混凝土疲劳理论综述

混凝土结构疲劳理论综述摘要:混凝土疲劳性能的研究对于承受动荷载的混凝土结构的设计来说十分重要。本文对国外内混凝土结构疲劳性能的研究动态进行了较为全面详细的阐述。分别从疲劳性能，疲劳影响因素、疲劳模型与损伤力学的结合等方面对研究现状进行了综合的讨论。然后对混凝土结构在多重环境因素耦合作用下的疲劳以及新型混凝土的疲劳进行了综述介绍。通过对国内各类结构混凝土疲劳性能研究现状分析，以期对国内研究者以后研究混凝土疲劳性能有所帮助。关键词：疲劳钢筋混凝土损伤力学锈蚀与冻融疲劳高性能混凝土Abstract:Thestudyoffatiguepropertiesofconcreteisveryimportantforthedesignofconcretestructureswhichwithstanddynamicloads.Thispaperdemonstratestheresearchsituationoffatiguepropertiesofconcretestructuresinfatigueperformance,fatigueinfluencefactors,fatiguemodelanddamagemechanics.Thenthefatigueofconcretestructureinthecouplingeffectofmultipleenvironmentalfactorsandthefatiguemodelofconcretearediscussedinthispaper.Throughtheanalysisofallkindsofdomesticstructurefatigueperformanceofconcretesituation,inordertoassistfurtherstudiesonthefatigueperformanceofconcrete.Keyword:fatigue;reinforceconcrete;damagemechanics;corrosionandfreezethawing;highperformanceconcrete1、引言1.1研究背景钢筋和混凝土的组合被誉为水泥混凝土工业发展中一次重要技术革命，两者实现优势互补，钢筋改善了混凝土结构的韧性、提高了其抗拉、抗弯性能，混凝土的碱性环境则保持了钢筋表层的钝化，同时又隔离了钢筋与外界，特别是侵蚀性介质的接触，防止钢筋的锈蚀，因此成为世界上应用最为广泛的结构形式[1]。但是，在不可忽略的环境作用下，随着时间的推移，钢筋混凝土结构的耐久性问题日益突出[2]。由于在实际工程中，许多结构除了承受静载作用外，还要经常承受重复循环荷载载如风荷载、波浪荷载等的作用，这使得混凝土结构的疲劳问题成为工程设计中不可忽视的关键问题。疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。人们对混凝土结构的疲劳性能最早开始于19世纪末，1898年Considere和DeJoly对水泥砂浆试件的疲劳问题进行了最早的研究[3]；进入20世纪20年代，由于公路的发展，混凝土路面的抗折疲劳性能进一步引起了人们对混凝土疲劳性能的研究兴趣。美国于1947年成立了混凝土疲劳委员会，专门研究混凝土的疲劳问题。然而，直至70年代以前，由于钢筋混凝土结构都是按照容许应力法设计，结构的容许应力较低，很少发生混凝土结构因疲劳而破坏的工程实例。但随着钢筋混凝土结构向高强、轻质方向的发展，又采用充分利用材料强度的设计理论，如极限状态设计理论[4]、混凝土多轴强度理论[5]等，导致结构中的许多构件处于高应力状态下工作，并使工作应力变幅越来越接近疲劳应力幅。另外，由于混凝土结构逐渐扩大应用到许多循环次数较多，重复荷载较大的结构，如海洋结构、压力容器、轨枕等，因此对混凝土构件进行疲劳强度研究有着重要的工程意义。1.2研究目的本文主要结合了混凝土疲劳研究的现状进行分析，对近年来混凝土疲劳理论的研究进行了综述，对不同研究者所采用的试验方法和考虑的影响因素进行了比较，从不同方面揭示了混凝土结构的疲劳破坏规律，对于进一步研究混凝土的疲劳能具有一定的参考意义。2、研究现状国内外针对混凝土结构的疲劳问题展开了大量的研究工作，且成果已被有关设计规范采用，如《钢筋混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）。国际上，美国混凝土协会（ASI）于1974年发表了“承受疲劳荷载的混凝土结构设计要点”[6]，其中一些内容被美国AASHTO于1977~2006年所颁布的《公路桥梁规范》[7~8]采用。国际预应力混凝土协会（FIP）和欧洲混凝土协会（CEB）于1990年提出的《混凝土结构模式规范》（CEB—FIPModelCode1990）[9]也列出了承受疲劳荷载的混凝土结构设计的有关条款。2.1疲劳性能对混凝土疲劳性能的研究可以分为两个方面：一是针对混凝土疲劳破坏极限状态的，如混凝土疲劳S-N曲线、疲劳极限强度；另一方面是针对混凝土疲劳加载过程的，如疲劳过程中的应力-应变关系、累积损伤规律及刚度衰减规律等。目前这两方面国内外均有学者做了许多的研究。Bennet和Rajiu[10]研究了混凝土轴压疲劳加载过程中的刚度退化规律，得出了循环卸载割线弹性模量不断降低的结论；Holment[11]研究了混凝土在等幅和变幅载荷下的疲劳变形性能，得出了混凝土的纵向疲劳变形随循环次数的增大而不断增长且呈三阶段发展规律的结论。王瑞敏等[12]研究了混凝土在等幅和变幅受压重复应力作用下的疲劳性能,给出了计算混凝土纵向疲劳变形的计算方法,并研究了加荷顺序对混凝土疲劳性能的影响,进一步验证了利用P-M线性累积损伤准则来估算混凝土在变幅重复应力作用下的疲劳破坏的适用性。钟美秦和汪加蔚[13]综述了重复荷载对混凝土强度、变形等性能的影响，介绍了采用疲劳变形增量来研究混凝土结构疲劳失效强度的方法，简述了有别于静载破坏摸式的疲劳破坏。李永强，车惠民[14]在室内混凝土试件弯曲疲劳试验的基础上，研究了素混凝土受弯试件在变幅重复荷载作用下的弯曲疲劳累积损伤性能，在对试验结果分析的基础上，证明了变幅疲劳荷载的大小和加载顺序对混凝土弯曲疲劳破坏有较大的影响，同时验证了非线性疲劳累积损伤理论的合理性。王时越[15]等对C15混凝土进行了大量的静载及恒幅疲劳试验研究，分析了疲劳加载过程中混凝土的刚度衰减规律，并以循环卸载割线弹性模量的衰减率为损伤因子建立了疲劳寿命与循环卸载割线弹性模量的数学模型，提出了通过较少循环的微损试验结果来预测混凝土疲劳寿命的方法。混凝土疲劳性能的试验研究主要集中在疲劳破坏状态、疲劳寿命、疲劳强度及疲劳变形等方面，研究者考虑不同因素得出了不同方面的混凝土疲劳性能的变化规律。2.2影响因素影响混凝土疲劳性能的因素很多，比如混凝土结构所处的工作环境（如温度、混凝土中钢筋中电流的有无等），混凝土的弹性模量，此外还有混凝土组成材料的特性（如混凝土的配合比、龄期）以及混凝土所处的应力状态。工程结构中有许多混凝土构件是在循环应力下工作的，例如，用混凝土制作的轨枕、吊车梁、桥梁和海上构造物等，这些构件在一定的循环应力作用下将产生疲劳破坏。此外，对于特殊环境下的混凝土结构，如核反应堆压力容器和安全壳，常处于60℃～120℃的环境中；冶金和化工车间受高温辐射的砼吊车梁，温度可达200℃，为了确保此类结构在高温环境下正常使用，必须对在高温环境中的砼疲劳性能进行系统的试验研究。宋玉普等[16]研究了不同温度下混凝土的抗拉疲劳性能，并提出了考虑温度影响的轴拉统一疲劳方程。赵东拂[17]等根据大量国内外文献资料中的实验数据，借助方差分析的手段，定量分析了循环荷载作用下的应力水平S、应力比R、应力幅ΔS、温度T以上四种因素对混凝土疲劳寿命影响的显著性程度。由于实际混凝土结构在承受外荷载（动、静荷载）的同时往往还承受环境腐蚀，例如近海桥梁、铁路轨枕等在承受循环荷载作用同时还受到环境中氯离子、二氧化碳等引发的钢筋腐蚀协同作用，从而导致棍凝土结构服役性能严重退化，过早退出服役，因此有的不少学者对于循环荷载和环境耦合作用下的混凝土的疲劳性能进行了相关研究，本文将在后文单独讨论。2.3疲劳模型近年来，为分析钢筋混凝土的疲劳破坏，大量的疲劳模型被提出。PauloB.Cachim等人基于粘弹性理论，以循环加载次数替代时变效应，提出了混凝土在疲劳荷载作用下的疲劳计算模型[18]，该模型的计算分析包括两步：首先，荷载单调递增至循环过程的最大值，该过程采用标准的非线性分析。然后，保持最大荷载值不变，循环加载，并进行相应的分析。在每一次的循环过程中，只考虑非弹性变形的部分。该种方法与Suiker和Borst分析土体的变形方法类似。准脆性材料如混凝土，其性质与金属材料相比具有很大的离散性，鉴于此，LuisSaucedo等人提出了一种对脆性材料有效的新的疲劳模型。该模型将强度测试数据与三参数威布尔积累分布函数相协调并取其作为混凝土疲劳模型的渐近初始分布函数，并考虑了荷载频率效应和应力比对混凝土疲劳寿命的影响[19]。赵造东等在已知混凝土静压强度分布的基础上使用S-N曲线模型推导出一种疲劳寿命满足的分布,并对水工混凝土做了大量的等幅抗压疲劳试验[20]。通过分析发现,实验数据能较好地符合该分布,同时得出了该种混凝土的S-N曲线和P-S-N曲线。FahamTahmasebini等人利用有限元模型对复合钢筋混凝土梁进行了一系列测试[21]。他们所提出的方法基于三维下的模型，采用ABAQUS开发，其优点在于它能够捕捉到固体和复合板简支以及连续梁的复合效应。此模型在梁的试验中比较新颖，类似的模型对于疲劳试验的研究有很大的帮助。随着高分子聚合物材料的发展，FRP在混凝土结构中的加固运用越来越普遍，FadiOudah和RaafatEl-Hacha提出了预应力FRP加固的钢筋混凝土梁在弯曲荷载作用下的疲劳预测分析模型[22]，该模型考虑了混凝土应力-应变关系的劣化及环氧树脂混凝土和钢筋-混凝土连接应力的退化，破坏效应被量化成相应的变量，这些变量可以通过实验和分析确定。该模型对任何FRP加固的钢筋混凝土梁均有效。为分析结构的抗震性能，很多钢筋混凝土结构的疲劳破模型也被提出，然而大多数模型的核心评价标准是仅考虑周期变形最大幅值的函数，并没有考虑循环加载次数。R.Perera等人在Cipollina提出的简化模型的基础上做了一定的改进[23]，得到了能够考虑峰值及积累效应强度衰减的模型方程，该方程能够处理统一方式单调加载的情况，低循环及高循环的疲劳破坏。2.4疲劳与损伤力学国内外有不少学者结合损伤力学对疲劳理论做出了一系列研究。汤红卫，李士彬，朱慈勉基于损伤力学理论，引入剩余刚度和累积损伤值的概念，研究了混凝土梁由于疲劳累积损伤而造成的刚度衰减规律，并建立了钢筋混凝土梁累积损伤值与循环寿命比之间关系的数学模型，给出预测混凝土梁疲劳寿命的累积损伤模型[24].张滨生和吴科如从热力学基本定律出发，采用连续介质力学方法推导出三维损伤方程。把其推广到混凝土弯曲条件下的疲劳损伤状态，定出损伤变量与疲劳寿命的关系式，提出并定量地确定初始疲劳损伤(零循环损伤)和临界疲劳损伤，并采用无损探测方法验证了损伤力学的适用性[25]。李朝阳等研究了单轴等幅和变幅加载抗压疲劳变形规律,提出了一个与疲劳变形规律相对应的三阶段线性疲劳损伤模型,给出了以残余应变为指标的疲劳损伤累积方程[26]。由试验结果分析,得到了加载水平与疲劳变形的二阶段发展水平之间的关系。以等幅两阶段线性疲劳方程为基础,建立了多级疲劳的累积损伤准则。李庆斌等人基于边界面概念和损伤力学理论，建立了混凝土受压各向异性损伤模型[27]。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内，由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈