混凝土结构疲劳全过程分析方法研究

王晟

摘要：工业建筑结构中，在吊车和振动工况下，混凝土结构疲劳破坏是一个长期存在的重要问题，对工程质量和后续维护保养都具有很大影响。随着社会的发展，对既有厂房进行升级改造，以满足新的工艺要求中，既有承受往复荷载的构件的疲劳问题，也是一个不容回避的问题。混凝土的疲劳过程发生是个复杂的过程，造成疲劳的因素众多，强度具有随机性，为了更好的将钢筋混凝土结构应用于工程设计，结合各项理论研究数据对混凝土结构疲劳全过程进行分析，从而采取对应的措施对工程建设质量的提高具有重要意义。

关键词：混凝土；结构疲劳；分析应用

随着经济的发展，工业建筑中承受吊车荷载和振动荷载的情况越来越多，由于自身构造及外界因素的影响儿出现疲劳破坏引发安全隐患。混凝土是一种重要的应用极为广泛的建筑材料，研究表明疲劳是造成材料破坏的主要形式之一，尤其混凝土结构长期承受在各种场合下的疲劳负载，随时间往复诸如使用荷载、超常荷载、日照温差侵蚀性侵害等反复作用与结构上，在时间与频率的影响下混凝土所发生的损坏即为疲劳。

1 剩余强度衰减模型在混凝土结构疲劳全过程中的应用

1.1 疲劳方程

在循环荷载作用下开展对混凝土疲劳强度的研究以及混凝土构件的研究是一项具有重要意义的工作，通过对大量工程实例分析我们知道混凝土结构疲劳破坏的规律是：混凝土材料内部在疲劳荷载作用下，随着产生损伤不断增加其性能也随之反生变化化，引起材料本身抗外荷载能力大幅下降。由此造成结构具有的抵抗外荷的能力逐步下降，这一过中的程疲劳强度是单调递减的，它不仅与与加载的应力水平有关和荷载循环次数 有密切关系，疲劳过程中不同材料剩余强度退化规律不同，混凝土材料较常用的是疲劳方程Neɑs=C，该方程回归实验数据得到的指数函数方程.其中式中 α 和 C 为材料常数，S 为应力水平，一般为应力幅（Smax=fmax/fc，fmax为疲劳荷载的上限应力，fc为混凝土静压强度），也可用最大应力 fmax表示，N 为该应力水平下结构的寿命，对上式两边取对数可得单对数表示的疲劳方程：Smax=a+blgN，式中的 a 和 b 为材料常数，通过实验确定。一般 a>0，b<0，在上限应力 fmax作用下其疲劳寿命为 N。，fc为初始静压强度，通过计算得知，混凝土强度在衰减的过程的中，疲劳荷载作用前的剩余强度为静载极限强度 fc，当其强度因疲劳荷载作用衰减至疲劳荷载上限应力 fmax时，达到混凝土的疲劳寿命 N。，因此，剩余强度衰减的确定性方程需要满足两个边界条件，由此可以测得混凝土剩余强度。

1.2 混凝土结构疲劳可靠性分析模型

水泥混凝土具有疲劳寿命较长的特征造成开展基于现场试验疲劳特性研究工作开展具有耗时较长且较困难因此一般通过采用室内进行试验完成对水泥混凝土结构疲劳全过程的分析实验。19世纪末20世纪初到现在各国研究者在应力水平和允许荷载重实中采取了疲劳模型的应用进行测试：

疲劳模型（S为应力水平，Nf为疲劳水平）表

ZeromaintenancelogNf=17.6117.61S

ERES/USACElogNf=2.13S1.2

标准的力学设计疲劳方程logNf=-1.7136S+4.284S>1.25logNf=2.8127S+1.2214S<1.25

Vesic疲劳方程Nf=22500×（1/S）4

ARE疲劳方程Nf=23440S3.21

RISC疲劳方程Nf=22209×（1/S）4.29

Illinois大学的疲劳方程S=1.2968Nf0.0307

上表总结可得疲劳寿命Nf与应力水平S的关系符合如下关系：logNf= α S+β （ α，β为回归系数 ）很多固定幅度的循环荷载施加于混凝土件出现断裂破坏时，反复荷载作用次数定义为混凝土的疲劳寿命。循环荷载的最大值通常与该试件荷载作用下的极限强度相关。该比值表明应力水会使疲劳寿命独立于混凝土的老化、翘曲历史、水泥含量、空气环境集料类型以及加载应力幅值等。[1]

2 材料对混凝土结构疲劳性能的影响

2.1 混凝土中掺合料对混凝土结构疲劳性能的影响

混凝土找中加入粉煤灰、磨细矿渣和纤维等材料可以减少混凝土初始缺陷，提高混凝土梁的力学性能，从而抑制损伤过程中裂缝发生发展从而延长混凝土疲劳寿命。

2.2 混凝土材料本身的影响

高强混凝土和高性能混凝土的广泛应用使得混凝土在低应力疲劳负载作用下仍然能将符合使用条件。高强混凝土梁在正常配筋条件下比普通混凝土梁具有更好抗疲劳疲劳性能，同时混凝土的强度和疲劳强度呈现正相关。[2]

3 通过加固改善混凝土结构疲劳影响

3.1 碳纤维加固

碳纤维加固在一定的应力水平下可以提混凝土的抗疲劳强度在疲劳试验中，挠度增加随着荷载重复次数增加而减缓缓慢，试验期间的刚度反映基本保持不变，应力经过荷载循环还是按损伤的形成、稳定扩展和破坏三阶段规律发展，其中得到较大延长是中间稳定扩展，构件疲劳裂形态纹通过加入粘贴碳纤维布得到改善，同时构件长度受到胶体填补梁底表面影响出现裂纹的几率相对相等，原来体系中数目少而粗大的裂纹得到分散，延缓了裂纹扩散进度。可见，正截面疲劳性能通过使用碳纤维布得到改善，在不同的应力水平下混凝土疲劳寿命有所提高。

3.2 粘钢加固

通过粘钢加固在大幅度提高钢筋混凝土的静载强度同时，同時在采用钢补强方法适当时，混凝土裂缝产生时间也显著地被拉长了。在通常情况下，混凝土梁疲劳破坏在重复荷载作用下通常发生跨中的纯弯段上，通过粘钢补强技术的应用，使得疲劳破坏改到发生在梁端附近弯剪作用区，由此可见粘钢补强后的混凝土刚度得到明显的提高，且底部钢板厚度越大，混凝土梁加固底部刚度提高越多。

4 结语

我们对混凝土结构疲劳全过程进行分析试验，通过使用疲劳模型与疲劳公式对影响钢筋混凝土疲劳性能因素进行分析，从材料选用和加固等方面提出了改善混凝土疲劳的措施，以便在今后工业建筑的结构设计，以及升级改造中，涉及疲劳荷载的情况下的构件的改造加固设计中进行应用。

参考文献：

[1]赵凯月，王艳，张金团，等.混杂纤维混凝土研究现状[J].混凝土，2018，（3）：132137，140.

[2]杨涛，林广泰，赵艳林，等.带疲劳损伤的钢混凝土组合梁受力性能试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2017，（12）：128134.