構(gòu)件的疲勞性能(郭家齊)

構(gòu)件的疲勞性能郭家齊目錄疲勞性能的簡介1疲勞破壞實(shí)例及分析2構(gòu)件疲勞性能的改善31.疲勞性能的簡介疲勞破壞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是在反復(fù)荷載作用下?lián)p傷不斷累積，承載力逐漸降低直至喪失的過程，其疲勞性能與構(gòu)件的材料(混凝土和鋼筋)性能和它們之間的連接密切相關(guān)?；炷两Y(jié)構(gòu)疲勞性能的研究可分為兩個(gè)階段：第一階段主要是著眼于混凝土結(jié)構(gòu)疲勞破壞的極限狀態(tài)；第二階段是疲勞損傷全過程衰減規(guī)律。

材料破壞機(jī)理交變應(yīng)力引起金屬原子晶格的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)聚集，形成分散的微裂紋→微裂紋沿結(jié)晶學(xué)方向擴(kuò)展（大致沿最大剪應(yīng)力方向形成滑移帶）、貫通形成宏觀裂紋→宏觀裂紋沿垂直于最大拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，宏觀裂紋的兩個(gè)側(cè)面在交變載荷作用下，反復(fù)擠壓、分開，形成斷口的光滑區(qū)→突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區(qū)。2005年4月7日蘇州偃月橋倒塌2.疲勞破壞實(shí)例及分析1994年10月21日韓國漢城漢江圣水大橋坍塌3.構(gòu)件疲勞性能的改善纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FiberReinforcedPolymer,或FiberReinforcedPlastic,簡稱FRP)是由增強(qiáng)纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同,常見的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP),碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。1.預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)本次疲勞試驗(yàn)梁在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載。該試驗(yàn)機(jī)可自動(dòng)記錄荷載值、循環(huán)次數(shù)以及跨中撓度等動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.疲勞破壞模式與加載頭接觸的表面混凝土壓碎跨中出受拉鋼筋疲勞斷裂碳纖維薄板從加固梁的一端完全剝落在循環(huán)荷載作用下，加固梁上部受壓區(qū)混凝土疲勞損傷不斷累積，當(dāng)受壓區(qū)混凝土超過其抗壓疲勞強(qiáng)度被壓碎而導(dǎo)致梁發(fā)生疲勞破壞時(shí)，受拉鋼筋和碳纖維薄板均未達(dá)到其極限拉應(yīng)變，碳纖維薄板界面尚未完全剝離，這種破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土疲勞壓碎破壞。在循環(huán)荷載作用下，加固梁中受拉縱筋由于疲勞損傷不斷累積而發(fā)生屈服，加載至一定次數(shù)時(shí)，加固梁中一根受拉筋首先發(fā)生疲勞斷裂，引起應(yīng)力重分布，其余鋼筋的應(yīng)力突增，跨中處彎曲裂紋快速擴(kuò)展，中性軸上移，受壓區(qū)混凝土面積減小，加固梁迅速喪失承載能力而破壞，這種破壞是鋼筋疲勞斷裂破壞。在彎曲荷載作用下，加固梁跨中附近會(huì)產(chǎn)生疲勞受彎裂紋，裂紋根部處碳纖維薄板與混凝土界面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)兩者相對滑移量增大并超過臨界值時(shí)，碳纖維薄板開始發(fā)生局部剝離。隨著循環(huán)次數(shù)增加，界面疲勞損傷不斷累積，界面裂紋向碳纖維薄板自由端擴(kuò)展，當(dāng)界面裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時(shí)，碳纖維薄板迅速從加固梁的一端完全剝落，喪失抗拉作用不參加工作。由于應(yīng)力重分布，受拉鋼筋應(yīng)力突增，鋼筋瞬間發(fā)生屈服或斷裂，加固梁喪失承載能力而破壞，這種破壞為界面剝離破壞。3.疲勞壽命分析受壓區(qū)混凝土疲勞壓碎破壞鋼筋疲勞斷裂破壞界面疲勞剝離破壞現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果表明，受彎構(gòu)件在穩(wěn)定的循環(huán)荷載作用下，受壓區(qū)混凝土的疲勞壽命與加載水平之間的關(guān)系能較好地服從單對數(shù)方程或雙對數(shù)方程。疲勞壽命與加載水平之間的關(guān)系：受壓區(qū)混凝土疲勞壓碎破壞筆者收集了近10年來報(bào)導(dǎo)的關(guān)于FRP片材加固鋼筋混凝土梁發(fā)生鋼筋斷裂破壞模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試件的疲勞壽命對數(shù)logN與應(yīng)力幅值logΔσ之間的關(guān)系基本呈線性分布，其回歸系數(shù)r為-0.92，利用最小二乘法對該試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得到擬合方程：鋼筋疲勞斷裂破壞隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，界面裂縫將不斷擴(kuò)展。本試驗(yàn)對界面裂紋進(jìn)行了測量，得到了最大荷載為32.5kN、試驗(yàn)編號分別為P4-2和P4-1的界面裂紋長度a與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。裂紋擴(kuò)展的第3階段，裂紋長度急劇增長，速率相當(dāng)高，但第3階段在整個(gè)裂紋擴(kuò)展階段中所