预应力钢筋钢纤维混凝土弯曲疲劳的应力-应变关系

摘要:文章对预应力钢筋钢纤维混凝土板的弯曲疲劳性能进行了试验研究,根据疲劳试验结果,对预应力钢筋钢纤维混凝土的疲劳使用寿命进行一定的分析,重点探讨了同一应力水平下钢纤维掺量分别为0%、1%、2%的预应力钢筋混凝土板在弯曲疲劳试验中的应力、应变关系以及塑性变形能的变化规律。

关键词:预应力;钢筋钢纤维;混凝土;塑性变形能;疲劳寿命;弯曲疲劳

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0163-02

钢纤维混凝土以其优良的抗拉、抗剪、耐疲劳等性能,在结构工程中的应用已从局部增强向改善结构或构件整体性能的方向发展。预应力钢筋钢纤维混凝土就是普通混凝土掺入钢纤维,提高了混凝土的韧性及力学性能;在其内部布置纵向受力钢筋,并且在受到外荷载作用之前,预先对钢纤维混凝土构件受压区施加一定的压应力,使其能够部分或全部抵消荷载产生的拉应力,从而进一步改善钢纤维混凝土的力学性能。目前对预应力钢筋钢纤维混凝土的研究主要集中在静载方面,而对疲劳能未进行系统的研究。本文对预应力钢筋钢纤维混凝土板在弯曲疲劳作用下的应力-应变关系以及塑性变形能的变化规律进行系统的研究,为预应力钢筋钢纤维混凝土构件提供了试验和理论依据。

一、试验方法及试验装置

抗折疲劳试验主要采用三分点加荷形式。试件尺寸为300mm×80mm×1500mm,实际跨度1200mm。试件的制备严格按标准方法进行,配合比见表1:

本试验使用的是美国MTS公司生产的810电液压伺服控制材料试验机。本次疲劳试验中试验系统采用等应力控制的方式,加载方式为正弦波形,加载频率选用3Hz。应力比为0.1。试件的下表面应变由试验机自带引伸计测量,载荷由MTS材料试验系统的载荷传感器测量,应变通过MTS试验机自带采集系统自动采集。本次疲劳试验是在配筋率、剪跨比、试件截面特性和材料特性等因素均相同的情况下进行的,且没有配置抗剪钢筋。为了在本文中表述方便,把钢纤维含量为2%的钢纤维混凝土称为2#混凝土;把钢纤维含量为1%的钢纤维混凝土称为1#混凝土;把钢纤维含量为0%的普通混凝土称为0#混凝土。

二、疲劳性能试验结果及分析

(一)最大、最小拉应变-循环比关系曲线

根据静载强度按85%的应力水平确定疲劳试验实际加载的上限应力。图1为不同钢纤维掺量的预应力钢筋混凝土板应变幅-循环比拟和曲线。从图中可以看出,应变幅值随着钢纤维掺量的增大而减小,由此可见,钢纤维掺量越大,抗裂性能越好。当达到疲劳总寿命的80%时,0#混凝土的应变幅值增长较快,已经提早进入不稳定发展阶段,很快就会破坏。而2#混凝土仍然处于稳定发展阶段。这反映了钢纤维掺量对疲劳性能的改善作用。

对于预应力钢筋钢纤维混凝土板,在循环荷载作用下,通过钢纤维和基体的逐渐脱粘和纤维的逐渐拔出,消耗普通预应力钢筋混凝土板所不能消耗的额外能量使得内部损伤稳定扩展阶段的持续期比普通预应力钢筋混凝土板长,即钢纤维有效地延缓了疲劳损伤的失稳发展。

(二)塑性变形能-循环比曲线

1.塑性变形能A的计算方法。首先画出试件的拉应力-拉应变滞回曲线,然后对其上升段及下降段曲线进行分段拟合。然后对滞回环的数据进行编排整理,找出应力应变最大点A(如图8所示)和应力应变最小点B,然后将最大应变εmax、最小应变εmin作为塑性变形能计算方程的上下限进行积分。计算方程如下:

(1)

如图2所示,(1)式中A为ACBDA所围成的面积,A上为ACBEFA所围成的面积,A下为ADBEFA所围成的面积。

先分段进行积分,最后将A上,A下代入式(1)求出塑性变形能。

2.塑性变形能-循环比曲线。图3为塑性变形能-循环比曲线。从图中可以看出,三种钢纤维掺量的预应力钢筋混凝土板的塑性变形能变化趋势相同,可以分为三个阶段:第一阶段为内部损伤形核阶段,预应力钢筋混凝土试件处于弹性阶段,塑性变形能呈线性变化;第二阶段为内部损伤稳定发展阶段,混凝土基体出现裂缝,随着循环次数的不断增加,塑性变形能变化缓慢,但数值较第一阶段大;第三阶段为内部损伤失稳发展阶段,由于预应力钢筋混凝土试件已趋近破坏,塑性变形能突然增大,当达到总疲劳寿命的80%时,0#混凝土塑性变形能的增长幅度突然增大,而1#混凝土塑性变形能的增长幅度较小,2#混凝土塑性变形能的增长幅度最小-仍然发展比较稳定,疲劳损伤较小。由此可见,钢纤维掺入后,预应力钢筋混凝土板的疲劳强度有所提高,疲劳寿命也得到了延长。

三、结论

1.钢纤维掺量越大,抗弯韧性越大。因为钢纤维的阻裂效应,抑制了裂缝的发展,缓和了裂缝尖端的应力集中程度,疲劳承载能力有了显著提高。

2.钢纤维在基体开裂之后有效地抑制裂缝的进一步扩展,有效地延缓了疲劳损伤的程度。

3.当达到疲劳总寿命的80%时,高钢纤维掺量的预应力钢筋钢纤维混凝土板的应变幅值增长很慢,塑性变形能的增长幅度最小,钢纤维掺入后,预应力钢筋混凝土板的疲劳寿命相应得到了延长。

参考文献

[1]程国庆,高路彬,徐蕴贤,吴淑华.钢纤维混凝土理论及应用[M].中国铁道出版社,1999.

[2]易成,谢和平,孙华飞.钢纤维混凝土疲劳断裂性能与工程应用[M].科学出版社,2003.

[3]张利民,谢华.低周疲劳中塑性变形能的计算及应用[C].第一界全国MTS材料试验会议论文集,全国MTS材料试验学会,北京,1990.

基金项目:云南省自然科学基金项目(项目编号:2001A0008M)。

作者简介:黄笔(1982-),男(壮族),广西田东人,供职于云南建工水利水电建设有限公司,研究方向:建筑结构。