混凝土受拉疲劳试件的有限元分析

常秋影

（长春建筑学院，吉林 长春 130607）

1 研究的目的和意义

由于目前混凝土疲劳研究尚没有标准的试验设备等硬件设施，因此试验中试件的形式也多种多样，而试件形状尺寸的选择与设计也是试验结果精确与否的关键技术之一。本文以国家自然科学基金资助项目《混凝土多轴疲劳破坏准则》（50078010）的试验研究为背景，对该项目在混凝土受拉疲劳试验研究中使用的变截面棱柱体试件，以及本文提出的圆柱体试件进行有限元分析，指出两种受拉疲劳试件在设计及试验中所存在的问题并给出合理建议。两种试件均为两端局部大头的形式，形状及几何尺寸见图1。

图1 试件形状及几何尺寸

2 试件的有限元对比分析

采用软件ANSYS分别对上述两种试件进行单轴静态受拉有限元分析，在材料属性、边界条件均相同的情况下，分别在两种试件上施加大小相同的轴向均布荷载0.3MPa（拉力），分析结果如图2、图3所示。

图2 试件a有限元分析结果

图3 试件b有限元分析结果

由图2、图3的有限元分析结果可见，两种试件静态受拉产生的轴向最大应力、应变均出现在变截面附近，而混凝土受拉疲劳破坏试验中理想的破坏位置是在试件的中间区域。

一方面，理论研究中难以找到合适形式的拉伸试验模型，从而导致试验中失败的试件较多，不得不增加试件的样本量。另一方面，试验中也确实可以观测到一些试件的受拉疲劳破坏的位置在中部或者其他部位，这与混凝土疲劳破坏的细观结构有关，比如孔隙、微裂缝、密实度不均匀、粗骨料分布不均匀等因素。

在混凝土受拉疲劳破坏试验中，最理想的试验形式是采用直接拉伸的方法，这样在试件的横截面上分布的拉应力都是明确且均匀分布的。在试验中为了实现对混凝土试件的直接拉伸，常用的有四种方法：（1）放大试件端部；（2）试件两端嵌入钢筋；（3）用胶粘；（4）用摩擦锚夹。

等截面棱柱体一般采用胶结或带有单根预埋件的形式，这会在粘贴及预埋部位造成截面削弱，且不能保证物理对中；采用锚夹具有时会产生滑移，不易控制位移，施加外力也不易控制，很难达到理想的试验效果。而采用变截面试件则能保证预埋钢筋后试件端部的强度，不会对试件其他部位的强度造成影响。

结语

综上所述，本文建议在混凝土受拉疲劳试验中采用变截面两端局部大头的试件形式，但是截面变化宜缓，当然这样带来的问题是加大试件在拉伸方向的尺寸，从而要求疲劳试验设备相应的参数也要加大，导致整个系统的刚度会下降。同时，两端局部大头的预埋件也不宜采用单根预埋件，应采用多根预埋件，以确保试验过程中的物理对中。试件的形式和尺寸与加载方式和效果直接相关，与静力拉伸试验一样，混凝土受拉疲劳试验中试件形状尺寸的选择与设计既是难点，也是值得研究的一个关键问题。

赵东拂.混凝土多轴疲劳破坏准则研究[D]. 大连理工大学博士论文,2003.