《混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能研究摘錄》

1、與混凝土結(jié)構(gòu)靜力性能研究相比，疲勞性能的研究不僅試驗難度大、時間長、成本高、耗費人力多，而且機理復(fù)雜，因此尚有很多問題需投入資金開展研究。結(jié)合上述分析，其中主要的問題可以歸納為以下四個方面:(1) 荷載方面:應(yīng)加強吊車梁、公路橋梁等疲勞荷載譜及變幅等效荷載折算的研究;(2) 材料方面:應(yīng)加強鋼筋在空氣中與在構(gòu)件中疲勞性能差異的研究和彎曲及轉(zhuǎn)折對疲勞性能影響的研究;(3) 疲勞試驗方面:應(yīng)逐步開展實際服役荷載譜作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞試驗研究;疲勞試驗中應(yīng)采用更先進(jìn)的測試手段，如光纖傳感器等，提高疲勞過程中的測試精度。(4) 計算理論方面:對于開裂后的混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)一步開展考慮

2、不同種類鋼筋粘結(jié)性能差異的鋼筋疲勞應(yīng)力驗算方法的研究;現(xiàn)有的計算方法中幾乎沒有考慮在構(gòu)件疲勞損傷過程中鋼筋與混凝土之間由于損傷機制的不同而產(chǎn)生的相互作用等和由此造成的截面應(yīng)力的重分布。班LEM36.RD委員會在文獻(xiàn)1中也建議開展此方面的研究?；谟邢拊臉?gòu)件疲勞損傷非線性分析也是今后應(yīng)繼續(xù)研究的方向。結(jié)論1(1) 預(yù)應(yīng)力混凝土試驗梁的疲勞破壞一般均始于普通鋼筋的疲勞斷裂。對于縱筋配筋率較低的部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件來說，當(dāng)承受的疲勞荷載較大時，可能會出現(xiàn)整根試件的突然脆性斷裂。因此，為了保證試件在疲勞破壞前有一個明顯的預(yù)兆，應(yīng)該采用較高的縱筋配筋率。疲勞荷載作用下的最小配筋率理論上應(yīng)該比靜載作用下

3、的最小配筋率更高一些，這有待于今后進(jìn)一步地系統(tǒng)研究。(2) 對于允許開裂的混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件來說，并不是預(yù)應(yīng)力鋼筋所占比例越高其疲勞性能相應(yīng)地也越好，設(shè)置適量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋對于提高構(gòu)件的疲勞性能來說是十分重要的。理論上存在著一個最優(yōu)的預(yù)應(yīng)力比率(即R)使得開裂后的混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞性能最優(yōu)，這還有待于進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，該結(jié)論與文獻(xiàn)87所得結(jié)論基本一致。(3) 經(jīng)疲勞荷載作用后未發(fā)生疲勞破壞的梁的剩余靜載承載力并不受疲勞荷載加載歷程的影響。混凝土“變形唯一性”假設(shè)是由Sinha等(1964)【33首先提出。認(rèn)為:不管以前承受的重復(fù)荷載的歷程如何，只要殘余變形相同，則在此

4、基礎(chǔ)上再施加相同的重復(fù)荷載，其荷載和變形的關(guān)系將不變，而與以前的荷載變形歷程無關(guān)。該假設(shè)后來被許多試驗所證實。結(jié)論(1) 試驗結(jié)果表明，無論是等幅、兩級變幅還是隨機變幅疲勞荷載作用下梁受壓區(qū)混凝土累積殘余應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律均基本符合“三階段”的發(fā)展規(guī)律。變幅疲勞荷載作用下累積殘余應(yīng)變的發(fā)展近似符合“變形唯一性”假定。(2) 通過預(yù)應(yīng)力混凝土梁的等幅疲勞試驗得到了梁受壓區(qū)混凝土累積殘余應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的計算公式。將該公式與通過混凝土棱柱體軸壓疲勞試驗得出的計算公式比較可以看出，通過預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞試驗得到的t值比較相近，且遠(yuǎn)大于由軸心受壓混凝土棱柱體試件疲勞試驗得出的結(jié)果，其主要原因可能是混凝土棱柱

5、體軸心受壓疲勞試驗未考慮梁內(nèi)受壓區(qū)應(yīng)力梯度的影響。并在此基礎(chǔ)上通過理論推導(dǎo)得出了變幅疲勞荷載下混凝土累積殘余應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的計算公式。第六章預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞損傷全過程非線性分析方法的研究1引言長期承受重復(fù)荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)存在著疲勞問題。以往對疲勞問題的研究主要著眼于混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。隨著研究的不斷深入，人們認(rèn)識到服役期間承受疲勞荷載的混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)抗力會隨疲勞損傷累積而衰減，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠度降低。工程實踐中迫切需要對這類有損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞損傷評估及維修決策，如舊橋安全評定與加固維修等。這樣就需要從全壽命的角度來研究疲勞損傷過程。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是鋼筋(包括普通鋼筋和與預(yù)應(yīng)力鋼筋)

6、和混凝土的組合體，疲勞損傷機理十分復(fù)雜。鋼筋和混凝土分別有著不同的損傷機制，而且各種不同的損傷機理同時發(fā)生。其中任何一種材料的損傷都會影響到組合構(gòu)件的受力狀態(tài)，使得構(gòu)件截面上的應(yīng)力產(chǎn)生重分布。同時試驗結(jié)果也表明，部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁在疲勞荷載作用下的性能是逐漸變化的。因此要根據(jù)其組成材料的疲勞性能來估算構(gòu)件的疲勞壽命，需要有適當(dāng)?shù)膹暮奢d循環(huán)歷程計算其組成材料應(yīng)力循環(huán)歷程的分析方法。目前的計算方法基本上還是將各種組成材料單獨進(jìn)行疲勞分析，還沒有充分考慮在構(gòu)件的疲勞損傷過程中不同材料之間的這種相互作用、相互影響。Rlime36RDLS員會在其報告【11的研究展望中也將該問題作為下一步需要進(jìn)行深入研究

7、的問題。此外，現(xiàn)有計算方法主要考慮的還是等幅疲勞問題，然而實際工程中的混凝土構(gòu)件所承受的都是一個幅值變化很大的重復(fù)荷載。即便是在等幅疲勞荷載作用下，由于在疲勞過程中材料性能的不斷劣化，實際構(gòu)件中發(fā)生的也是一個非常復(fù)雜的多級疲勞現(xiàn)象。基于此，本文提出了一種可以同時考慮鋼筋與混凝土禍合作用和變幅重復(fù)應(yīng)力的疲勞全過程非線性分析方法。計算結(jié)果表明，該方法能夠較好地描述預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件疲勞損傷全過程。6.4預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件疲勞損傷全過程非紛勝分析方法研究預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞損傷是一個非線性過程，然而目前普遍采用的是線彈性的分析方法，因此有必要對非線性分析方法進(jìn)行研究。本文在正截面應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，

8、采用分段線性的方法實現(xiàn)了非線性的求解過程。即在每一級疲勞荷載增量步(動內(nèi)，認(rèn)為截面和材料的特性保持不變，按線彈性方法進(jìn)行分析;在計算下一級增量步之前，根據(jù)各組成材料不同的損傷機制來修正原有的截面或材料特性，然后再按線彈性方法進(jìn)行分析，從而達(dá)到非線性分析的目的。增量步長可根據(jù)不同的精度要求進(jìn)行選取，一般情況可以選為入七100001421。1正截面疲勞損傷全過程分析的基本假定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范3在進(jìn)行受彎構(gòu)件正截面疲勞驗算時給出了4條基本假定:(1) 截面應(yīng)變保持平面;(2) 受壓區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形取為三角形;(3) 對鋼筋混凝土構(gòu)件，不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉強度，拉力全部由縱向鋼筋承受;對要

9、求不出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，受拉區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形取為三角形;(4) 采用換算截面計算:對鋼筋混凝土構(gòu)件，取鋼筋彈性模量與混凝土疲勞變形模量的比值嶸=乓/嶸;對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，取預(yù)應(yīng)力鋼筋、非預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量與混凝土彈性模量的比值分別為氣E=R/凡氣二Es/尺。其中假定1和2已經(jīng)過大量試驗的證實。但是假定3和4對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)疲勞極限承載能力分析來說并不是很合理。因為在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞承載能力極限狀態(tài)時，混凝土受拉區(qū)己達(dá)到開裂狀態(tài)，即一般所謂的“不裂不?！?。這種情況下，混凝土受壓區(qū)已產(chǎn)生較大的疲勞變形。因此對受壓區(qū)混凝土的疲勞變形模量仍取用靜載彈性模量而不考慮其塑性變形

10、和非線性變形是欠合理的。試驗【104，1401證實，混凝土的疲勞變形模量隨著荷載重復(fù)次數(shù)N的增加而不斷降低。但是，目前國內(nèi)外規(guī)范所給出的疲勞變形模量嶸均取為常數(shù)，這在疲勞過程分析中也是欠合理的。基于上述分析，本文提出了預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的疲勞損傷全過程分析的基本假定如下:(a)截面應(yīng)變保持平面;徹采用分段線性的方法進(jìn)行分析。在每一個增量步里面，截面幾何特征和材料特性保持不變;(c) 鋼筋采用鋼筋面積來表征疲勞損傷，混凝土采用疲勞彎曲受壓變形模量來表征疲勞損傷;(d) 受壓區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形取為三角形;(e) 對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉強度，拉力全部由縱向鋼筋承受;仍采用

11、換算截面計算:取預(yù)應(yīng)力鋼筋、非預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土彎曲受壓疲勞變形模量的比值即呱一凡/嶸，呱二凡/嶸。.6.42正截面應(yīng)力分析預(yù)應(yīng)力混凝土截面在疲勞開裂之前，混凝土受壓區(qū)壓應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變的增量都很小，因此忽略截面開裂前造成的混凝土梁的損傷。本文的正截面應(yīng)力分析均以在疲勞驗算時跨中截面的最大彎矩值材二以作用下截面下邊緣已開裂為基礎(chǔ)，因此該計算方法偏于保守。實際工程中經(jīng)受疲勞荷載的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在使用荷載下，梁的正截面下邊緣纖維可能處于波動拉一壓狀態(tài)。因此，本文以工程上常用的T形截面受彎構(gòu)件為例，分別以計算截面處于消壓前(呱。、城)和處于消壓后(煤以城或呱n風(fēng))兩種情況進(jìn)行了正截面應(yīng)力分析，M

12、蕊為疲勞驗算時跨中截面的最小彎矩值，M0為消壓彎矩。開裂后的正截面計算簡圖如圖62。6小結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞是一個非線性累積損傷過程，建立一個可以考慮截面應(yīng)力重分布的非線性疲勞全過程分析方法是今后發(fā)展的趨勢。本文在大量試驗和理論分析的基礎(chǔ)上，提出對混凝土和鋼筋分別采用混凝土彎曲受壓變形模量和鋼筋面積這兩種宏觀物理量來作為疲勞損傷量度;基于分段線性的原理，對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行了疲勞損傷的全過程非線性分析。分析結(jié)果表明，該方法考慮了鋼筋和混凝土禍合作用，并且適用于多級變幅疲勞荷載作用的情況，能夠較好地描述出疲勞損傷的全過程，并能給出更符合實際情況的疲勞壽命。疲勞試驗結(jié)果的離散性一般來說是

13、非常大的，因此目前建立精確的確定性疲勞分析方法還是很困難的。本方法的計算精度與鋼筋和混凝土材料的損傷累積規(guī)律直接相關(guān)，有必要進(jìn)一步開展相關(guān)疲勞試驗研究。展望本文針對混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞性能開展了一些初步的研究工作，許多研究內(nèi)容還不完善，今后還有很多相關(guān)的研究工作要做，具體歸納為如下幾方面的內(nèi)容:(1) 疲勞荷載譜研究方面進(jìn)一步加強各種典型疲勞荷載譜(如吊車梁荷載譜、公路橋梁荷載譜和波浪荷載譜等)的調(diào)查研究，從而建立起能夠較好地反映實際荷載一時間歷程的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載譜，使不同研究者開展的隨機變幅疲勞試驗的研究成果更具可比性。(2) 組成材料疲勞性能研究方面進(jìn)一步開展混凝土、普通

14、鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的疲勞性能和疲勞累積損傷演化規(guī)律的研究。特別是應(yīng)加強鋼筋在空氣中與在構(gòu)件中疲勞性能差異的研究，彎曲及轉(zhuǎn)折對疲勞性能影響的研究和鋼筋與混凝土之間的疲勞粘結(jié)性能的試驗研究，這些都是今后進(jìn)一步開展構(gòu)件非線性疲勞分析的基礎(chǔ)。(3) 構(gòu)件疲勞試驗研究方面對于縱筋配筋率較低的試件來說，當(dāng)承受的疲勞荷載較大時，可能會出現(xiàn)整根試件的突然脆性斷裂。為了保證試件在疲勞破壞前有一個明顯的預(yù)兆，應(yīng)該采用較高的縱105混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能研究筋配筋率。疲勞荷載下的最小縱筋配筋率理論上應(yīng)比靜載下的最小配筋率更高一些，這有待于今后進(jìn)一步地系統(tǒng)研究。對于允許開裂的混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件來說

15、，并不是預(yù)應(yīng)力鋼筋所占比例越高其疲勞性能相應(yīng)地也越好，設(shè)置適量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋對于提高構(gòu)件的疲勞性能來說是十分必要的。理論上存在著一個最優(yōu)的預(yù)應(yīng)力比率P(PR)使得開裂后的混合配筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的疲勞性能最優(yōu)，其最優(yōu)值還有待于進(jìn)一步的研究。進(jìn)一步開展各種典型疲勞荷載譜作用下的部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正截面疲勞性能的試驗研究，以便建立起定量的分析模型;補充開展典型疲勞荷載譜作用下斜截面疲勞性能的試驗研究。隨著承受重復(fù)荷載作用的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在近海結(jié)構(gòu)物等惡劣環(huán)境下應(yīng)用的增多，有必要對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件開展疲勞抗裂性能和腐蝕疲勞性能的試驗研究。采用更先進(jìn)有效的試驗測試技術(shù)，保證疲勞實驗過程中數(shù)據(jù)測

16、量的有效性及準(zhǔn)確性，比如采用耐疲勞性能更強、測量范圍更廣的光纖傳感器等新型傳感器進(jìn)行量測。加強對實際工程中長期承受疲勞荷載作用的結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測工作，以便能夠建立起實驗室中加速疲勞試驗得出的疲勞性能與實際服役中結(jié)構(gòu)物長期疲勞性能的關(guān)系。實際結(jié)構(gòu)物在其服役期內(nèi)一般存在著間歇期(Restp既lods)和大量的小幅值疲勞荷載作用，在實驗室里應(yīng)如何考慮這些問題。疲勞分析理論研究方面目前對混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法基本上還是將各種組成材料單獨進(jìn)行疲勞分析，充分考慮鋼筋和混凝土相互作用的非線性疲勞分析方法仍然很少。在對構(gòu)件進(jìn)行疲勞損傷分析時幾乎沒有考慮截面上出現(xiàn)的應(yīng)力重分布和逐漸斷裂(PorgerssiverfacUter)的過程，本文在此方面進(jìn)行了有益的嘗試，今后仍需加強此方面的研究工作。進(jìn)一步開展能夠考慮疲勞損傷累積的鋼筋混凝土有限元算法的理論研究，同時可嘗試著采用目前機械、航空等領(lǐng)域應(yīng)用較多的基于有限元的疲勞設(shè)計分析系統(tǒng)MSCEAT