李曉路金寶宏崔麗娟(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 7500 河北大學(xué)圖書(shū)館，河北 保定 07000)

混凝土疲勞破壞研究進(jìn)展綜述

李曉路1金寶宏1崔麗娟2
(1寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021 2河北大學(xué)圖書(shū)館，河北 保定 071000)

隨著高強(qiáng)混凝土構(gòu)件在建筑業(yè)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)件工作應(yīng)力的不斷提高，并且一些承受多次反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)也開(kāi)始大量采用混凝土材料來(lái)建造，人們逐漸對(duì)混凝土材料的疲勞問(wèn)題給予了更大的重視。本文針對(duì)普通混凝土、鋼纖維混凝土、再生混凝土以及再生塑料改性混凝土的疲勞機(jī)理進(jìn)行綜述，可為工程實(shí)踐提供技術(shù)依據(jù)。

混凝土；疲勞破壞；有限元模型；疲勞強(qiáng)度

0 前言

混凝土疲勞性能的研究對(duì)于承受動(dòng)荷載的混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)十分重要?；炷疗谄茐脑囼?yàn)研究表明，由于混凝土是一種多相多組分的復(fù)合材料，其內(nèi)部和表面任意區(qū)域內(nèi)均存在應(yīng)力集中區(qū)域，造成混凝土表面或內(nèi)部各個(gè)小區(qū)域內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變均與名義應(yīng)力和混凝土受拉區(qū)平均應(yīng)變之間存在較大差異。粗骨料的粒徑分布、骨料-基體界面過(guò)渡區(qū)的特性等因素都將影響疲勞主裂紋的發(fā)展路徑[1]。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，新型混凝土的誕生，導(dǎo)致了構(gòu)件中，許多處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，使工作應(yīng)力越來(lái)越接近疲勞應(yīng)力，再加上很多結(jié)構(gòu)都是重復(fù)反復(fù)荷載，致使結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破壞。因此對(duì)各種混凝土進(jìn)行疲勞破壞研究有著重要的工程意義。

復(fù)習(xí)導(dǎo)入法歷史課傳統(tǒng)教學(xué)中最常見(jiàn)的導(dǎo)入法，它是根據(jù)知識(shí)之間的邏輯關(guān)系，找準(zhǔn)新舊知識(shí)的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，以舊引新或溫故而知新，具有承上啟下的作用。雖然這種導(dǎo)入法往往缺乏趣味性，但歷史課是時(shí)間連貫性很強(qiáng)的課程，根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，利用復(fù)習(xí)舊課而引入新課，有利于知識(shí)間的銜接，使學(xué)生理解歷史概念的因果關(guān)系，從而使學(xué)生認(rèn)識(shí)更全面。如學(xué)習(xí)夏商周歷史時(shí)，用暴君的殘暴統(tǒng)治銜接導(dǎo)入效果會(huì)更好。夏桀的昏庸、商紂的殘暴、周厲王的專(zhuān)制，其結(jié)果是毀滅了一代王朝，直接或間接促使了新王朝的建立。這樣的銜接，前后照應(yīng)，過(guò)渡自然，使學(xué)生容易從以前的知識(shí)中轉(zhuǎn)入即將學(xué)習(xí)的課程上來(lái)。

做好風(fēng)險(xiǎn)控制工作，能夠盡可能的避免以及杜絕不利情況的存在。在長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制的影響之下，供水企業(yè)一直處在壟斷的地位上，因此，缺少對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的防范意識(shí)。健全以及完善企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理體系，能夠有效的衡量風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)風(fēng)險(xiǎn)加以分析，同時(shí)還能夠用合理有效的方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，從而確保供水企業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)的發(fā)展。其次，還應(yīng)該不斷建立并且完善財(cái)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，構(gòu)建企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制。最后，應(yīng)該做好企業(yè)外部的風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)營(yíng)管理工作，通過(guò)采取積極有效的內(nèi)容措施來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象加以防范。制度的建立是抑制風(fēng)險(xiǎn)存在最基礎(chǔ)的保障，嚴(yán)格的責(zé)任體制以及規(guī)范的經(jīng)營(yíng)管理，能夠確保企業(yè)中各項(xiàng)工作順利高效的開(kāi)展。

1 各種混凝土材料疲勞機(jī)理研究

1.1 普通混凝土疲勞損傷研究

在20世紀(jì)80年代，人們開(kāi)始對(duì)混凝土疲勞損傷進(jìn)行研究，包括對(duì)混凝土整體疲勞損傷規(guī)律進(jìn)行表征并對(duì)疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律進(jìn)行描述?；炷恋乃嗌皾{基體微觀上是多孔材料，并隨水灰比不同而異。而環(huán)繞基體和骨科的界面其孔隙率比基體孔隙率更大，這里是水泥砂漿凝固時(shí)及混凝土受荷載作用體積變形時(shí)出現(xiàn)損傷最大的部位，骨料尺寸愈大，損傷愈嚴(yán)重?？梢哉J(rèn)為最大骨料附近是混凝土的最脆弱部位[1]。

1.3.1 A組31例患兒采用攜脈沖式胰島素泵給予持續(xù)胰島素泵注射給藥,先對(duì)患兒局部皮膚進(jìn)行常規(guī)清潔、消毒,女性選擇下腹部為注射部位,男性選擇上腹部為注射部位,注射過(guò)程中應(yīng)避開(kāi)臍四周4.5厘米,泵入針頭應(yīng)刺入患兒皮下組織并使用帖膜進(jìn)行固定,患兒基礎(chǔ)給藥劑量為0.49 U/kg,基礎(chǔ)使用率在50%左右,并在患兒三餐前、后2小時(shí)監(jiān)測(cè)血糖,依據(jù)患兒餐前血糖檢測(cè)水平?jīng)Q定胰島素給藥量。

由于模擬實(shí)際疲勞加載每一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的材料損傷劣化過(guò)程十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此采用“循環(huán)塊”的方式對(duì)細(xì)觀混凝土結(jié)構(gòu)施加等幅疲勞荷載，即:假設(shè)本模型中施加的每一個(gè)荷載循環(huán)代表具有固定長(zhǎng)度的若干疲勞荷載循環(huán)次數(shù)(例如1000次或1萬(wàn)次)，且“循環(huán)塊”的長(zhǎng)度取決于所選用的疲勞應(yīng)力水平[5]。通過(guò)對(duì)再生混凝土彎折疲勞破壞試件切割出來(lái)的切片進(jìn)行數(shù)碼圖像采集，獲得了試件截面骨料的分布形狀，得出在疲勞荷載作用下，損傷逐漸發(fā)展導(dǎo)致一致切線(xiàn)算子矩陣變化，從而使得應(yīng)力更新而且隨著作用荷載的次數(shù)增多，損傷越來(lái)越大，撓度越來(lái)越大，而彎折的試件剛度在衰退。

1.3 再生混凝土疲勞破壞的數(shù)值模擬研究

對(duì)再生混凝土進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究時(shí)首先應(yīng)建立模型，這里考慮了骨料和砂漿兩項(xiàng)介質(zhì)，采用Solid 65 單元對(duì)骨料和砂漿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，骨料單元屬性采用線(xiàn)性各向同性模型，彈性模量取值60 GPa，泊松比取0.16，砂漿單元采用多線(xiàn)性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，彈性模量取值30GPa，泊松比取0.22，Willam-Warnker破壞準(zhǔn)則。約束有限元模型的所有底部自由度，頂部約束 X 向和 Z 向自由度，采用位移加載[5]。根據(jù)以上模型進(jìn)行數(shù)值模擬得出再生混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像，以及再生混凝土彎折疲勞試件在荷載作用下的單元破壞過(guò)程如圖2[5]。

圖1 疲勞計(jì)算模型

表1 鋼纖維混凝土疲勞破壞模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)ANSYS建模計(jì)算得出，鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度高，收縮量小，伸縮縫間距可以延長(zhǎng)并且比普通混凝土的抗疲勞性能有很大的提高。

0.9 0.015 1.5 0.9 0.047 0.8 7.010

進(jìn)行疲勞計(jì)算需要定義材料的疲勞性質(zhì)[4]，應(yīng)力位置與應(yīng)力集中系數(shù)。經(jīng)算后獲得的輸出數(shù)據(jù)見(jiàn)表1由表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，疲勞壽命的對(duì)數(shù)與應(yīng)力比呈線(xiàn)性關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)是偏安全的。說(shuō)明使用ANSYS程序進(jìn)行疲勞模擬是可行的，只要獲取了某種材料的疲勞特性，就可以獲得該材料在其他受力情況下的疲勞壽命，從而減少試驗(yàn)工作量和費(fèi)用[3]。

1.2 鋼纖維混凝土疲勞破壞模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建立仿真模型已經(jīng)成為研究的重要手段。利用ANSYS軟件建立了鋼纖維混凝土疲勞試驗(yàn)15cm×15cm×55cm模型[3]如下圖1，并進(jìn)行了模擬計(jì)算。

圖2 再生混凝土彎折試件破壞過(guò)程

在對(duì)受壓荷載作用下混凝土損傷的各向異性效應(yīng)進(jìn)行研究后，在連續(xù)質(zhì)介不可逆熱力學(xué)框架內(nèi)，進(jìn)一步提出了各向同性混凝土連續(xù)損傷模型、誘發(fā)各向異性損傷模型以及高壓荷載損傷模型[2]。由此可以看出，混凝土的疲勞破壞研究過(guò)程是一個(gè)由宏觀特征逐漸深化到微觀特征的一個(gè)過(guò)程，由起初最簡(jiǎn)單的疲勞破壞試驗(yàn)研究到單因素分析疲勞破壞影響因素，由試驗(yàn)和理論到建立數(shù)值模擬以及分析軟件的研制和開(kāi)發(fā)，以便更好的把科研理論的成果應(yīng)用于實(shí)際工程中去。

《意見(jiàn)》明確，各地各有關(guān)部門(mén)要準(zhǔn)確把握特色小鎮(zhèn)的內(nèi)涵要義，不能盲目把產(chǎn)業(yè)園區(qū)、旅游景區(qū)、體育基地、美麗鄉(xiāng)村、田園綜合體以及行政建制鎮(zhèn)戴上特色小鎮(zhèn)“帽子”。

1.4 再生塑料改性混凝土疲勞性能研究

塑料具有不錯(cuò)的彈性，比較高的強(qiáng)度和耐磨性，絕緣性能好，把廢舊塑料回收并使用工藝使之破碎成顆?；蚍勰饺氲交炷廉?dāng)中，既重新利用了塑料廢棄物，又可以改善混凝土的性能，研究再生塑料改性混凝土的材料性能具有重要的意義。

將塑料顆粒以體積替代細(xì)骨料的方式摻入普通混凝土中，制作成塑料顆粒改性混凝土（MCRP）。經(jīng)過(guò)研究MCRP的靜態(tài)力學(xué)性能以及等幅循環(huán)荷載下MCRP的疲勞壽命，并將結(jié)果與普通混凝土相比較，探討塑料顆粒的摻量對(duì)混凝土各種力學(xué)性能的影響以及對(duì)MCRP的綜合性能進(jìn)行評(píng)后，得出MCRP比普通混凝土抗疲勞性能有很大提高[6]。

2 總結(jié)

本文對(duì)各種混凝土的疲勞機(jī)理研究進(jìn)展和趨勢(shì)進(jìn)行了闡述，可以看出由起初較簡(jiǎn)單的混凝土疲勞試驗(yàn)研究逐漸深入到對(duì)新型混凝土疲勞性能的各個(gè)因素進(jìn)行研究和歸納，由試驗(yàn)和理論到數(shù)值模擬計(jì)算以及荷載的處理，從而方便對(duì)以后的工程實(shí)踐起到一定的借鑒作用。

[1] 雷 斌,李 宏,晏育松.混凝土疲勞機(jī)理研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2014,33.

[2] 謝和平.巖石、混凝土損傷力學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社出版,1990．

[3]趙志剛,譚云亮,王斐峰.鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究與疲勞破壞模擬[J].橋梁機(jī)械與施工技術(shù),2007,2:40-43.

[4] 黃承逵，趙國(guó)藩，彭 俊.二級(jí)配鋼纖維混凝土疲勞性能的研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),1994,7(3):29-35.

[5]雷 斌，李 宏，晏育松.再生混凝土疲勞損傷機(jī)理的數(shù)值模擬[J].水利水電技術(shù),2014,10(45):115-119.

[6]趙云騰.再生塑料改性混凝土疲勞性能的試驗(yàn)研究.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，2013.

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1007-6344（2016）04-0322-01

李曉路，（1992-），男，河北保定人，碩士研究生.