《混合配筋部分预应力混凝土梁疲劳性能研究摘录》

1、与混凝土结构静力性能研究相比，疲劳性能的研究不仅试验难度大、时间长、成本高、耗费人力多，而且机理复杂，因此尚有很多问题需投入资金开展研究。结合上述分析，其中主要的问题可以归纳为以下四个方面:(1)荷载方面:应加强吊车梁、公路桥梁等疲劳荷载谱及变幅等效荷载折算的研究;(2)材料方面:应加强钢筋在空气中与在构件中疲劳性能差异的研究和弯曲及转折对疲劳性能影响的研究;(3)疲劳试验方面:应逐步开展实际服役荷载谱作用下的结构构件的疲劳试验研究;疲劳试验中应采用更先进的测试手段，如光纤传感器等，提高疲劳过程中的测试精度。(4)计算理论方面:对于开裂后的混合配筋部分预应力混凝土构件，应进一步开展考虑不同种类

2、钢筋粘结性能差异的钢筋疲劳应力验算方法的研究;现有的计算方法中几乎没有考虑在构件疲劳损伤过程中钢筋与混凝土之间由于损伤机制的不同而产生的相互作用等和由此造成的截面应力的重分布。班LEM36.RDL委员会在文献1中也建议开展此方面的研究。基于有限元的构件疲劳损伤非线性分析也是今后应继续研究的方向。结论1(1)预应力混凝土试验梁的疲劳破坏一般均始于普通钢筋的疲劳断裂。对于纵筋配筋率较低的部分预应力混凝土构件来说，当承受的疲劳荷载较大时，可能会出现整根试件的突然脆性断裂。因此，为了保证试件在疲劳破坏前有一个明显的预兆，应该采用较高的纵筋配筋率。疲劳荷载作用下的最小配筋率理论上应该比静载作用下的最小配

3、筋率更高一些，这有待于今后进一步地系统研究。(2)对于允许开裂的混合配筋部分预应力混凝土构件来说，并不是预应力钢筋所占比例越高其疲劳性能相应地也越好，设置适量的非预应力钢筋对于提高构件的疲劳性能来说是十分重要的。理论上存在着一个最优的预应力比率(即R)使得开裂后的混合配筋部分预应力混凝土构件的疲劳性能最优，这还有待于进一步的系统研究，该结论与文献87所得结论基本一致。(3)经疲劳荷载作用后未发生疲劳破坏的梁的剩余静载承载力并不受疲劳荷载加载历程的影响。混凝土“变形唯一性”假设是由Sinha等(1964)【33首先提出。认为:不管以前承受的重复荷载的历程如何，只要残余变形相同，则在此基础上再施加

4、相同的重复荷载，其荷载和变形的关系将不变，而与以前的荷载变形历程无关。该假设后来被许多试验所证实。结论(l)试验结果表明，无论是等幅、两级变幅还是随机变幅疲劳荷载作用下梁受压区混凝土累积残余应变的发展规律均基本符合“三阶段”的发展规律。变幅疲劳荷载作用下累积残余应变的发展近似符合“变形唯一性”假定。(2)通过预应力混凝土梁的等幅疲劳试验得到了梁受压区混凝土累积残余应变发展规律的计算公式。将该公式与通过混凝土棱柱体轴压疲劳试验得出的计算公式比较可以看出，通过预应力混凝土梁的疲劳试验得到的t值比较相近，且远大于由轴心受压混凝土棱柱体试件疲劳试验得出的结果，其主要原因可能是混凝土棱柱体轴心受压疲劳试

5、验未考虑梁内受压区应力梯度的影响。并在此基础上通过理论推导得出了变幅疲劳荷载下混凝土累积残余应变发展规律的计算公式。第六章预应力混凝土梁疲劳损伤全过程非线性分析方法的研究1引言长期承受重复荷载作用的混凝土结构存在着疲劳问题。以往对疲劳问题的研究主要着眼于混凝土结构的疲劳寿命。随着研究的不断深入，人们认识到服役期间承受疲劳荷载的混凝土结构，其结构抗力会随疲劳损伤累积而衰减，最终导致结构可靠度降低。工程实践中迫切需要对这类有损伤结构进行疲劳损伤评估及维修决策，如旧桥安全评定与加固维修等。这样就需要从全寿命的角度来研究疲劳损伤过程。预应力混凝土构件是钢筋(包括普通钢筋和与预应力钢筋)和混凝土的组合体

6、，疲劳损伤机理十分复杂。钢筋和混凝土分别有着不同的损伤机制，而且各种不同的损伤机理同时发生。其中任何一种材料的损伤都会影响到组合构件的受力状态，使得构件截面上的应力产生重分布。同时试验结果也表明，部分预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的性能是逐渐变化的。因此要根据其组成材料的疲劳性能来估算构件的疲劳寿命，需要有适当的从荷载循环历程计算其组成材料应力循环历程的分析方法。目前的计算方法基本上还是将各种组成材料单独进行疲劳分析，还没有充分考虑在构件的疲劳损伤过程中不同材料之间的这种相互作用、相互影响。Rlime36一RDL委员会在其报告【11的研究展望中也将该问题作为下一步需要进行深入研究的问题。此外，

7、现有计算方法主要考虑的还是等幅疲劳问题，然而实际工程中的混凝土构件所承受的都是一个幅值变化很大的重复荷载。即便是在等幅疲劳荷载作用下，由于在疲劳过程中材料性能的不断劣化，实际构件中发生的也是一个非常复杂的多级疲劳现象。基于此，本文提出了一种可以同时考虑钢筋与混凝土祸合作用和变幅重复应力的疲劳全过程非线性分析方法。计算结果表明，该方法能够较好地描述预应力混凝土受弯构件疲劳损伤全过程。预应力混凝土构件的疲劳损伤是一个非线性过程，然而目前普遍采用的是线弹性的分析方法，因此有必要对非线性分析方法进行研究。本文在正截面应力分析的基础上，采用分段线性的方法实现了非线性的求解过程。即在每一级疲劳荷载增量步(

8、动内，认为截面和材料的特性保持不变，按线弹性方法进行分析;在计算下一级增量步之前，根据各组成材料不同的损伤机制来修正原有的截面或材料特性，然后再按线弹性方法进行分析，从而达到非线性分析的目的。增量步长可根据不同的精度要求进行选取，一般情况可以选为入七100001421。.1正截面疲劳损伤全过程分析的基本假定混凝土结构设计规范3在进行受弯构件正截面疲劳验算时给出了4条基本假定:(1)截面应变保持平面;(2)受压区混凝土的法向应力图形取为三角形;(3)对钢筋混凝土构件，不考虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉力全部由纵向钢筋承受;对要求不出现裂缝的预应力混凝土构件，受拉区混凝土的法向应力图形取为三角形;(

9、4)采用换算截面计算:对钢筋混凝土构件，取钢筋弹性模量与混凝土疲劳变形模量的比值嵘=乓/嵘;对预应力混凝土构件，取预应力钢筋、非预应力钢筋的弹性模量与混凝土弹性模量的比值分别为气E=凡/凡·气二Es/尺。其中假定1和2已经过大量试验的证实。但是假定3和4对预应力混凝土结构疲劳极限承载能力分析来说并不是很合理。因为在预应力混凝土结构达到疲劳承载能力极限状态时，混凝土受拉区己达到开裂状态，即一般所谓的“不裂不疲”。这种情况下，混凝土受压区已产生较大的疲劳变形。因此对受压区混凝土的疲劳变形模量仍取用静载弹性模量而不考虑其塑性变形和非线性变形是欠合理的。试验【104，1401证实，混凝土的疲

10、劳变形模量随着荷载重复次数N的增加而不断降低。但是，目前国内外规范所给出的疲劳变形模量嵘均取为常数，这在疲劳过程分析中也是欠合理的。基于上述分析，本文提出了预应力混凝土受弯构件的疲劳损伤全过程分析的基本假定如下:(a)截面应变保持平面;彻采用分段线性的方法进行分析。在每一个增量步里面，截面几何特征和材料特性保持不变;(c)钢筋采用钢筋面积来表征疲劳损伤，混凝土采用疲劳弯曲受压变形模量来表征疲劳损伤;(d)受压区混凝土的法向应力图形取为三角形;(e)对预应力混凝土构件，不考虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉力全部由纵向钢筋承受;仍采用换算截面计算:取预应力钢筋、非预应力钢筋与混凝土弯曲受压疲劳变形模量

11、的比值即呱一凡/嵘，呱二凡/嵘。预应力混凝土截面在疲劳开裂之前，混凝土受压区压应变和钢筋应变的增量都很小，因此忽略截面开裂前造成的混凝土梁的损伤。本文的正截面应力分析均以在疲劳验算时跨中截面的最大弯矩值材二以作用下截面下边缘已开裂为基础，因此该计算方法偏于保守。实际工程中经受疲劳荷载的部分预应力混凝土梁，在使用荷载下，梁的正截面下边缘纤维可能处于波动拉一压状态。因此，本文以工程上常用的T形截面受弯构件为例，分别以计算截面处于消压前(呱。、城)和处于消压后(嵘以>城或呱n>风)两种情况进行了正截面应力分析，M蕊为疲劳验算时跨中截面的最小弯矩值，M0为消压弯矩。开裂后的正截面计算简图如

12、图62。6小结预应力混凝土构件的疲劳是一个非线性累积损伤过程，建立一个可以考虑截面应力重分布的非线性疲劳全过程分析方法是今后发展的趋势。本文在大量试验和理论分析的基础上，提出对混凝土和钢筋分别采用混凝土弯曲受压变形模量和钢筋面积这两种宏观物理量来作为疲劳损伤量度;基于分段线性的原理，对预应力混凝土受弯构件进行了疲劳损伤的全过程非线性分析。分析结果表明，该方法考虑了钢筋和混凝土祸合作用，并且适用于多级变幅疲劳荷载作用的情况，能够较好地描述出疲劳损伤的全过程，并能给出更符合实际情况的疲劳寿命。疲劳试验结果的离散性一般来说是非常大的，因此目前建立精确的确定性疲劳分析方法还是很困难的。本方法的计算精度

13、与钢筋和混凝土材料的损伤累积规律直接相关，有必要进一步开展相关疲劳试验研究。展望本文针对混合配筋部分预应力混凝土构件的疲劳性能开展了一些初步的研究工作，许多研究内容还不完善，今后还有很多相关的研究工作要做，具体归纳为如下几方面的内容:(1)疲劳荷载谱研究方面进一步加强各种典型疲劳荷载谱(如吊车梁荷载谱、公路桥梁荷载谱和波浪荷载谱等)的调查研究，从而建立起能够较好地反映实际荷载一时间历程的统一的标准疲劳荷载谱，使不同研究者开展的随机变幅疲劳试验的研究成果更具可比性。(2)组成材料疲劳性能研究方面进一步开展混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的疲劳性能和疲劳累积损伤演化规律的研究。特别是应加强钢筋在空气中

14、与在构件中疲劳性能差异的研究，弯曲及转折对疲劳性能影响的研究和钢筋与混凝土之间的疲劳粘结性能的试验研究，这些都是今后进一步开展构件非线性疲劳分析的基础。(3)构件疲劳试验研究方面对于纵筋配筋率较低的试件来说，当承受的疲劳荷载较大时，可能会出现整根试件的突然脆性断裂。为了保证试件在疲劳破坏前有一个明显的预兆，应该采用较高的纵105混合配筋部分预应力混凝土梁疲劳性能研究筋配筋率。疲劳荷载下的最小纵筋配筋率理论上应比静载下的最小配筋率更高一些，这有待于今后进一步地系统研究。对于允许开裂的混合配筋部分预应力混凝土构件来说，并不是预应力钢筋所占比例越高其疲劳性能相应地也越好，设置适量的非预应力钢筋对于提

15、高构件的疲劳性能来说是十分必要的。理论上存在着一个最优的预应力比率P(PR)使得开裂后的混合配筋部分预应力混凝土构件的疲劳性能最优，其最优值还有待于进一步的研究。进一步开展各种典型疲劳荷载谱作用下的部分预应力混凝土构件正截面疲劳性能的试验研究，以便建立起定量的分析模型;补充开展典型疲劳荷载谱作用下斜截面疲劳性能的试验研究。随着承受重复荷载作用的预应力混凝土结构在近海结构物等恶劣环境下应用的增多，有必要对预应力混凝土构件开展疲劳抗裂性能和腐蚀疲劳性能的试验研究。采用更先进有效的试验测试技术，保证疲劳实验过程中数据测量的有效性及准确性，比如采用耐疲劳性能更强、测量范围更广的光纤传感器等新型传感器进

16、行量测。加强对实际工程中长期承受疲劳荷载作用的结构物的监测工作，以便能够建立起实验室中加速疲劳试验得出的疲劳性能与实际服役中结构物长期疲劳性能的关系。实际结构物在其服役期内一般存在着间歇期(Restp既lods)和大量的小幅值疲劳荷载作用，在实验室里应如何考虑这些问题。疲劳分析理论研究方面目前对混凝土结构的疲劳分析方法基本上还是将各种组成材料单独进行疲劳分析，充分考虑钢筋和混凝土相互作用的非线性疲劳分析方法仍然很少。在对构件进行疲劳损伤分析时几乎没有考虑截面上出现的应力重分布和逐渐断裂(PorgerssiverfacUter)的过程，本文在此方面进行了有益的尝试，今后仍需加强此方面的研究工作。进一步开展能够考虑疲劳损伤累积的钢筋混凝土有限元算法的理