CN107063901A - 一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法，包括：基于待测混凝土的弯剪受力状态，设计混凝土试件和加载装置的结构；制作混凝土试件和加载装置，开展疲劳试验，并获得疲劳试验结果；对疲劳试验结果进行拟合，获得弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max‑N曲线，引入应力幅值S_a和平均应力S_m，获得弯剪受力状态下混凝土的S_a‑S_m‑N曲面。与现有技术相比，本发明理论合理可靠，所获取的S_a‑S_m‑N曲面精确度大幅提高，满足了实际应用的要求，试验方法所需装置结构简单，设计合理，疲劳试验过程简单可控，科学性和操作性强，试验结果可靠，具有重要的理论和实际意义，应用前景广阔。

Description

一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法

技术领域

本发明涉及混凝土疲劳试验技术领域，尤其涉及一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法。

背景技术

混凝土结构疲劳抗力效应的确定是开展结构疲劳可靠性研究至关重要的环节。混凝土结构疲劳性能研究多从弯拉和剪切受力状态角度展开，数十年以来国内外学者在该领域展开了广泛研究，取得了丰硕的成果，但前人的研究范围主要在较为简单的受压、弯拉及拉压受力状态疲劳试验；复杂的受力状态有围压、侧压及双轴压疲劳试验研究，而对于混凝土剪切受力为主的疲劳强度曲线研究相对较少。因此，开展混凝土构件疲劳试验，以研究混凝土弯剪状态下的疲劳抗力效应和疲劳强度曲线方程，是开展预应力混凝土梁桥弯剪疲劳可靠性研究的必要前提，具有重要的理论及工程意义。

然而，目前的混凝土抗剪疲劳性能研究多从试件形式和加载方式的设计入手，使剪切面破坏时的应力状态与实际桥梁的应力状态相近，而忽略了在每一个应力循环中，平均应力和应力幅值对疲劳寿命的影响，而直接用最大应力进行分析计算，这样会导致分析结果的精确性的大幅降低。

随着科学技术的不断发展和进步以及实际应用对混凝土疲劳寿命结果的精确性的更高要求，急需一种合理可靠、精确度高的弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决现有的弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的试验方法，在实际应用过程中，不考虑实际应力大小的变化范围，从而导致测试结果精确度差、实际应用过程易带来不良后果的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法，包括以下步骤：

S1、基于待测混凝土的弯剪受力状态，设计混凝土试件和加载装置的结构；

S2、制作混凝土试件和加载装置，开展疲劳试验，并获得疲劳试验结果；

S3、对获得的疲劳试验结果进行拟合，获得弯剪受力状态下混凝土的最大应力S_max与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度S_max-N曲线，引入应力幅值S_a和平均应力S_m，获得弯剪受力状态下混凝土的应力幅值S_a和平均应力S_m两者与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度广义的S_a-S_m-N曲面。

在上述技术方案中，步骤S1还包括，利用有限元程序对混凝土试件弯剪应力场仿真模拟，以得到能模拟中小跨径预应力混凝土梁桥实际过程中弯剪疲劳应力状态的混凝土试件。

进一步的，在上述技术方案中，步骤S1中，所述弯剪受力状态为混凝土的正应力与剪应力的比值，所述混凝土试件为局部加固的改进型的“Z”型试件。

更进一步的，在上述技术方案中，步骤S1中，所述局部加固为局部钢板建筑结构胶粘贴加固。

在上述技术方案中，步骤S2中，所述疲劳试验包括：将混凝土试件置于加载装置中，设定加载装置的荷载，荷载采用正弦加载，等幅控制，重复多次加载试验，直至混凝土试件被破坏，混凝土试件破坏时的加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命。

在上述技术方案中，步骤S3中，对获得的疲劳试验结果拟合时，采用最小二乘法进行拟合，以得到弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线。

进一步的，在上述技术方案中，步骤S3中，拟合获取S_max-N曲线时，引入存活率，获得存活率为90％的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线。

更进一步的，在上述技术方案中，步骤S3中，在引入应力幅值S_a和平均应力S_m的影响时，利用等寿命曲线，得到最大压力S_max与应力幅值S_a和平均应力S_m的关系，最终获得弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度广义的S_a-S_m-N曲面。

更进一步的，在上述技术方案中，步骤S3中，所述等寿命曲线为：

其中：

S_-1为最小压力S_min比最大压力S_max为-1的混凝土试件的疲劳极限，

σ_b为混凝土试件的拉伸强度极限，

m为混凝土试件的拟合常数，对于脆性材料，m＝1。

本发明的优点：

(1)本发明通过对等寿命曲线中的最大应力S_max与应力幅值S_a和平均应力S_m两者的关系的研究分析，将应力幅值S_a和平均应力S_m引入到弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线里，得到广义的S_a-S_m-N曲面，较现有技术中的S_max-N曲线相比，理论上合理可靠，且与工程实际贴合更加精确，从而满足了实际应用对其精确度和科学性的要求，具有重要的实际应用意义；

(2)本发明通过有限元程序对混凝土试件的正应力与剪应力的比值进行仿真模拟，设计了局部钢板建筑结构胶粘贴加固的改进型的“Z”型试件，结构设计科学合理，混凝土试件制备过程简单且操作性强，实际应用意义重大；

(3)本发明的弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法中所涉及的疲劳试验所需的加载装置结构简单，设计合理，疲劳试验过程简单可控，科学性强，试验结果可靠，具有重要的理论和实际意义，应用前景广阔。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例中的获取在弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中所设计的纯混凝土试件的结构示意图；

图3为本发明实施例中纯混凝土试件的加固结构示意图；

图4为本发明实施例中所设计的加载装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中所设计的加载装置的加载方式示意图；

图6为本发明实施例中所拟合的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线；

图7为本发明实施例中所拟合的存活率为90％的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线；

图中：测试试件1，纯混凝土结构试件11，缺口 111，第一段112，第二段113，加固钢板12，固定加载装置2，水平加载组件21，水平加载固定架211，高强螺杆2111，固定钢板2112，水平力加载感应件212，千斤顶2121，第一活动钢板2122，压力传感器2123，第二活动钢板2124，剪力件213，竖直加载组件22，第一支座221，基座2211，球铰支座2212，第二支座222，竖直作动器223。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法。

如图1所示，本发明实施例中的获取弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的方法主要包括如下所述的步骤：

S1、基于待测混凝土的弯剪受力状态，设计混凝土试件和加载装置的结构。

在本发明的技术方案中，在设计混凝土试件和加载装置的结构之前，利用有限元程序对混凝土试件弯剪应力场仿真模拟，以得到能模拟实际过程中的正应力与剪应力的比值的混凝土试件，最终的混凝土试件为局部钢板建筑结构胶粘贴加固的改进型的“Z”型试件。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际的正应力与剪应力的比值大小，确定改进型的“Z”型试件的具体结构和尺寸，以及钢板局部加固的加固方式和加固钢板的厚度。

S2、制作混凝土试件和加载装置，开展疲劳试验，并获得疲劳试验结果。

在本发明的技术方案中，疲劳试验包括：将混凝土试件置于加载装置中，设定加载装置的荷载，荷载采用正弦加载，等幅控制，重复多次加载试验，直至混凝土试件被破坏，混凝土试件破坏时的加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命。

S3、对获得的疲劳试验结果进行拟合，获得弯剪受力状态下混凝土的最大应力S_max与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度S_max-N曲线，引入应力幅值S_a和平均应力S_m，获得弯剪受力状态下混凝土的应力幅值S_a和平均应力S_m两者与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度广义的S_a-S_m-N曲面。

在本发明的技术方案中，对获得的疲劳试验结果拟合时，采用最小二乘法进行拟合，并引入存活率，以获得存活率为90％的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线；同时，利用等寿命曲线，得到最大压力S_max与应力幅值S_a和平均应力S_m的关系，以应力幅值S_a和平均应力S_m取代S_max代入疲劳强度S_max-N曲线，获得弯剪受力状态下混凝土的应力幅值S_a和平均应力S_m两者与破坏循环次数N的关系，得到广义的S_a-S_m-N曲面。

在本发明的技术方案中，等寿命曲线为：

其中：S_-1为最小压力S_min比最大压力S_max为-1的混凝土试件的疲劳极限，σ_b为混凝土试件的拉伸强度极限，m为混凝土试件的拟合常数，对于脆性材料，可取m＝1。

例如，具体的，根据有限元程序对实际过程中的混凝土试件弯剪应力场仿真模拟，得到混凝土试件正压力与剪压力的比值为3，设计如图2和3所示结构的纯混凝土结构试件11，纯混凝土结构试件11长度方向上相对的两个第一端面上均设有垂直于第一端面的缺口111，缺口111将其所在第一端面分为第一段112与第二段113，第一段112的长度大于所述第二段的长度113，一个第一端面的所述第一段112与另一个第一端面的所述第二段113相对，缺口111靠近第一段112的端面、第一段112以及试件本体11上下底面上设置有加固钢板12。

如图3所示，纯混凝土结构试件11的长度L1、厚度S和高度L6分别为360mm、100mm和440mm，第一段112的长度L2、缺口111的长度L4和第二段113的长度L3的长度分别为270mm、20mm和150mm；缺口111的深度L5为180mm。

其具体加固结构如图3所示，加固方式为建筑结构胶粘贴钢板，加固钢板厚度为3mm。加固钢板12的厚度为3mm，长度分别为180mm、270mm和360mm，宽度为100mm。

根据实际过程中的混凝土标号，浇注如图2所示结构的混凝土试件，并采用钢板加固；同时设计如图4所示的固定加载装置2，固定加载装置2包括水平加载组件21和竖直加载组件22，水平加载组件21与所述测试试件1长度方向上的两个第一端面连接，达到将测试试件1在其长度方向上固定并施加水平力疲劳载荷的目的，模拟水平施加的正压力的作用，竖直加载组件22与所述测试试件1上下底面连接，达到对测试试件1在竖直方向上施加竖直力疲劳载荷的目的，模拟剪切力的作用。

如图4所示，水平加载组件21包括水平加载固定架211、水平力加载感应件212和剪力件213，水平力加载感应件212设置在水平加载固定架211内侧的一端，剪力件213设置在水平加载固定架211内侧的另一端，水平力加载感应件212和剪力件213分别与两个第一端面的第一段112的重合段连接，剪力件213与水平加载固定架211内侧端部转动连接。

水平加载固定架211包括两根高强螺杆2111和两个固定钢板2112，上述两根高强螺杆2111平行设置在所述测试试件1长度方向上的两侧，上述两个固定钢板2112通过螺栓平行固定设置在两根高强螺杆2111的两端。

水平力加载感应件212包括千斤顶2121、第一活动钢板2122、压力传感器2123和第二活动钢板2124，千斤顶2121一端固定设置在水平加载固定架211内侧端部，另一端与第一活动钢板2122固定连接，第一活动钢板2122的两端可活动穿设在两根高强螺杆2111上，第一活动钢板2122的另一侧通过压力传感器2123与第二活动钢板2124固定连接。

竖直加载组件22包括第一支座221、第二支座222和竖直作动器223，第一支座221和第二支座222分别与测试试件1竖直方向上的顶面和底面连接，竖直作动器223与第一支座221固定连接。

第一支座221包括基座2211与球铰支座2212，基座2211一端面与测试试件1顶面连接，另一端面设有弧形面的凹陷，凹陷与所述球铰支座2212端面的球面凸起相配合接触连接，球铰支座2212的另一端面与竖直作动器223固定连接；上述竖直作动器223为液压伺服作动器。

此外，如图5所示，将混凝土试件置于加载装置中，设定加载装置的荷载，荷载采用正弦加载，等幅控制，重复多次加载试验，直至混凝土试件被破坏，混凝土试件破坏时的加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命，最终得到如下表1所示的疲劳寿命测试结果。

表1直剪试件剪切疲劳寿命

注：表中上、下峰值分别表示脉动疲劳试验机作用正弦竖向荷载P的上、下峰值；

以S_max为纵坐标，破坏循环次数对数值lgN为横坐标描绘试验数据点，并直接依据最小二乘原理拟合出曲线方程，具体结果如下图6所示。

疲劳强度S_max-N曲线方程为：

S_max＝-0.05492lg N+1.047

此外，引入存活率，并依据最小二乘原理拟合出存活率为90％的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线，具体结果如下图7所示。

成活率为90％时疲劳强度S_max-N曲线方程为：

S_max＝-0.054281lg N+1.029

研究表明，等寿命曲线的不同函数表达式，适用性各有不同，通过大量实验研究，等寿命曲线的普遍表达如下所式：

式中，S_-1、σ_b和m均为材料的拟合常数，S_-1为应力比为-1的疲劳极限，σ_b为材料的拉伸强度极限，均由试验数据拟合获得。Goodman直线方程适用于脆性材料，为本发明选用的等寿命曲线方程，故m取值为1，σ_b在发明中取值为1。则上式可将S_-1表示成下式：

当针对于疲劳循环加载最小应力为0，最大应力为S_max，应力比R为0，则可将等寿命曲线转化成下式：

将上式代入成活率为90％时疲劳强度S_max-N曲线方程中，变形后可得到如下所示的S_a-S_m-N关系式：

上式描述了应力幅值S_a和平均应力S_m与疲劳寿命N之间的函数关系，在三维坐标系中构成S_a-S_m-N曲面，称之为广义S-N曲面。广义S-N曲面计入了平均应力的影响，较普通S-N曲线在疲劳损伤研究和可靠指标估算中精确度更高。

最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种弯剪受力状态下混凝土疲劳强度曲线的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于待测混凝土的弯剪受力状态，设计混凝土试件和加载装置的结构；

S2、制作混凝土试件和加载装置，开展疲劳试验，并获得疲劳试验结果；

S3、对获得的疲劳试验结果进行拟合，获得弯剪受力状态下混凝土的最大应力S_max与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度S_max-N曲线，引入应力幅值S_a和平均应力S_m，获得弯剪受力状态下混凝土的应力幅值S_a和平均应力S_m两者与破坏循环次数N的关系，即疲劳强度广义的S_a-S_m-N曲面。

2.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，步骤S1中，还包括，利用有限元程序对混凝土试件弯剪应力场仿真模拟，以得到能模拟中小跨径预应力混凝土梁桥实际过程中弯剪疲劳应力状态的混凝土试件。

3.根据权利要求1或2所述的获取方法，其特征在于，步骤S1中，所述弯剪受力状态为混凝土的正应力与剪应力的比值，所述混凝土试件为局部加固的改进型的“Z”型试件。

4.根据权利要求3所述的获取方法，其特征在于，步骤S1中，所述局部加固为局部钢板建筑结构胶粘贴加固。

5.根据权利要求1或2所述的获取方法，其特征在于，步骤S2中，所述疲劳试验包括：将混凝土试件置于加载装置中，设定加载装置的荷载，荷载采用正弦加载，等幅控制，重复多次加载试验，直至混凝土试件被破坏，破坏时混凝土试件时的加载次数即为该应力水平下的疲劳寿命。

6.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，步骤S3中，对获得的疲劳试验结果拟合时，采用最小二乘法进行拟合，以得到弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线。

7.根据权利要求6所述的获取方法，其特征在于，步骤S3中，拟合获取S_max-N曲线时，引入存活率，获得存活率为90％的弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度S_max-N曲线。

8.根据权利要求6或7所述的获取方法，其特征在于，步骤S3中，在考虑应力幅值S_a和平均应力S_m的影响时，利用等寿命曲线，得到最大压力S_max与应力幅值S_a和平均应力S_m的关系，最终获得弯剪受力状态下混凝土的疲劳强度广义的S_a-S_m-N曲面。

9.根据权利要求8所述的获取方法，其特征在于，步骤S3中，所述等寿命曲线为：

<mrow> <mfrac> <msub> <mi>S</mi> <mi>a</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>S</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>m</mi> </msup> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow>

其中：

S_-1为最小压力S_min比最大压力S_max为-1的混凝土试件的疲劳极限，

σ_b为混凝土试件的拉伸强度极限，

m为混凝土试件的拟合常数，对于脆性材料，可取m＝1。