結構疲勞試驗

1、結構疲勞試驗 1.疲勞試驗的歷史及實例 2.疲勞試驗的內容 3.疲勞試驗機 4.結構疲勞試驗的方法 5.混凝土受彎構件疲勞破壞的標志 6.疲勞試驗的觀測 7.疲勞試驗試件的安裝 8.混凝土疲勞性能試驗研究現狀 1.疲勞試驗的歷史 1829年德國人阿爾貝特(J.Albert)為解決礦山卷揚 機服役過程中鋼索經常發(fā)生突然斷裂,首先以10次 /分的頻率進行疲勞試驗。 1852-1869年德國人沃勒(A.Whler)為研究機車車 輛開始以15次/分的頻率對車輛部件進行拉伸疲勞 試驗,以后又用試樣以72次/分的頻率在旋轉彎曲 疲勞試驗機進行旋轉彎曲疲勞試驗，他的功績是 指出一些金屬存在疲勞極限，并將疲勞

2、試驗結果 繪成應力與循環(huán)周次關系的-曲線 ，又稱為 Wohler曲線。因此應力-疲勞壽命曲線稱為“ S- N曲線”，自從1936 年以后也叫“ Whler 曲 線”。 s s / /MPa s s b s ss N 鋼鋼 s s r持久極限持久極限 S-N 曲線曲線 - - 應力應力 S（s s 或或 t t）與相應應力循環(huán)數）與相應應力循環(huán)數 （或壽命）（或壽命） N 的關系曲線的關系曲線 1 實例實例 載荷載荷 F 的大小循環(huán)變化的大小循環(huán)變化, ,聯桿內應力隨之變化聯桿內應力隨之變化 每個齒隨齒輪轉動循環(huán)受力，齒內應力循環(huán)變化每個齒隨齒輪轉動循環(huán)受力，齒內應力循環(huán)變化 起落架因飛機起落而

3、起落架因飛機起落而 反復受載反復受載 （載荷不變（載荷不變, 軸轉動）軸轉動） 2.疲勞試驗的內容 研究性疲勞試驗一般研究以下內容： 1. 應力隨荷載重復次數變化情況； 2. 開裂荷載及開裂情況； 3. 裂縫的寬度、長度、間距及其隨荷載重復次數的變化； 4. 最大繞度及其變化； 5. 疲勞極限； 6. 疲勞破壞特征。 鑒定性疲勞試驗 疲勞破壞特征 鋼拉伸疲勞斷裂鋼拉伸疲勞斷裂 破壞時應力低于破壞時應力低于s sb （抗拉強度）， （抗拉強度），甚至 甚至 s ss（屈服強度） （屈服強度） 即使是塑性材料，也呈現脆性斷裂即使是塑性材料，也呈現脆性斷裂 斷口通常呈現光滑與粗粒狀兩個區(qū)域斷口通常呈

4、現光滑與粗粒狀兩個區(qū)域 斷 疲勞破壞過程，可理解為裂紋萌生、逐漸 擴展與最后斷裂的過程 3.疲勞試驗機 疲勞試驗機概述 疲勞試驗機，是一種主要用于測定金屬及 其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或 拉、壓交變負荷的疲勞性能試驗的機器。 疲勞試驗機特點是可以實現高負荷、高頻 率、低消耗，從而縮短試驗時間，降低試 驗費用。 電液伺服疲勞試驗機 功能用途： 主要用于撿測各種材料、零部 件、彈性體、橡膠彈性體和減 振器的動、靜態(tài)力學性能試驗。 試驗機操作靈活方便,移動橫梁 升降、鎖緊、試樣夾持均由按 鈕操作完成,采用先進的液壓伺 服驅動技術加載、高精度動態(tài) 負荷傳感器和高分辨率磁致伸 縮位移傳感器測量試

5、件力值和 位移。 電液伺服扭轉疲勞試驗機 功能用途： 主要用于金屬及非金屬等 各種材料扭轉試驗，進行靜 態(tài)或動態(tài)扭轉疲勞耐久性試 驗，能實現扭矩及扭角的測 量和控制，通過增配相應夾 具，還可進行各種零件的扭 轉試驗。并可配備高溫爐、 低溫箱、腐蝕箱等環(huán)境箱， 完成材的在不同壞境下的力 學測試。 電液伺服拉扭疲勞試驗機 功能用途： 主要用于金屬材料及其構件 等零部件的拉、壓、扭、多 向復合試驗，能在正弦波、 三角波、梯形波、斜波、用 戶自定義波形下進行多種試 驗，根據試驗部件的不同可 以進行以下試驗： 1、單純拉壓疲勞試驗 2、單純扭轉試驗 3、拉（壓）扭復合試驗 電液伺服腐蝕疲勞試驗機 功能用

6、途：電液伺服 腐蝕疲勞試驗機專用 于鈦合金及其他材料 在恒幅軸向加載和腐 蝕環(huán)境條件下的腐蝕 疲勞強度和腐蝕疲勞 壽命測試。 4.結構疲勞試驗的方法 1 按試樣破斷時應力（應變）循環(huán)周次高低可 分為：低周疲勞試驗、高周疲勞試驗。失效循環(huán) 周次大于5X 的稱為高周疲勞試驗，小于5X 的稱為低周疲勞試驗。 2 按試樣的加載方式可分為：拉-壓疲勞試驗、 彎曲疲勞試驗、扭轉疲勞試驗、復合應力疲勞試 驗。彎曲疲勞試驗又可分為旋轉彎曲疲勞試驗、 圓彎曲疲勞試驗、平面彎曲疲勞試驗；又可分為 三點彎曲、四點彎曲、懸臂彎曲疲勞試驗。 3 按應力循環(huán)的類型可分為：等幅疲勞試驗、 變頻疲勞試驗、程序疲勞試驗、隨機疲

7、勞試驗等。 4 10 4 10 5.混凝土受彎構件疲勞破壞的標志 一、正截面疲勞破壞的標志是某一根縱向 受拉鋼筋疲勞斷裂，或受壓區(qū)混凝土疲勞 破壞； 二、斜截面疲勞破壞的標志是 1某一根與臨界斜裂縫相交的腹筋（箍筋或 彎筋）疲勞斷裂， 2混凝土剪壓疲勞破壞， 3與臨界斜裂縫相交的縱向鋼筋疲勞斷裂； 。 腹筋配筋率 很高 腹筋配筋率正?；?較低時可能發(fā)生 縱向配筋 率較低 三、在錨固區(qū)鋼筋與混凝土的粘結錨固疲勞破壞； 四、在停機受力情況進行一個循環(huán)的靜載試驗時， 出現下列情況之一： 1）受拉主筋處的最大裂縫寬度達到1.5mm，或撓度達到 跨度的1/50，將此作為鋼筋屈服的標志。一般配筋適中的 梁

8、，多數出現這種標志。 2）受壓區(qū)混凝土破壞。這是一種脆性破壞，此時受拉主 筋處的最大裂縫寬度未達到1.5mm，且撓度小于跨度的 1/50。配筋過多或混凝土強度太低的梁，出現此種標志。 3）受拉主筋拉斷。這是另一種更為危險的脆性破壞，它 發(fā)生于配筋過少或預應力過高的梁 6.疲勞試驗的觀測 n1疲勞強度 n科研性試驗是以疲勞極限強度和疲勞極限荷載作為最大的 疲勞承載能力。構件達到疲勞破壞時的荷載上限值和應力 最大值分別為疲勞極限荷載和疲勞極限強度。 n為了得到給定疲勞應力比值（值）條件下的疲勞極限強度 和疲勞極限荷載，一般采取的辦法是: n根據構件實際承載能力，取定最大應力值 ，作疲勞試驗， 求得

9、破壞時荷載作用次數n，從 與n雙對數直線關系中 求得控制疲勞次數下的疲勞極限強度，作為標準疲勞極限 強度。它的統計值作為設計驗算時疲勞強度取值的基本依 據。 max s max s n2應變測量 n一般采用電阻應變片測量動應變，測點布置依 試驗具體要求而定。 n測試方法： n動態(tài)應變儀和記錄器或靜態(tài)應變儀等 n3裂縫 n裂縫的開始出現和微裂縫的寬度對構件安全使 用具有重要意義。因此，裂縫測量也很重要。 目前測裂縫的方法是利用光學儀器目測或利用 應變傳感器電測。 n4撓度 n接觸式測振儀、差動式位移計、電阻應變式位 移傳感器或百分表（停機作靜載試驗時）。 7.疲勞試驗試件的安裝 具體安裝應注意：

10、 嚴格對中 保持平穩(wěn) 安全防護 8.混凝土疲勞性能試驗研究現狀 縱觀目前國內外關于混凝土疲勞的試驗研究情況,整體上可以劃分 為兩個方面: 簡單應力狀態(tài)下的疲勞 在簡單應力狀態(tài)下,研究者做了大量關于混凝的軸壓、軸拉、彎 拉、拉-壓疲勞的試驗研究 復雜應力狀態(tài)下的疲勞 在復雜應力狀態(tài)下,國內外的研究有少量關于多軸疲勞及考慮周 圍約束的拉-壓疲勞的資料. 另外,考慮溫度、腐蝕等環(huán)境的混凝土疲勞試驗研究則是極少. 受壓疲勞受壓疲勞 單軸受壓單軸受壓 國內外目前關于混凝土單軸受壓 疲勞試驗一般都在電液伺服萬能疲 勞試驗機上進行以不同應力水平和 應力比與相應混凝土疲勞壽命的關 系,建立S-N方程,從而得出

11、混凝土的 抗壓疲勞強度. Aas-Jakobsen最早提出了最大應力水 平與加載次數的直線形式Wohler方 程 NRSlg)1 (1 max - 如圖1所示的典型的三階段疲勞變形規(guī)律, 即在等幅壓載作用下變形的加速增長、穩(wěn) 定增長以及不穩(wěn)定增長的三個階段. 其中,N為加載次數;Nf為疲勞命;Smax為 最大加載應力比;為疲勞應變. 從圖1中還可以看出在同一循環(huán)次數比的 情況下,最大應力水平越高,應變及變形也越 大. 應力比： 指對試件 循環(huán)加載時的 最小荷載與最 大載荷之比 雙軸受壓疲勞雙軸受壓疲勞 目前對于雙軸受壓疲勞試驗主要考慮兩 個受壓方向上的加載歷程、應力比大小及 加載次數3個方面的

12、影響;少量定側壓下的雙 軸疲勞試驗,則主要考慮側壓力大小對混凝 土疲勞性能的影響,由于雙軸疲勞試驗機的 限制,試件一般采用立方體. 三軸受壓疲勞三軸受壓疲勞 對于混凝土的三軸受壓疲勞試驗國內外研究資 料則較少。 曹偉等就定側壓混凝土的三軸受壓等幅疲勞問 題做過試驗,試驗得出定側壓混凝土的三軸疲勞破 壞是以混凝土側壓的急劇增大拐點為標志,并且以 該點所對應的縱向應力作為混凝土在不同側壓工 況下的極限強度;通過對變形性能的分析可以看出, 三軸壓載作用下混凝土縱向最大和最小應變的發(fā) 展規(guī)律,應力-應變曲線均表現出類似單軸。 受彎疲勞 抗彎疲勞在有的文獻中又稱抗折疲勞,所研 究的對象一般為混凝土或者預

13、應力混凝土 梁板,抗彎疲勞問題因其在公路橋梁交通領 域中大量出現,使得相應的試驗研究資料較 多 素混凝土的彎曲疲勞素混凝土的彎曲疲勞 目前,國內外對于素混凝土的受彎疲勞性 能的試驗研究,以小跨徑的梁和板為研究對 象,通過齡期、加載頻率、應力水平的不同 來分析混凝土受彎疲勞壽命和疲勞強度.抗 彎試驗一般采用三分點加載或跨中加載的 方式. 鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞 對于配有高強鋼筋的高強混凝土梁在等幅彎載下 的抗彎疲勞性能試驗研究也比較多。 試驗重點大都放在了等幅疲勞荷載作用下鋼筋混 凝土梁的裂縫寬度、撓度以及疲勞剛度的變化規(guī)律上. 鐘銘等通過對幾組鋼筋混凝土梁受彎疲勞過程中裂

14、縫和 撓度的觀測,得出高強混凝土梁隨著疲勞荷載循環(huán)次數 的增加。 此外,還總結出疲勞荷載作用N次后構件的裂縫寬 度可根據初始裂縫寬度和受壓區(qū)混凝土應變增長系數來 計算.然而,目前的資料對于變幅疲勞荷載作用下混凝土 結構的疲勞性能研究較少,而實際結構則主要承受變幅 荷載的作用. 受拉疲勞受拉疲勞 由于大部分的混凝土結構在使用過程中受拉 區(qū)的混凝土已經開裂,因此結構設計中總是忽略混 凝土材料的抗拉強度,而由鋼筋承受結構的拉應力, 又加之試驗得出的抗拉強度離散性很大,所以目前 國內外對于混凝土抗拉疲勞的試驗資料較少. 單軸受拉疲勞單軸受拉疲勞 Cornelissen等完成的混凝土軸拉疲勞試驗 是 很

15、 具 有 說 服 力 的 資 料 , 他 們 采 用 120300圓柱體試件,進行了250個等幅 疲勞試驗,得到混凝土軸拉疲勞方程為 lgN=14.18-14.52ftmax/ft+2179ftmin/ft 同時他們還得出混凝土靜載強度的離散性 導致疲勞壽命離散性的主要原因. 多軸受拉疲勞多軸受拉疲勞 關于混凝土的多軸受拉疲勞性能,大連 理工大學的趙東拂和楊健輝進行了變截 面混凝土棱柱體試件在一向定側壓約束 和兩向定側壓約束下的雙軸和三軸受拉 等幅和變幅疲勞試驗研究.根據結果得到 定側壓下雙軸和三軸疲勞S-N曲線方程分 別為 拉-壓疲勞 由于拉-壓疲勞試驗對試 驗設備的要求較高實現 疲勞加載所

16、需的夾具制 造難度大,試驗過程控制 復雜,試驗周期長,并需要 有雄厚的人力、物力和 財力支持.所以,到目前為 止,關于混凝土在波動拉- 壓疲勞方面的研究資料 極少. 總結 從受壓、受拉、受彎及拉-壓疲勞的試驗可以看出, 混凝土單軸受壓、受拉以及拉-壓疲勞的試驗研究 較多,多軸受壓、受拉疲勞較少; 試驗試件中以混凝土梁或立方體試件較多,板作為 試驗試件則很少. 由于試驗受到試驗設備、試驗條件、環(huán)境等因素 的影響,試驗結果表現出多樣性,具體試驗結果的可 行性、重要性還要通過以后進一步的試驗研究得 以確定. 橡膠試片疲勞試驗 橡膠試片是橡膠材料研究中最為常見的測試對 象，因其制造工藝簡單、試驗周期較

17、短及疲勞測 試時占用資源較少等性能，經常在拉伸、拉伸率、 蠕變及疲勞等材料屬性測試中使用。 本次橡膠材料單軸拉伸疲勞屬性試驗的主要 目的在于探討固定載荷比R 下，其疲勞試驗方案、 試驗原理，測試其加載過程中的應變、盈利率及 應變能密度所呈現的變化值。 試驗對象 本次試驗設計了如圖4- 2的橡膠試片做為測試對象。 該試片兩端為夾持段，中 間段為疲勞觀測區(qū)域。本 次 試 驗 共 硫 化 了 2 0 0 張 2mm厚的試片，用于裁剪 啞鈴型試片，可獲啞鈴型 橡膠試片約800條。 測試設備 此次試驗選用 Demattia 公司生產的 EKT-2102DFT型 Flexing Fatigue Tester（柔性疲勞 測試系統）。該設備如圖 4-3 所示，可進行高、低 溫疲勞性能測試。 本次試驗使用設備工 具如表 4-1 所示、其性能 指標如表