碳纤维、钢纤维混凝土低周抗压疲劳特性的试验研究

摘要：本文研究了素混凝土、碳纤维混凝土和钢纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理，试验研究了碳纤维、不同品种钢纤维、纤维掺量、加载应力水平对于疲劳寿命及能量吸收的影响规律，探讨了疲劳累积损伤特性。研究表明：在较低的应力水平下纤维混凝土的疲劳寿命、能量吸收值均比高应力水平时明显增大。

关键词：碳纤维 钢纤维 混凝土 疲劳 损伤

近几年来，纤维混凝土已广泛应用于对抗疲劳、抗震和抗冲击等有较高要求的土木工程领域，这些工程在其服役期内通常承受随机或周期性反复荷载的作用，因此，研究纤维混凝土在不同加载应力水平下的疲劳寿命、能量吸收和疲劳累积损伤特性是极其重要的，它是建立纤维混凝土疲劳累积损伤理论和正确估算结构剩余疲劳寿命等工作的基础。过去关于素混凝土及钢纤维混凝土疲劳特性的研究较多[1～4]，但关于碳纤维混凝土疲劳特性的研究未见报道。本文对碳纤维和钢纤维增强混凝土的疲劳特性作了对比试验，重点研究了碳纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损伤变量的影响规律。研究表明：钢纤维和碳纤维混凝土均具有良好的抗疲劳特性，钢纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的7.9～13.7倍，能量吸收是素混凝土7.4～14.5倍，碳纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土2.1～9.3倍，能量吸收是素混凝土1.53～4.2倍；与高应力水平相比，纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命、能量吸收均有明显增大的趋势。

1 试验过程

表1 纤维混凝土力学性能

纤维混凝土试件在疲劳过程中裂纹扩展、纤维的脱粘与拔出等都需吸收能量，总的能量吸收与疲劳寿命、纤维体积率、应力水平以及损伤发展密切相关。与高应力水平相比，在较低的应力水平下，疲劳裂纹短而且少，纤维与基体间有良好的粘结力，纤维延缓了裂纹的扩展，增大了基体的疲劳寿命、可恢复变形和能量吸收值，试件能吸收更多的能量。当应力水平提高时，砂浆体中产生更多的裂纹，消弱了纤维对裂纹的阻滞作用，裂纹扩展速率和不可逆变形增大，疲劳寿命和能量吸收值减少。钢纤维与碳纤维的弹性模量接近，但钢纤维混凝土在疲劳过程中吸收的能量值大于碳纤维混凝土，这是由于钢纤维两端带钩，增加了钢纤维与基体间的摩擦力，在钢纤维被拔出的过程中即钢纤维混凝土的破坏阶段所吸收的能量大于碳纤维混凝土。钢纤维更有利于提高混凝土的耗能性能。

2.2 疲劳累积损伤规律 试件内部的损伤演化与能量吸收密切相关。从能量吸收的角度定义损伤变量D为：

D=J/Jtot

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