1944年吴佩刚提出刷时考虑疲劳试验离散型和加载顺序影响的修正线性疲劳累积损伤公式；1956年Corten提出Corten-Dolan模型，并给出多级加载下的疲劳寿命预测公式；1967年Manson在修正Miner准则时提出著名的双线性准则并给出两级疲劳加载时的疲劳寿命预测公式；大连理工大学也进一步的给出了剩余疲劳寿命的预测动力系统等等。由此表明疲劳寿命的预测分析一直是疲劳试验关注的重点，同时我国在这方面的研究也在不断的进步中。孔宪途等提出了P—S—N曲线的概念，或称为根据应力与寿命关系作出的失效概率曲线族。同时进行=厂载荷与寿命关系的试验。李士彬等通过混凝土粱的低周疲劳破坏试验，建立了疲劳寿命与动态模量之问关系的数学模型，提出了通过较少循环的试验结果来预测混凝土梁疲劳寿命的方法。殷波等以弹塑性断裂理论为基础，提出了基于积分混凝土的疲劳裂纹扩展率工程汁算方法，推导出了DM模型下的混凝土疲劳寿命工程计算公式，并得出了混凝土疲劳寿命的尺寸效应。

4 提高混凝土疲劳性能的措施

4．1 掺磨矿物掺合料

随矿物掺合料的广泛应用，掺磨矿物掺合料的混凝土不可避免地应用于各种承受疲劳荷载作用的结构。纳米压痕测试表明，矿物掺合料减少了基体和界面过渡区在力学性能上的差异，相对提高了界面过渡区抵抗荷载作用及抑制粘结裂缝发生、扩展的能力，延缓损伤在界面过渡区的发展、累积过程，从而改善混凝土的

疲劳性能。郑克仁等通过试验得出曲线，由不同矿物掺合料的掺量和疲劳寿命曲线可知，混凝土疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平S有关。

4．2 FRP混凝土结构

FRP材料用于混凝土结构主要有两种形式：1)直接应用于新建结构中；2)用于对既有结构的维修加固。用于新建结构时，非预应力FRP混凝土结构的抗疲劳性能较好，疲劳加载应力水平对结构的疲劳寿命影响较大。东南大学的朱虹等l14]对体外预应力AFRP筋加固RC梁的抗弯疲劳性能进行了研究，表明体外预

应力AFRP筋加固混凝土梁的疲劳性能良好。Bizindayi L等还对FRP与混凝土界面的疲劳性能进行了研究，结果表明FRP混凝土结构的疲劳性能优于钢筋混凝土结构。 4．3 纤维混凝土技术

1)聚丙烯腈纤维混凝土。聚丙烯腈纤维混凝土技术是随着高性能混凝土技术的发展应运而生的。刘风茹等的试验说明对动力荷载作用下的结构，聚丙烯腈纤维能发挥更大的效果。而且聚丙烯腈纤维混凝土具有优良的弯曲疲劳性能，尤其在高应力比下，与普通混凝土相比，疲劳寿命可成倍增长。

2)粗合成纤维混凝土。粗合成纤维(直径大于0．1mm的合成纤维)是一种兴起于20世纪末的新型增强增韧材料。邓宗才等对异型粗合成纤维(聚丙烯与聚乙烯的复合体)进行试验，得出当r≤0．800时，异型粗合成纤维对混凝土疲劳寿命的改善显著优于钢纤维；但当r≥0.800时，钢纤维混凝土疲劳寿命优于异型粗合成纤维混凝土；高应力水平下，且两端变大的哑铃形钢纤维不容易与混凝土发生脱粘拔出破坏。

5 结语

文章概述 混凝土结构疲劳的定义及特殊环境下的混凝土结构的疲劳性能，同时简述了混凝土结构疲劳寿命的预测方法和提高混凝土结构疲劳性能的措施。当然，混凝土结构疲劳性能的研究还有很多需要关注的问题：1)有必要建立完整的关于吊车梁、火车车辆、海洋平台、铁路车辆的荷载谱，为可靠度分析提供基础。2)应注重研究混凝土结构的多轴疲劳，变幅疲劳和随机变幅疲劳等。3)加深混凝土结构疲劳的理论分析，如疲劳本构模型、疲劳累积损伤模型、概率理论及可靠度分析。

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