拉压循环荷载作用下预裂纹混凝土疲劳性能研究

郭蒙蒙 张志彪 朱茹琳

（1 安徽省高路建设有限公司， 安徽 合肥 230000；2 安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司， 安徽 合肥 230000； 3.安徽保利房地产开发有限公司， 安徽 合肥 230000）

0 引言

大量的工程实践表明，混凝土结构在设计、施工和养护方面采取一定的措施，也不能完全消除混凝土结构中的裂纹，混凝土结构大多是带着既有裂纹投入使用的。在自然环境各种侵蚀作用和各种荷载作用下，特别是在反复循环的疲劳荷载作用下，在裂纹的尖端会出现应力集中现象，从而使疲劳极限极大地降低。国内外一些学者对于混凝土的疲劳性能进行了相关的分析研究，McCall 最早通过混凝土梁试件受弯疲劳试验对疲劳破坏概率进行分析[1]；Byung 进行了混凝土梁试件的受弯变幅疲劳试验[2]；Yang 基于混凝土疲劳损伤理论提出了疲劳寿命预测的概率方法[3]；李靖华基于混凝土疲劳寿命的分布特点得到了两参数威布尔分布的估计方法[4]；大连理工大学对混凝土在单轴以及多轴应力状态下的疲劳性能进行了研究[5][6][7]。而对于带有预裂纹的混凝土疲劳性能研究还鲜有涉及，本文以带有预裂纹的混凝土试件为主要研究对象，进行在拉压循环应力状态下的疲劳试验，同时引入有限元仿真模拟技术，针对混凝土在疲劳荷载作用下的疲劳寿命的结果做详细的分析，研究既有裂纹对混凝土疲劳性能的影响。

1 试验研究

试验制作的混凝土试件为100mm×100mm×300mm 的长方体，中部带有预裂纹，在制作试件的同时，每一批次要制作150mm×150mm×150mm 的标准混凝土立方体试块5 个，在试验之前，使用同批次的混凝土标准试块（150mm×150mm×150mm）进行抗压强度和抗拉强度检查各五次，抽查结果满足C50 混凝土强度标准值规定。

在试验时，采用电液伺服材料试验机，将试件两端用液压夹具夹紧以后，施加应力比R=-1，频率为8Hz 的正弦波形疲劳荷载。施加的荷载应力幅值(本试验施加的应力均为名义应力)由0.2MPa 递增到1.3MPa，每次增量为0.1MPa。如果试件在循环105次不发生破坏，则可以认为在该荷载下，试件的疲劳寿命是无限的。

施加拉压循环荷载以后，试件在疲劳荷载作用下，循环一定次数后沿预设裂纹延长线即垂直最大主应力的方向突然发生破坏，破坏前没有任何明显预兆，断裂时伴有钝音。

由试验测得的不同应力幅值下的疲劳寿命拟合如图1、图2 所示。

图1 疲劳寿命S-N 曲线

图2 疲劳寿命S-lgN 曲线

从疲劳试验结果可以看出：

(1)混凝土试件在名义应力为0.3MPa～0.4MPa，即实际应力0.375MPa～0.5MPa之间开始发生疲劳破坏，名义应力幅值在0.5MPa 即实际应力幅值为0.75MPa 时，混凝土试件开始发生稳定破坏，而当名义应力幅值在0.4MPa 以下即实际应力幅值在0.5MPa 以下时，试件才有无限疲劳寿命出现。

(2)由C50 混凝土轴心抗拉强度设计值（ft=1.89MPa）为标准，得到带预制裂纹的混凝土试件在拉压循环荷载下的疲劳强度修正系数处于0.198～0.265 之间，远低于混凝土相关规范[8]。

从疲劳寿命S-N 曲线可以看出：带预裂纹的混凝土，在拉压循环应力状态下的疲劳极限值约为S-1=0.36MPa，试验中采取的是名义应力，实际应力=1.25×名义应力，所以考虑其换算关系，疲劳极限值也仅仅约为S-1=0.45MPa，远低于无裂纹混凝土的抗拉疲劳极限值和抗压疲劳极限值。

2 有限元分析

由ANSYS 有限元软件对带预裂纹混凝土模型进行疲劳分析，从分析结果可以看出模型在裂纹尖端的应力和应变水平较高，存在明显的应力集中现象，带预裂纹的混凝土试件在应力幅值小很多的情况下就开始发生疲劳破坏，可以看出预裂纹对混凝土构件的疲劳性能有比较大的影响。由混凝土在拉压循环应力状态下的疲劳试验结果可以看出，在名义应力为0.3MPa 时，六个试件中有一个试件在疲劳荷载作用下循环81822 次发生破坏，在名义应力在0.5MPa 以上时，试件开始发生稳定破坏。

通过模型的分析结果，对其疲劳寿命和安全系数进行整理分析，并结合疲劳试验结果，可以得到预裂纹使混凝土构件的疲劳寿命安全系数降低了44.9%左右，而使其疲劳寿命缩短了75%～80%左右。可以看出带预裂纹的混凝土疲劳性能远低于正常的混凝土的疲劳性能，预裂纹使混凝土的疲劳寿命大大地降低。

3 结论

（1）进行带有预裂纹的混凝土试件在拉压循环应力状态下的疲劳试验，并对实验结果分析整理，得到S-N 曲线以及S-lgN 的一阶、二阶、三阶曲线得到带预裂纹的C50 混凝土的疲劳极限为0.45MPa。

（2）得到带预制裂纹的混凝土试件在拉压循环荷载下的疲劳强度修正系数处于0.198～0.265 之间，远低于混凝土相关规范。

（3）应用ANSYS 有限元软件带有预裂纹的混凝土进行仿真模拟，得出混凝土结构在不同应力幅值下的疲劳寿命云图，结合疲劳试验结果，得出预裂纹会使混凝土的疲劳性能降低75%～80%左右。