拉壓循環荷載作用下預裂紋混凝土疲勞性能研究

郭蒙蒙 張志彪 朱茹琳

（1 安徽省高路建設有限公司， 安徽 合肥 230000；2 安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司， 安徽 合肥 230000； 3.安徽保利房地產開發有限公司， 安徽 合肥 230000）

0 引言

大量的工程實踐表明，混凝土結構在設計、施工和養護方面采取一定的措施，也不能完全消除混凝土結構中的裂紋，混凝土結構大多是帶著既有裂紋投入使用的。在自然環境各種侵蝕作用和各種荷載作用下，特別是在反復循環的疲勞荷載作用下，在裂紋的尖端會出現應力集中現象，從而使疲勞極限極大地降低。國內外一些學者對于混凝土的疲勞性能進行了相關的分析研究，McCall 最早通過混凝土梁試件受彎疲勞試驗對疲勞破壞概率進行分析[1]；Byung 進行了混凝土梁試件的受彎變幅疲勞試驗[2]；Yang 基于混凝土疲勞損傷理論提出了疲勞壽命預測的概率方法[3]；李靖華基于混凝土疲勞壽命的分布特點得到了兩參數威布爾分布的估計方法[4]；大連理工大學對混凝土在單軸以及多軸應力狀態下的疲勞性能進行了研究[5][6][7]。而對于帶有預裂紋的混凝土疲勞性能研究還鮮有涉及，本文以帶有預裂紋的混凝土試件為主要研究對象，進行在拉壓循環應力狀態下的疲勞試驗，同時引入有限元仿真模擬技術，針對混凝土在疲勞荷載作用下的疲勞壽命的結果做詳細的分析，研究既有裂紋對混凝土疲勞性能的影響。

1 試驗研究

試驗制作的混凝土試件為100mm×100mm×300mm 的長方體，中部帶有預裂紋，在制作試件的同時，每一批次要制作150mm×150mm×150mm 的標準混凝土立方體試塊5 個，在試驗之前，使用同批次的混凝土標準試塊（150mm×150mm×150mm）進行抗壓強度和抗拉強度檢查各五次，抽查結果滿足C50 混凝土強度標準值規定。

在試驗時，采用電液伺服材料試驗機，將試件兩端用液壓夾具夾緊以后，施加應力比R=-1，頻率為8Hz 的正弦波形疲勞荷載。施加的荷載應力幅值(本試驗施加的應力均為名義應力)由0.2MPa 遞增到1.3MPa，每次增量為0.1MPa。如果試件在循環105次不發生破壞，則可以認為在該荷載下，試件的疲勞壽命是無限的。

施加拉壓循環荷載以后，試件在疲勞荷載作用下，循環一定次數后沿預設裂紋延長線即垂直最大主應力的方向突然發生破壞，破壞前沒有任何明顯預兆，斷裂時伴有鈍音。

由試驗測得的不同應力幅值下的疲勞壽命擬合如圖1、圖2 所示。

圖1 疲勞壽命S-N 曲線

圖2 疲勞壽命S-lgN 曲線

從疲勞試驗結果可以看出：

(1)混凝土試件在名義應力為0.3MPa～0.4MPa，即實際應力0.375MPa～0.5MPa之間開始發生疲勞破壞，名義應力幅值在0.5MPa 即實際應力幅值為0.75MPa 時，混凝土試件開始發生穩定破壞，而當名義應力幅值在0.4MPa 以下即實際應力幅值在0.5MPa 以下時，試件才有無限疲勞壽命出現。

(2)由C50 混凝土軸心抗拉強度設計值（ft=1.89MPa）為標準，得到帶預制裂紋的混凝土試件在拉壓循環荷載下的疲勞強度修正系數處于0.198～0.265 之間，遠低于混凝土相關規范[8]。

從疲勞壽命S-N 曲線可以看出：帶預裂紋的混凝土，在拉壓循環應力狀態下的疲勞極限值約為S-1=0.36MPa，試驗中采取的是名義應力，實際應力=1.25×名義應力，所以考慮其換算關系，疲勞極限值也僅僅約為S-1=0.45MPa，遠低于無裂紋混凝土的抗拉疲勞極限值和抗壓疲勞極限值。

2 有限元分析

由ANSYS 有限元軟件對帶預裂紋混凝土模型進行疲勞分析，從分析結果可以看出模型在裂紋尖端的應力和應變水平較高，存在明顯的應力集中現象，帶預裂紋的混凝土試件在應力幅值小很多的情況下就開始發生疲勞破壞，可以看出預裂紋對混凝土構件的疲勞性能有比較大的影響。由混凝土在拉壓循環應力狀態下的疲勞試驗結果可以看出，在名義應力為0.3MPa 時，六個試件中有一個試件在疲勞荷載作用下循環81822 次發生破壞，在名義應力在0.5MPa 以上時，試件開始發生穩定破壞。

通過模型的分析結果，對其疲勞壽命和安全系數進行整理分析，并結合疲勞試驗結果，可以得到預裂紋使混凝土構件的疲勞壽命安全系數降低了44.9%左右，而使其疲勞壽命縮短了75%～80%左右。可以看出帶預裂紋的混凝土疲勞性能遠低于正常的混凝土的疲勞性能，預裂紋使混凝土的疲勞壽命大大地降低。

3 結論

（1）進行帶有預裂紋的混凝土試件在拉壓循環應力狀態下的疲勞試驗，并對實驗結果分析整理，得到S-N 曲線以及S-lgN 的一階、二階、三階曲線得到帶預裂紋的C50 混凝土的疲勞極限為0.45MPa。

（2）得到帶預制裂紋的混凝土試件在拉壓循環荷載下的疲勞強度修正系數處于0.198～0.265 之間，遠低于混凝土相關規范。

（3）應用ANSYS 有限元軟件帶有預裂紋的混凝土進行仿真模擬，得出混凝土結構在不同應力幅值下的疲勞壽命云圖，結合疲勞試驗結果，得出預裂紋會使混凝土的疲勞性能降低75%～80%左右。