鋼管混凝土高周抗壓疲勞研究課件

一、疲勞研究的背景及意義1、疲勞的定義A、日內(nèi)瓦的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）1964年的報(bào)告《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中這樣定義疲勞：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞，這個(gè)術(shù)語特指那些導(dǎo)致開裂或破壞的性能變化。這一描述也普遍適用于非金屬材料。B、混凝土疲勞定義為：我們通常把混凝土試塊加荷載使其應(yīng)力值達(dá)到某個(gè)數(shù)值σ，然后卸載至零，并把這一循環(huán)多次重復(fù)下去，如果每次加荷時(shí)最大應(yīng)力都低于混凝土的極限強(qiáng)度，但又超過了某個(gè)限值，則經(jīng)過若干循環(huán)后，混凝土將會(huì)破壞，這種現(xiàn)象叫做混凝土的疲勞C、疲勞就是表達(dá)材料在循環(huán)荷載作用下的損傷和破壞第1頁/共17頁2、疲勞研究的背景疲勞是材料在循環(huán)荷載作用下所發(fā)生的性能劣化，任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)都難以避免疲勞的產(chǎn)生，因此它是材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)最主要的破壞形式之一。自從1829年德國(guó)工程師W.A.j.Albert提出第一個(gè)疲勞問題的研究報(bào)告以來，人們對(duì)疲勞研究持續(xù)了近兩個(gè)世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)并掌握了大量的有關(guān)疲勞的規(guī)律和特性。但對(duì)變幅荷載和復(fù)雜應(yīng)力作用下的疲勞壽命估算，疲勞斷裂機(jī)理等問題的認(rèn)識(shí)還有待深入，材料的疲勞問題也越來越成為設(shè)計(jì)者必須重點(diǎn)考慮的問題。因此，材料的疲勞雖然是一門老科學(xué)，但未知領(lǐng)域依然很多，主要有兩個(gè)方面：一是研究材料的疲勞斷裂規(guī)律，二是尋求提高材料疲勞壽命的有效途徑。第2頁/共17頁3、鋼管混凝土疲勞研究的意義與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有：承載力高，截面小，重量輕，塑形、韌性、延性和耐火性能好，而且澆注時(shí)無需模板和養(yǎng)護(hù)，施工方便，施工周期短，節(jié)省水泥和木材，經(jīng)濟(jì)效益好。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)有：鋼管混凝土柱的鋼管較薄，施工比鋼柱簡(jiǎn)便，耐火性能好，穩(wěn)定性好。在由鋼管和混凝土組合而成的鋼管混凝土，不但可以彌補(bǔ)兩種材料的缺點(diǎn)，而且還能充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，那么對(duì)于這種優(yōu)化組合的結(jié)構(gòu)，它的疲勞性能又會(huì)是怎樣的規(guī)律，壽命有了量的提高還是質(zhì)的飛躍，隨著近些年鋼管混凝土在工程上的廣泛應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞的研究是對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的保障，他可以讓我們更加清楚明晰該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，在實(shí)際中提供可靠的評(píng)估和預(yù)測(cè)，是此次試驗(yàn)的主要目的，也是意義所在。第3頁/共17頁二、鋼管混凝土疲勞的研究現(xiàn)狀對(duì)于混凝土材料疲勞特性的研究始于20世紀(jì)初，由于當(dāng)時(shí)混凝土材料在工程中的大量使用，使得人們對(duì)混凝土在等幅荷載作用下的抗壓、抗彎疲勞性能進(jìn)行了一系列研究。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)的升級(jí)，研究的方向也發(fā)生了變化，從鋼筋混凝土到鋼管混凝土，從等幅抗壓試驗(yàn)到變幅拉壓疲勞，抗剪疲勞等性能的試驗(yàn)研究。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陶忠，楊有福教授進(jìn)行了6—12根方鋼管混凝土構(gòu)件的滯回性能研究，張素梅，劉界鵬教授完成了4根雙向壓彎鋼管混凝土構(gòu)件低周反復(fù)荷載作用的實(shí)驗(yàn)研究，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)王鐵成教授初步建立了鋼管混凝土框架柱的雙參數(shù)損傷模型。第4頁/共17頁在國(guó)外，日本學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的研究比較多，松井千秋教授對(duì)鋼管混凝土的滯回性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Fujinaga進(jìn)行了恒定軸力作用下鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)，Aval在2002年采用纖維模型法計(jì)算了鋼管混凝土壓彎構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的荷載——變形關(guān)系曲線。結(jié)論：國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在對(duì)于鋼管混凝土的疲勞已經(jīng)越來越重視，而鋼管混凝土作為一種優(yōu)化組合而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，它的疲勞更加引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師們的廣泛關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行大量研究。第5頁/共17頁三、鋼管混凝土疲勞試驗(yàn)1、疲勞試驗(yàn)的分類根據(jù)循環(huán)荷載的幅值和頻率，可分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機(jī)疲勞；根據(jù)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)以及疲勞荷載的應(yīng)力水平，疲勞試驗(yàn)可分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。等幅疲勞：又稱常幅疲勞，指疲勞荷載的幅值和頻率都是固定的常數(shù)，不隨時(shí)間的變化而改變。變幅疲勞：指幅值變化，但頻率不變的情形叫做變幅疲勞。隨機(jī)疲勞：指幅值和頻率都隨時(shí)間的變化而變化的情形稱為隨機(jī)疲勞。高周疲勞：指材料所受的最大交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的極限強(qiáng)度，甚至只有極限強(qiáng)度的二分之一左右，破壞前的循環(huán)次數(shù)大于103—104，通常用S—N曲線描述材料高周疲勞特性第6頁/共17頁低周疲勞：指材料所受的應(yīng)力水平較高，通常接近材料的極限強(qiáng)度，斷裂前循環(huán)次數(shù)較少，一般少于103—104，每次循環(huán)中塑性變形較大，低周疲勞是塑性變形積累的結(jié)果，因此又把低周疲勞稱為塑性疲勞。亞臨界疲勞：指疲勞應(yīng)力水平很小時(shí)，疲勞壽命會(huì)很大，一般大于2×106，我們把這種情況稱為亞臨界疲勞。我們的這次試驗(yàn)主要是研究高周疲勞性能第7頁/共17頁2、實(shí)驗(yàn)方案（A）加載Φ140×2.2×500mm鋼管混凝土構(gòu)件（膨脹劑為8%）：（1）混凝土強(qiáng)度為C30；（2）混凝土強(qiáng)度為C40；（3）混凝土強(qiáng)度為C50；（4）混凝土強(qiáng)度為C60；（B）加載Φ219×2.2×500mm鋼管混凝土構(gòu)件（混凝土強(qiáng)度為C50）：（1）混凝土中膨脹劑含量為0%；（2）混凝土中膨脹劑含量為4%；（3）混凝土中膨脹劑含量為8%；（4）混凝土中膨脹劑含量為12%；第8頁/共17頁（C）加載Φ140×2.2×500mm鋼管混凝土構(gòu)件（混凝土強(qiáng)度為C50，MTS機(jī)）：（1）混凝土中膨脹劑含量為0%；（2）混凝土中膨脹劑含量為4%；（3）混凝土中膨脹劑含量為8%；（4）混凝土中膨脹劑含量為12%；第9頁/共17頁試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置圖本實(shí)驗(yàn)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載波形采用無間歇時(shí)間的正弦波。沿軸向?qū)ΨQ布置兩個(gè)電測(cè)位移計(jì)，用以測(cè)量試件的縱向變形。在每個(gè)試件的下部、中部及上部沿環(huán)向和縱向各貼四個(gè)應(yīng)變片，用以測(cè)量各部的應(yīng)變。主要記錄隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋼管混凝土應(yīng)力應(yīng)變的改變，尋找疲勞應(yīng)力的改變規(guī)律和材料疲勞壽命的預(yù)測(cè)公式第10頁/共17頁疲勞加載裝置照片

第11頁/共17頁加工試件照片第12頁/共17頁加載數(shù)值的設(shè)定根據(jù)《GBT50082-2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》：試驗(yàn)荷載的上限值σmax應(yīng)取0.66fc，下限值σmin應(yīng)取0.1fc，抗壓疲勞試驗(yàn)采用的脈沖頻率采用4—8HZ之間。應(yīng)力幅為Δσ=0.66fc-0.1fc。試驗(yàn)用鋼管混凝土短柱的承載能力經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證為fc=748.3KN，因此可得以下參數(shù)：σmin=0.1×748.3=74.83KNσmax=0.66×748.3=493.88KNΔσ=0.66fc-0.1fc=419.9KN試驗(yàn)頻率采用5HZ試驗(yàn)室疲勞機(jī)的量程為0—500KN第13頁/共17頁試驗(yàn)用最大上限值特別接近試驗(yàn)疲勞機(jī)的最大量程，因此調(diào)整Δσ=0.66fc-0.2fc，其余參數(shù)不變?chǔ)う?0.66fc-0.2fc=493.88-149.66=344.22KN試驗(yàn)疲勞機(jī)量程足夠，并可以達(dá)到規(guī)范要求精度第14頁/共17頁四、后續(xù)工作及疑問對(duì)不同長(zhǎng)細(xì)比、徑厚比以及不同外加劑（膨脹劑）的鋼管混凝土進(jìn)行多次對(duì)比疲勞試驗(yàn)，得出等幅、變幅荷載疲勞下的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，研究其S—N曲線用有限元分析及Matlab軟件編程模擬，建立鋼管混凝土的疲勞壽命估計(jì)模型，并對(duì)鋼管混凝土疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)合試驗(yàn)相互印證。對(duì)疲勞斷裂理論進(jìn)行深入研究，從試