CN116952760A - 循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，包括如下步骤：依据双开洞梁的设计方案制作形成第一试件至第四试件；设定加载方案，包括静力加载、疲劳加载以及破坏加载三个阶段；对所述双开洞梁的洞口处进行受力分析，并建立洞口处的承载力计算公式，根据采集的试验数据分析对应的试件在试验过程中的混凝土抗拉强度变化以及钢筋应变变化；对所建立的承载力计算公式进行修正，得到疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式。本发明根据采集的试验数据分析得到混凝土疲劳后强度退化规律，然后通过试验数据得到的系数对承载力公式进行修正得到疲劳后双开洞梁的剩余抗剪承载力，能够为后续对开洞梁的研究与实际工程应用提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土结构性能试验技术领域，特指一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法。
背景技术
随着建筑要求的不断提高，建筑在满足结构安全的前提下，追求更大的结构空间使用面积，在混凝土框架梁中开设大尺寸孔洞，全专业管线穿越开洞梁，减少管道设备对建筑空间的占用，增大使用空间，解决层高压抑、管线杂乱等通病。
梁上开洞不可避免地对结构本身带来负面的影响：一方面，孔洞的存在使得梁截面不再保持连续，截面刚度发生变化，出现明显的应力集中现象，导致构件提前破坏。另一方面，因为梁截面受到不同程度的削弱，降低了大开孔框架梁的延性和耗能能力，在整体结构体系中，不利于发挥整体协同抗震作用。
在混凝土结构破坏实例中，耐久性加剧损伤主要是由于车辆来往循环荷载造成裂缝开展所致。循环荷载是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程。众所周知，大部分的工程结构要经受循环荷载的作用，循环荷载作用下的疲劳破坏已成为结构构件及材料破坏的主要形式之一。要保证双开洞梁结构具有足够的抗疲劳强度，降低循环荷载破坏造成的损失，而国内关于循环荷载下双开洞梁的研究尚不成熟，未见双开洞钢筋混凝土梁疲劳性能试验。因此，针对这一技术空白亟需提供一种新的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，解决现有的混凝土结构试验中未见双开洞梁疲劳性能预测试验的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，包括如下步骤：
制作试件，依据双开洞梁的设计方案制作形成第一试件至第四试件，其中第一试件至第三试件上的洞口的外轮廓呈圆角矩形，第四试件上的洞口的外轮廓呈直角矩形，在制作试件时，于洞口处的钢筋上设置应变片；
设定加载方案，所述设定的加载方案包括静力加载、疲劳加载以及破坏加载三个阶段，依据设定的加载方案对第一试件至第四试件进行加载，并采集第一试件至第四试件在加载过程中的试验数据；
对所述双开洞梁的洞口处进行受力分析，并建立洞口处的承载力计算公式，
V＝Vc+Vt，
上式中，V表示双开洞梁在洞口处的受剪承载力，Vc表示双开洞梁在洞口处的上梁的受压承载力，Vt表示双开洞梁在洞口处的下梁的受拉承载力，λc、λt分别表示洞口处的上梁和下料的剪跨比，fc表示洞口处上梁的轴心抗压强度，ft表示洞口处下梁的轴心抗拉强度，b表示双开洞梁截面宽度，h0表示双开洞梁截面有效高度，Asv表示梁箍筋的截面面积，fsv表示洞口处梁箍筋的屈服强度，s表示梁箍筋的间距，N表示洞口处上梁和下梁所承受的内力；
根据采集的试验数据分析对应的试件在试验过程中的混凝土抗拉强度变化以及钢筋应变变化；
基于混凝土抗拉强度变化及钢筋应变变化设定下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数，利用设定的下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数与混凝土强度损伤系数对所建立的承载力计算公式进行修正，得到疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式，
V′＝Vc′+ηtVt′，
上式中，V′表示双开洞梁洞口处疲劳后剩余抗剪力，Vc′表示双开洞梁在洞口处的上梁疲劳后的受压承载力，Vt′表示双开洞梁在洞口处的下梁疲劳后的受拉承载力，ηt表示下梁抗剪折减系数，ηc表示上梁箍筋折减系数。
本发明的试验方法对试件的加载分三个阶段，静力加载、疲劳加载以及破坏加载，并采集了各构件加载全过程的试验数据，根据采集的试验数据分析得到混凝土疲劳后强度退化规律，然后通过试验数据得到的系数对承载力公式进行修正得到疲劳后双开洞梁的剩余抗剪承载力，能够为后续对开洞梁的研究与实际工程应用提供参考。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，在设定加载方案时，根据静力加载阶段得到的峰值荷载确定疲劳加载阶段中应力上限值和应力下限值，并对所述第一试件至所述第三试件设定不同的加载次数上限值。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，还包括：针对疲劳加载阶段设定预设次数，在疲劳加载阶段达到预设次数时，停止疲劳加载，进行一次静力加载试验，然后再继续进行疲劳加载。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，在疲劳加载阶段，获取循环荷载加载至对应次数时所对应的双开洞梁的挠度；
基于所获取的加载次数与双开洞梁的挠度分析得到荷载挠度曲线。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，在疲劳加载阶段，获取钢筋上设置的应变片的应变数据；
基于所获取的应变数据分析得到在疲劳荷载作用下的钢筋应力应变曲线。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，所采集的试验数据包括第一试件至第四试件在加载过程中产生的裂缝情况；
基于所采集的裂缝情况分析得到疲劳次数与裂缝宽度的对应关系曲线。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，获取第一试件至第四试件在加载全过程的荷载挠度曲线，分析得到极限荷载与挠度对应关系曲线。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，根据采集的试验数据获取荷载跨中挠度曲线；
对各试件的荷载跨中挠度曲线进行线性拟合得到拟合曲线；
获取所得到的拟合曲线的斜率，记为对应的疲劳加载后的初始刚度；
对所述初始刚度进行归一化处理。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，获取各试件的位移数据；
基于获取的位移数据计算各试件在疲劳加载阶段结束后对应的位移延性系数。
本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法的进一步改进在于，获取各试件的位移数据；
基于所获取的位移数据分析得到荷载位移曲线；
利用荷载位移曲线计算得到各试件的耗能系数。
附图说明
图1为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁的结构示意图。
图2为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁的配筋图。
图3为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁在非洞口位置处的配筋截面图。
图4为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁在洞口位置处的配筋截面图。
图5为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁在洞口位置处的钢筋上布置应变片的结构示意图。
图6为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁洞口处内力分析图。
图7为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中试件在循环荷载下疲劳剩余强度包络曲线的示意图。
图8为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中各构件的裂缝宽度与施加荷载的关系曲线。
图9为本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中各构件的裂缝宽度与疲劳次数的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，目的在于填补传统研究空白，揭示双开洞梁的破坏形态，分析其破坏机理及影响力学性能的重要因素，提出双开洞梁在循环荷载作用后剩余承载力退化规律及计算公式，对开洞梁的工程应用推广有着重要意义。下面结合附图对本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法中双开洞梁的结构示意图。下面结合图1，对本发明循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法进行说明。
如图1所示，本发明的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法包括如下步骤：
制作试件，依据双开洞梁的设计方案制作形成第一试件至第四试件，双开洞梁21呈长条状，在中部开设有两个洞口211，洞口211呈长方形状，洞口211上部的梁结构为上梁212，洞口211下部的梁结构为下梁213。制作的四个试件中的第一试件至第三试件上的洞口的外轮廓呈圆角矩形，第四试件上的洞口的外轮廓呈直角矩形，在制作试件时，于洞口处的钢筋上设置应变片；通过圆角矩形和直角矩形形成对比例，以此对比分析查看洞口形状对双开洞梁的性能影响。
具体地，本发明的双开洞梁21全长4.85m，高为490mm，梁宽210mm，洞口211的尺寸为宽700mm，高140mm，洞口间距490mm，双开洞梁21采用C40混凝土浇筑形状，箍筋和纵筋均采用HRB400精轧螺纹钢筋，保护层厚度20mm。结合图2至图4所示，双开洞梁21的顶部和底部各设有4根纵筋217，沿着纵筋217设有多道箍筋216，箍筋216将顶部和底部的纵筋217连接在一起；在洞口211位置处，洞孔211的顶部和底部处加设洞口纵筋215，洞口纵筋215与对应的顶部和底部的纵筋217通过加强箍筋218连接在一起，在洞口211的两侧设有斜向筋214，斜向筋214交叉设于洞口211的侧部，并且端部有部分沿着水平方向延伸设置。结合图5所示，在各个试件上设置应变计时，将应变计设于洞口周围的钢筋上，本发明在第一试件至第四试件上设置15个应变计，用于检测钢筋的应变力，15个应变计分别是AI3-01至AI3-15，应变计AI3-01设于洞口211外侧的一个箍筋216上，AI3-02至AI3-04、AI3-11至AI3-13分别设于洞口211两侧部的斜向筋以及箍筋上，AI3-05至AI3-10设于洞口顶部和底部处的纵筋、洞口纵筋以及加强箍筋上，AI3-14和AI3-15设于两个洞口之间的纵筋上。由于双开洞梁的两个洞口沿着中心对称设置，故只在一侧设置应变计进行检测，另一侧的性能变化情况与该侧的性能变化情况相近似。
设定加载方案，设定的加载方案包括静力加载、疲劳加载以及破坏加载三个阶段，依据设定的加载方案对第一试件至第四试件进行加载，并采集第一试件至第四试件在加载过程中的试验数据；其中静力加载阶段，采用三分点集中力分级加载，三分点集中力是通过MTS电液伺服作动器顶施加到分配梁再作用到试件上，试验加载按照混凝土结构试验方法标准进行，根据所选定疲劳荷载上限值，分级加载至疲劳上限，每级维持5分钟后，观测并记录下产生裂缝的荷载及各裂缝的位置、宽度和高度，并用马克笔在试件上标注。疲劳加载阶段采用三分点集中力加载，采用等幅正弦波形式对双开洞梁施加荷载，根据疲劳荷载上限值，加载频率为5Hz。在达到预设的1万、5万、8万、13万、25万次疲劳作用次数时，停止疲劳加载，并进行一次静力加载试验，完成后再继续进行疲劳加载试验，最终达到预定的疲劳次数后停止。破坏加载阶段，当完成8万、13万、25万、41万次预定的疲劳加载次数上限后，检查试验梁是否发生破坏，若仍可以正常工作，则对开洞梁试件进行静载破坏试验，在达到疲劳上限前采用力控，荷载分级与静力加载阶段相同，达到疲劳荷载上限后，采用位移控形式，加载直到试验梁荷载下降至峰值荷载的85％或试验梁发生严重变形，停止试验。
确定加载装置，疲劳试验采用MTS电液伺服结构疲劳试验机，混凝土应变、钢筋应变及试件挠度等数据的采集使用动静态电阻应变采集系统；裂缝宽度的测量使用高精度裂缝测宽仪，测量精度为0.02mm，测量最大裂缝宽度为20mm。试验装置由支座、分配梁、加载控制系统和MTS作动器四部分组成。液压控制为作动器的主要控制系统，实时记录作动器加载过程的上、下限荷载，并由电脑自动记录试验疲劳次数。MTS作动器最大可实现最大静载和动载500kN。荷载通过MTS作动器施加，由分配梁将集中力分配到两边洞口内侧，同时在分配梁上焊接侧向护板，防止疲劳过程中分配梁移位。
对双开洞梁的洞口处进行受力分析，并建立洞口处的承载力计算公式，
V＝Vc+Vt，
当N>0.3fcbhc时，取N＝0.3fcbhc。
上式中，V表示双开洞梁在洞口处的受剪承载力，Vc表示双开洞梁在洞口处的上梁的受压承载力，Vt表示双开洞梁在洞口处的下梁的受拉承载力，λc、λt分别表示洞口处的上梁和下料的剪跨比，ft表示洞口处下梁的轴心抗拉强度，b表示双开洞梁截面宽度，h0表示双开洞梁截面有效高度，Asv表示梁箍筋的截面面积，fsv表示洞口处梁箍筋的屈服强度，s表示梁箍筋的间距，N表示洞口处上梁和下梁所承受的内力；
如图6所示，对双开洞梁洞口处进行受力分析，由于洞口处的上梁和下料为超静定结构，难以计算杆件内力，因此假定洞口上下料的反弯点位于梁中点处，便于简化计算。有平衡关系可知：
V＝Vc+Vt
N＝Nc＝Nt＝M/[h-0.5(ht+hc)]
上式中，M为洞口中心点的弯矩，V为洞口中心点的剪力，Vc为洞口处上梁所承受的剪力，Vt为洞口处下梁所承受的剪力，h为梁截面高度，hc为洞口处上梁的截面高度，ht为洞口处下梁的截面高度，Mc为洞口处上梁的弯矩，Mt为洞口处下梁的弯矩，w为洞口的长度，N为洞口处上梁和下料所承受的内力。
由上述内力分析可知，双开洞梁洞口处抗剪承载力等于上下梁剪力之和，洞口上梁为压弯杆件，洞口下料为拉弯杆件，分布对两者的剪力求解即可得到双开洞梁的抗剪承载力，也即得到了洞口处的承载力计算公式。
根据采集的试验数据分析对应的试件在试验过程中的混凝土抗拉强度变化以及钢筋应变变化；
基于混凝土抗拉强度变化及钢筋应变变化设定下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数；
从混凝土抗拉强度变化中获取试件的疲劳荷载作用后的剩余抗拉强度；
利用所获取的剩余抗拉强度与设定的下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数对所建立的承载力计算公式进行修正，得到疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式，
V′＝Vc′+ηtVt′，
上式中，V′表示双开洞梁洞口处疲劳后剩余抗剪力，Vc′表示双开洞梁在洞口处的上梁疲劳后的受压承载力，Vt′表示双开洞梁在洞口处的下梁疲劳后的受拉承载力，ηt表示下梁抗剪折减系数，ηc表示上梁箍筋折减系数。
通过对混凝土抗拉强度变化以及钢筋应变变化进行分析，发现洞口上梁处的箍筋屈服应变在破坏时仅达到屈服强度的30％至60％，并未完全发挥作用，在计算疲劳后承载力时需要进行折减，通过加入上梁箍筋折减系数对承载力公式进行修正。较佳地，上梁箍筋折减系数取ηc＝0.4。本发明的试件在破坏加载阶段均是洞口上梁剪切破坏，下梁截面受剪性能并未完全发挥作用，故需对下梁的承载力贡献进行折减，通过加入下梁抗剪折减系数对承载力公式进行修正，较佳地，下梁抗剪折减系数取ηt＝0.75。
根据采集的试验数据分析计算获得混凝土受压条件下的包络曲线，利用包络曲线描述混凝土抗压承载力在疲劳作用下的退化规律。由我国混凝土规范中提供的混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段方程为：
式(1-1)中，σ为混凝土单轴循环荷载下的应力值，ε为混凝土单轴循环荷载下的应变值。
根据式(1-1)的求解形式，引入图7中的相关参数，假设疲劳荷载作用下混凝土抗压强度包络曲线方程大致如下：
通过分析x(N)的定义及其取值范围可以发现：
x|N＝1＝x(1)＝1,σr,c(1)＝fc；即仅1次加载时剩余应力为混凝土轴心抗压强度；
当疲劳荷载作用次数N达到疲劳寿命时，剩余应力对应混凝疲劳上限应力。
定义x(N)为与疲劳荷载作用次数有关的函数：
将边界条件代入式(1-2)求得，受压时x(Nf)为：
式(1-4)中，fc为混凝土初始抗压强度；σmax为疲劳上限时混凝土的应力；αc受压应力应变曲线下降段参数，取1.94。
综上，则混凝土在经历N次疲劳荷载作用后的剩余抗压强度可通过如下公式计算：
式(1-5)中，fc(N)为混凝土经历N次疲劳荷载作用后的受压剩余强度，αc为混凝土单轴受压下降段参数，可按照规范取值。
混凝土受拉性能对结构承载力评估影响有限，故可对混凝土受拉疲劳模型进一步简化，针对混凝土材料单轴抗拉强度随疲劳次数退化展开相关试验，得到混凝土抗拉强度疲劳后计算公式：
式(1-6)中，ft,N为混凝土经历N次疲劳荷载作用后的剩余抗拉强度；ft为混凝土未开展疲劳加载前的初始抗拉强度。
将式(1-6)，上梁箍筋折减系数ηc，下梁抗剪折减系数ηt，代入到建立的洞口处的承载力计算公式中，可得到疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式。
利用疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式对上述试件的受剪承载力进行计算并与试验得到试验值进行对比，对比结果如下表1所示：
表1各试件受剪承载力的计算值与试验值比对表。
由表1可以看出试验值比计算值稍大，计算结果与试验结果吻合。
在本发明的一种具体实施方式中，在设定加载方案时，根据静力加载阶段得到的峰值荷载确定疲劳加载阶段中应力上限值和应力下限值，并对第一试件至第三试件设定不同的加载次数上限值。
各试件的参数如下表2所示：
| 试件名 | 应力下限 | 应力上限 | 洞口形式 | 加载次数/万次 |
| 第一试件 | 0.1Pu | 0.5Pu | 倒角 | 8 |
| 第二试件 | 0.1Pu | 0.5Pu | 倒角 | 25 |
| 第三试件 | 0.1Pu | 0.5Pu | 倒角 | 41 |
| 第四试件 | 0.1Pu | 0.5Pu | 直角 | 25 |
表2各试件参数表。
极限荷载Pu取值为350kN。
进一步地，针对疲劳加载阶段设定预设次数，在疲劳加载阶段达到预设次数时，停止疲劳加载，进行一次静力加载试验，然后再继续进行疲劳加载。
具体地，在达到预设的1万、5万、8万、13万、25万次疲劳作用次数时，停止疲劳加载，并进行一次静力加载试验，完成后再继续进行疲劳加载试验，最终达到预定的疲劳次数后停止。
在本发明的一种具体实施方式中，在疲劳加载阶段，获取循环荷载加载至对应次数时所对应的双开洞梁的挠度；
基于所获取的加载次数与双开洞梁的挠度分析得到荷载挠度曲线。
利用双开洞梁的荷载挠度曲线分析疲劳振动对构件挠度的影响。
具体地，根疲劳试验过程中，疲劳荷载循环至1万、5万、8万、13万、25万、41万次后停止，获取了不同次数疲劳加载后开洞梁荷载-挠度曲线，分析疲劳振动对构件挠度影响。
在本发明的一种具体实施方式中，在疲劳加载阶段，获取钢筋上设置的应变片的应变数据；
基于所获取的应变数据分析得到在疲劳荷载作用下的钢筋应力应变曲线。
针对在疲劳加载中途停机静载过程中获取的钢筋应变数据，分析疲劳荷载作用次数对试件受力性能影响。
在本发明的一种具体实施方式中，所采集的试验数据包括第一试件至第四试件在加载过程中产生的裂缝情况；
基于所采集的裂缝情况分析得到疲劳次数与裂缝宽度的对应关系曲线。
通过对静载试验过程不同分级下开洞梁两侧面裂缝统计，裂缝的数量随着开洞梁所受荷载的增加而增加，但裂缝的增加速率呈现出先快后慢的变化规律，在140kN时裂缝基本出全，裂缝数目基本保持稳定。
通过对静载试验过程不同分级下侧面裂缝统计，各试件A、B面裂缝数目随疲劳次数变化曲线所示，随着疲劳次数增加，裂缝数目变化不大，表明裂缝数目与疲劳次数关系不大，裂缝在静载阶段就几乎全部产生。
如图8和图9所示，图中的FBC-1为第一试件，FBC-5为第二试件，FBC-6为第三试件，FBR-1为第四试件，梁体开裂后，裂缝最大宽度随荷载整体呈线性变化，随荷载增大而增大，但由于混凝土的不均匀性，在相同荷载下，有的裂缝宽度相对较大。由图可见，随疲劳次数增加，梁最大裂缝宽度不断增大，疲劳加载前期，裂缝增大幅度更大，进入疲劳中期，裂缝宽度增长速度相对疲劳初期减慢很多，呈现出稳定增长趋势。
在本发明的一种具体实施方式中，获取第一试件至第四试件在加载全过程的荷载挠度曲线，分析得到极限荷载与挠度对应关系曲线。
通过对双开洞梁达到预设的疲劳加载次数万次后，对其进行极限强度的试验，即将试件加载至破坏。获取其加载全过程的荷载挠度曲线，分析疲劳振动对其极限承载力的影响。
在本发明的一种具体实施方式中，根据采集的试验数据获取荷载跨中挠度曲线；
对各试件的荷载跨中挠度曲线进行线性拟合得到拟合曲线；
获取所得到的拟合曲线的斜率，记为对应的疲劳加载后的初始刚度；
对初始刚度进行归一化处理。
根据试验获取的荷载跨中挠度曲线，使用origin软件对进行各试件曲线进行线性拟合，计算得到各试件在不同疲劳加载后的初始刚度，可在一定程度上反映试验梁疲劳加载后后截面刚度的变化规律，同时采用拟合曲线的斜率来反映梁截面的刚度，再对获取的刚度进一步归一化处理，减小了试验过程中某一数据测量误差给试验分析结果的影响。
在本发明的一种具体实施方式中，获取各试件的位移数据；
基于获取的位移数据计算各试件在疲劳加载阶段结束后对应的位移延性系数。
第一试件至第四试件的延性系数分别是2.42、1.88、1.79、1.80。对比各试件数据可以看出，疲劳加载对试件的延性性能影响较大，第二试件疲劳加载了25万次后，相比于疲劳加载8万次的第一试件延性下降了23％，而加载了41万次的第三试件与第二试件相比，试件延性系数仅下降了5％。从结果上看，延性性能的降低集中于疲劳加载前期，而进入疲劳稳定期后，试件延性系数变化不大。对比第二试件与第四试件数据可以看出，洞口形式对开洞梁试件延性系数影响不显著。
在本发明的一种具体实施方式中，获取各试件的位移数据；
基于所获取的位移数据分析得到荷载位移曲线；
利用荷载位移曲线计算得到各试件的耗能系数。
疲劳作用对开洞梁静载耗能系数影响显著，开洞混凝土梁在受疲劳荷载作用后，静载耗能系数显著下降，这是由于疲劳过程中疲劳损伤的不断累计。静载耗能系数变化规律明显，疲劳加载5万次的第一试件相比加载25万次试件第二试件，耗能系数下降了19.3％，但第二试件与第三试件在承受41万次加载后耗能系数变化不大，说明疲劳损伤累计集中于疲劳前期阶段，进入疲劳稳定期后，试件耗能系数变化不大。在承受相同次数疲劳荷载下，倒角洞口试件静载耗能系数比直角洞口试件高了5％，这说明对于开洞梁疲劳性能来说，倒角洞口设计优于直角洞口。
针对试验获取的荷载-跨中挠度曲线、钢筋应变、试件裂缝发展、开洞梁疲劳后剩余承载力展开研究，分析了疲劳加载对其带来的影响：
(1)开洞梁疲劳加载主要分成三个阶段，疲劳加载前期(0-5万之间)，在此期间，开洞梁疲劳损伤发展迅速，试件残余挠度、裂缝开展及初始刚度等各性能指标下降速度快。疲劳加载中期(0-41万之间)，开洞梁整体进入稳定阶段，疲劳损伤速度减慢，试件内部疲劳损伤仍在不断累积。疲劳破坏后期，在此阶段，由于疲劳损伤累计接近试件承受极限，试件会发生迅速破坏。
(2)通过对比不同疲劳次数下，试件挠度、钢筋应变、裂缝开展、剩余承载力变化规律，经历的疲劳次数越多，试件剩余承载力越低，试件残余挠度更高，同时试件延性更差。同条件下，倒角洞口开洞梁承载力退化程度比直角洞口梁更低，说明倒角洞口可以减少开洞梁在疲劳过程中的损伤累积，具有更优异性能。
钢筋混凝土开洞梁结构疲劳后承载力的下降主要是由于混凝土材料退化引起的，因此可以对混凝土材料疲劳后强度退化规律来对开洞梁展开分析。基于试验获取的数据，通过热力学原理及混凝土材料疲劳退化方面进一步分析开洞梁性能退化规律。主要开展了以下工作：
首先基于热力学原理，从材料的耗散不等式出发，得到了梁结构的状态势能在数值上等于其应变能的结果，因此开洞梁在疲劳加载过程中的损伤可以通过其能量耗散变化来衡量。采用MATLAB软件计算了开洞梁疲劳过程的耗散能密度，发现其变化有着明显规律，疲劳前期耗散能密度最大并快速衰减，进入疲劳稳定阶段后，耗散能密度保持在一个数值小范围内波动。
基于混凝土疲劳后剩余抗拉强度退化模型，结合静载下开洞梁抗剪承载力计算公式，建立了基于材料退化的疲劳后开洞梁抗剪承载力计算公式，并与试验值进行对比验证。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
制作试件，依据双开洞梁的设计方案制作形成第一试件至第四试件，其中第一试件至第三试件上的洞口的外轮廓呈圆角矩形，第四试件上的洞口的外轮廓呈直角矩形，在制作试件时，于洞口处的钢筋上设置应变片；
设定加载方案，所述设定的加载方案包括静力加载、疲劳加载以及破坏加载三个阶段，依据设定的加载方案对第一试件至第四试件进行加载，并采集第一试件至第四试件在加载过程中的试验数据；
对所述双开洞梁的洞口处进行受力分析，并建立洞口处的承载力计算公式，
V＝Vc+Vt，
上式中，V表示双开洞梁在洞口处的受剪承载力，Vc表示双开洞梁在洞口处的上梁的受压承载力，Vt表示双开洞梁在洞口处的下梁的受拉承载力，λc、λt分别表示洞口处的上梁和下料的剪跨比，ft表示洞口处下梁的轴心抗拉强度，b表示双开洞梁截面宽度，h0表示双开洞梁截面有效高度，Asv表示梁箍筋的截面面积，fsv表示洞口处梁箍筋的屈服强度，s表示梁箍筋的间距，N表示洞口处上梁和下梁所承受的内力；
根据采集的试验数据分析对应的试件在试验过程中的混凝土抗拉强度变化以及钢筋应变变化；
基于混凝土抗拉强度变化及钢筋应变变化设定下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数；
从混凝土抗拉强度变化中获取试件的疲劳荷载作用后的剩余抗拉强度；
利用所获取的剩余抗拉强度与设定的下梁抗剪折减系数及上梁箍筋折减系数对所建立的承载力计算公式进行修正，得到疲劳后双开洞梁剩余抗剪承载力计算公式，
V′＝Vc′+ηtVt′，
上式中，V′表示双开洞梁洞口处疲劳后剩余抗剪力，Vc′表示双开洞梁在洞口处的上梁疲劳后的受压承载力，Vt′表示双开洞梁在洞口处的下梁疲劳后的受拉承载力，ηt表示下梁抗剪折减系数，ηc表示上梁箍筋折减系数。
2.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，在设定加载方案时，根据静力加载阶段得到的峰值荷载确定疲劳加载阶段中应力上限值和应力下限值，并对所述第一试件至所述第三试件设定不同的加载次数上限值。
3.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，还包括：针对疲劳加载阶段设定预设次数，在疲劳加载阶段达到预设次数时，停止疲劳加载，进行一次静力加载试验，然后再继续进行疲劳加载。
4.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，在疲劳加载阶段，获取循环荷载加载至对应次数时所对应的双开洞梁的挠度；
基于所获取的加载次数与双开洞梁的挠度分析得到荷载挠度曲线。
5.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，在疲劳加载阶段，获取钢筋上设置的应变片的应变数据；
基于所获取的应变数据分析得到在疲劳荷载作用下的钢筋应力应变曲线。
6.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，所采集的试验数据包括第一试件至第四试件在加载过程中产生的裂缝情况；
基于所采集的裂缝情况分析得到疲劳次数与裂缝宽度的对应关系曲线。
7.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，获取第一试件至第四试件在加载全过程的荷载挠度曲线，分析得到极限荷载与挠度对应关系曲线。
8.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，根据采集的试验数据获取荷载跨中挠度曲线；
对各试件的荷载跨中挠度曲线进行线性拟合得到拟合曲线；
获取所得到的拟合曲线的斜率，记为对应的疲劳加载后的初始刚度；
对所述初始刚度进行归一化处理。
9.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，获取各试件的位移数据；
基于获取的位移数据计算各试件在疲劳加载阶段结束后对应的位移延性系数。
10.如权利要求1所述的循环荷载下双开洞梁疲劳性能试验方法，其特征在于，获取各试件的位移数据；
基于所获取的位移数据分析得到荷载位移曲线；
利用荷载位移曲线计算得到各试件的耗能系数。
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