结构疲劳试验

1、结构疲劳试验 1.疲劳试验的历史及实例 2.疲劳试验的内容 3.疲劳试验机 4.结构疲劳试验的方法 5.混凝土受弯构件疲劳破坏的标志 6.疲劳试验的观测 7.疲劳试验试件的安装 8.混凝土疲劳性能试验研究现状 1.疲劳试验的历史 1829年德国人阿尔贝特(J.Albert)为解决矿山卷扬 机服役过程中钢索经常发生突然断裂,首先以10次 /分的频率进行疲劳试验。 1852-1869年德国人沃勒(A.Whler)为研究机车车 辆开始以15次/分的频率对车辆部件进行拉伸疲劳 试验,以后又用试样以72次/分的频率在旋转弯曲 疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳试验，他的功绩是 指出一些金属存在疲劳极限，并将疲劳

2、试验结果 绘成应力与循环周次关系的-曲线 ，又称为 Wohler曲线。因此应力-疲劳寿命曲线称为“ S- N曲线”，自从1936 年以后也叫“ Whler 曲 线”。 s s / /MPa s s b s ss N 钢钢 s s r持久极限持久极限 S-N 曲线曲线 - - 应力应力 S（s s 或或 t t）与相应应力循环数）与相应应力循环数 （或寿命）（或寿命） N 的关系曲线的关系曲线 1 实例实例 载荷载荷 F 的大小循环变化的大小循环变化, ,联杆内应力随之变化联杆内应力随之变化 每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化 起落架因飞机起落而

3、起落架因飞机起落而 反复受载反复受载 （载荷不变（载荷不变, 轴转动）轴转动） 2.疲劳试验的内容 研究性疲劳试验一般研究以下内容： 1. 应力随荷载重复次数变化情况； 2. 开裂荷载及开裂情况； 3. 裂缝的宽度、长度、间距及其随荷载重复次数的变化； 4. 最大绕度及其变化； 5. 疲劳极限； 6. 疲劳破坏特征。 鉴定性疲劳试验 疲劳破坏特征 钢拉伸疲劳断裂钢拉伸疲劳断裂 破坏时应力低于破坏时应力低于s sb （抗拉强度）， （抗拉强度），甚至 甚至 s ss（屈服强度） （屈服强度） 即使是塑性材料，也呈现脆性断裂即使是塑性材料，也呈现脆性断裂 断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域断口通常呈

4、现光滑与粗粒状两个区域 断 疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、逐渐 扩展与最后断裂的过程 3.疲劳试验机 疲劳试验机概述 疲劳试验机，是一种主要用于测定金属及 其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或 拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。 疲劳试验机特点是可以实现高负荷、高频 率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试 验费用。 电液伺服疲劳试验机 功能用途： 主要用于捡测各种材料、零部 件、弹性体、橡胶弹性体和减 振器的动、静态力学性能试验。 试验机操作灵活方便,移动横梁 升降、锁紧、试样夹持均由按 钮操作完成,采用先进的液压伺 服驱动技术加载、高精度动态 负荷传感器和高分辨率磁致伸 缩位移传感器测量试

5、件力值和 位移。 电液伺服扭转疲劳试验机 功能用途： 主要用于金属及非金属等 各种材料扭转试验，进行静 态或动态扭转疲劳耐久性试 验，能实现扭矩及扭角的测 量和控制，通过增配相应夹 具，还可进行各种零件的扭 转试验。并可配备高温炉、 低温箱、腐蚀箱等环境箱， 完成材的在不同坏境下的力 学测试。 电液伺服拉扭疲劳试验机 功能用途： 主要用于金属材料及其构件 等零部件的拉、压、扭、多 向复合试验，能在正弦波、 三角波、梯形波、斜波、用 户自定义波形下进行多种试 验，根据试验部件的不同可 以进行以下试验： 1、单纯拉压疲劳试验 2、单纯扭转试验 3、拉（压）扭复合试验 电液伺服腐蚀疲劳试验机 功能用

6、途：电液伺服 腐蚀疲劳试验机专用 于钛合金及其他材料 在恒幅轴向加载和腐 蚀环境条件下的腐蚀 疲劳强度和腐蚀疲劳 寿命测试。 4.结构疲劳试验的方法 1 按试样破断时应力（应变）循环周次高低可 分为：低周疲劳试验、高周疲劳试验。失效循环 周次大于5X 的称为高周疲劳试验，小于5X 的称为低周疲劳试验。 2 按试样的加载方式可分为：拉-压疲劳试验、 弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、复合应力疲劳试 验。弯曲疲劳试验又可分为旋转弯曲疲劳试验、 圆弯曲疲劳试验、平面弯曲疲劳试验；又可分为 三点弯曲、四点弯曲、悬臂弯曲疲劳试验。 3 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、 变频疲劳试验、程序疲劳试验、随机疲

7、劳试验等。 4 10 4 10 5.混凝土受弯构件疲劳破坏的标志 一、正截面疲劳破坏的标志是某一根纵向 受拉钢筋疲劳断裂，或受压区混凝土疲劳 破坏； 二、斜截面疲劳破坏的标志是 1某一根与临界斜裂缝相交的腹筋（箍筋或 弯筋）疲劳断裂， 2混凝土剪压疲劳破坏， 3与临界斜裂缝相交的纵向钢筋疲劳断裂； 。 腹筋配筋率 很高 腹筋配筋率正常或 较低时可能发生 纵向配筋 率较低 三、在锚固区钢筋与混凝土的粘结锚固疲劳破坏； 四、在停机受力情况进行一个循环的静载试验时， 出现下列情况之一： 1）受拉主筋处的最大裂缝宽度达到1.5mm，或挠度达到 跨度的1/50，将此作为钢筋屈服的标志。一般配筋适中的 梁

8、，多数出现这种标志。 2）受压区混凝土破坏。这是一种脆性破坏，此时受拉主 筋处的最大裂缝宽度未达到1.5mm，且挠度小于跨度的 1/50。配筋过多或混凝土强度太低的梁，出现此种标志。 3）受拉主筋拉断。这是另一种更为危险的脆性破坏，它 发生于配筋过少或预应力过高的梁 6.疲劳试验的观测 n1疲劳强度 n科研性试验是以疲劳极限强度和疲劳极限荷载作为最大的 疲劳承载能力。构件达到疲劳破坏时的荷载上限值和应力 最大值分别为疲劳极限荷载和疲劳极限强度。 n为了得到给定疲劳应力比值（值）条件下的疲劳极限强度 和疲劳极限荷载，一般采取的办法是: n根据构件实际承载能力，取定最大应力值 ，作疲劳试验， 求得

9、破坏时荷载作用次数n，从 与n双对数直线关系中 求得控制疲劳次数下的疲劳极限强度，作为标准疲劳极限 强度。它的统计值作为设计验算时疲劳强度取值的基本依 据。 max s max s n2应变测量 n一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依 试验具体要求而定。 n测试方法： n动态应变仪和记录器或静态应变仪等 n3裂缝 n裂缝的开始出现和微裂缝的宽度对构件安全使 用具有重要意义。因此，裂缝测量也很重要。 目前测裂缝的方法是利用光学仪器目测或利用 应变传感器电测。 n4挠度 n接触式测振仪、差动式位移计、电阻应变式位 移传感器或百分表（停机作静载试验时）。 7.疲劳试验试件的安装 具体安装应注意：

10、 严格对中 保持平稳 安全防护 8.混凝土疲劳性能试验研究现状 纵观目前国内外关于混凝土疲劳的试验研究情况,整体上可以划分 为两个方面: 简单应力状态下的疲劳 在简单应力状态下,研究者做了大量关于混凝的轴压、轴拉、弯 拉、拉-压疲劳的试验研究 复杂应力状态下的疲劳 在复杂应力状态下,国内外的研究有少量关于多轴疲劳及考虑周 围约束的拉-压疲劳的资料. 另外,考虑温度、腐蚀等环境的混凝土疲劳试验研究则是极少. 受压疲劳受压疲劳 单轴受压单轴受压 国内外目前关于混凝土单轴受压 疲劳试验一般都在电液伺服万能疲 劳试验机上进行以不同应力水平和 应力比与相应混凝土疲劳寿命的关 系,建立S-N方程,从而得出

11、混凝土的 抗压疲劳强度. Aas-Jakobsen最早提出了最大应力水 平与加载次数的直线形式Wohler方 程 NRSlg)1 (1 max - 如图1所示的典型的三阶段疲劳变形规律, 即在等幅压载作用下变形的加速增长、稳 定增长以及不稳定增长的三个阶段. 其中,N为加载次数;Nf为疲劳命;Smax为 最大加载应力比;为疲劳应变. 从图1中还可以看出在同一循环次数比的 情况下,最大应力水平越高,应变及变形也越 大. 应力比： 指对试件 循环加载时的 最小荷载与最 大载荷之比 双轴受压疲劳双轴受压疲劳 目前对于双轴受压疲劳试验主要考虑两 个受压方向上的加载历程、应力比大小及 加载次数3个方面的

12、影响;少量定侧压下的双 轴疲劳试验,则主要考虑侧压力大小对混凝 土疲劳性能的影响,由于双轴疲劳试验机的 限制,试件一般采用立方体. 三轴受压疲劳三轴受压疲劳 对于混凝土的三轴受压疲劳试验国内外研究资 料则较少。 曹伟等就定侧压混凝土的三轴受压等幅疲劳问 题做过试验,试验得出定侧压混凝土的三轴疲劳破 坏是以混凝土侧压的急剧增大拐点为标志,并且以 该点所对应的纵向应力作为混凝土在不同侧压工 况下的极限强度;通过对变形性能的分析可以看出, 三轴压载作用下混凝土纵向最大和最小应变的发 展规律,应力-应变曲线均表现出类似单轴。 受弯疲劳 抗弯疲劳在有的文献中又称抗折疲劳,所研 究的对象一般为混凝土或者预

13、应力混凝土 梁板,抗弯疲劳问题因其在公路桥梁交通领 域中大量出现,使得相应的试验研究资料较 多 素混凝土的弯曲疲劳素混凝土的弯曲疲劳 目前,国内外对于素混凝土的受弯疲劳性 能的试验研究,以小跨径的梁和板为研究对 象,通过龄期、加载频率、应力水平的不同 来分析混凝土受弯疲劳寿命和疲劳强度.抗 弯试验一般采用三分点加载或跨中加载的 方式. 钢筋混凝土梁的弯曲疲劳钢筋混凝土梁的弯曲疲劳 对于配有高强钢筋的高强混凝土梁在等幅弯载下 的抗弯疲劳性能试验研究也比较多。 试验重点大都放在了等幅疲劳荷载作用下钢筋混 凝土梁的裂缝宽度、挠度以及疲劳刚度的变化规律上. 钟铭等通过对几组钢筋混凝土梁受弯疲劳过程中裂

14、缝和 挠度的观测,得出高强混凝土梁随着疲劳荷载循环次数 的增加。 此外,还总结出疲劳荷载作用N次后构件的裂缝宽 度可根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数来 计算.然而,目前的资料对于变幅疲劳荷载作用下混凝土 结构的疲劳性能研究较少,而实际结构则主要承受变幅 荷载的作用. 受拉疲劳受拉疲劳 由于大部分的混凝土结构在使用过程中受拉 区的混凝土已经开裂,因此结构设计中总是忽略混 凝土材料的抗拉强度,而由钢筋承受结构的拉应力, 又加之试验得出的抗拉强度离散性很大,所以目前 国内外对于混凝土抗拉疲劳的试验资料较少. 单轴受拉疲劳单轴受拉疲劳 Cornelissen等完成的混凝土轴拉疲劳试验 是 很

15、 具 有 说 服 力 的 资 料 , 他 们 采 用 120300圆柱体试件,进行了250个等幅 疲劳试验,得到混凝土轴拉疲劳方程为 lgN=14.18-14.52ftmax/ft+2179ftmin/ft 同时他们还得出混凝土静载强度的离散性 导致疲劳寿命离散性的主要原因. 多轴受拉疲劳多轴受拉疲劳 关于混凝土的多轴受拉疲劳性能,大连 理工大学的赵东拂和杨健辉进行了变截 面混凝土棱柱体试件在一向定侧压约束 和两向定侧压约束下的双轴和三轴受拉 等幅和变幅疲劳试验研究.根据结果得到 定侧压下双轴和三轴疲劳S-N曲线方程分 别为 拉-压疲劳 由于拉-压疲劳试验对试 验设备的要求较高实现 疲劳加载所

16、需的夹具制 造难度大,试验过程控制 复杂,试验周期长,并需要 有雄厚的人力、物力和 财力支持.所以,到目前为 止,关于混凝土在波动拉- 压疲劳方面的研究资料 极少. 总结 从受压、受拉、受弯及拉-压疲劳的试验可以看出, 混凝土单轴受压、受拉以及拉-压疲劳的试验研究 较多,多轴受压、受拉疲劳较少; 试验试件中以混凝土梁或立方体试件较多,板作为 试验试件则很少. 由于试验受到试验设备、试验条件、环境等因素 的影响,试验结果表现出多样性,具体试验结果的可 行性、重要性还要通过以后进一步的试验研究得 以确定. 橡胶试片疲劳试验 橡胶试片是橡胶材料研究中最为常见的测试对 象，因其制造工艺简单、试验周期较

17、短及疲劳测 试时占用资源较少等性能，经常在拉伸、拉伸率、 蠕变及疲劳等材料属性测试中使用。 本次橡胶材料单轴拉伸疲劳属性试验的主要 目的在于探讨固定载荷比R 下，其疲劳试验方案、 试验原理，测试其加载过程中的应变、盈利率及 应变能密度所呈现的变化值。 试验对象 本次试验设计了如图4- 2的橡胶试片做为测试对象。 该试片两端为夹持段，中 间段为疲劳观测区域。本 次 试 验 共 硫 化 了 2 0 0 张 2mm厚的试片，用于裁剪 哑铃型试片，可获哑铃型 橡胶试片约800条。 测试设备 此次试验选用 Demattia 公司生产的 EKT-2102DFT型 Flexing Fatigue Tester（柔性疲劳 测试系统）。该设备如图 4-3 所示，可进行高、低 温疲劳性能测试。 本次试验使用设备工 具如表 4-1 所示、其性能 指标如表