河北工业大学硕士学位论文混凝土疲劳特性研究姓名：张伟申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：徐东强20061201河北工业大学硕士学位论文 i 混凝土疲劳特性研究混凝土疲劳特性研究 摘摘 要要 随着我国国民经济的高速发展，我国已经建成了规模宏大、数量众多的高速公路、大桥、机场等基础设施，它们在国民经济中发挥了十分重要的作用。在道路工程、跨江大桥及高速高架公路中的钢筋混凝土梁、机场跑道的混凝土路面等都受到循环荷载作用。汽车数量的增多、飞机及飞机起降次数的增多必将加重这些构件负担， 加快其破坏的进程。 这些工程是否安全， 混凝土疲劳寿命规律如何，是现代工程的一个重要课题。 疲劳荷载作用下，混凝土材料因受损失效而导致结构物或构筑物开裂及破坏是危害结构物或构筑物安全的重要因素， 因此本文研究了疲劳荷载对混凝土强度的影响，在实验基础上，用统计学理论研究了混凝土弯曲疲劳寿命的概率分布规律，得出疲劳寿命方程。 本文研究结果可归纳为：混凝土的弯曲疲劳寿命分布服从两参数威布尔分布。对应两参数和三参数威布尔分布，求出存活率和疲劳寿命之间的关系即 P-N 曲线，发现二者的结果有不小的差异，因此在估算结构或构件的疲劳寿命时，根据实际情况选取合适的计算方法很重要。 在雨季，或冬季下雪时撒盐水溶雪，使混凝土构件中充满孔隙水。因此，研究含孔隙水混凝土裂纹发展规律等具有重要的意义。 根据裂纹面的应力状态，从断裂力学角度将混凝土的裂纹扩展分为拉剪复合断裂及压剪复合断裂。应用工程近似裂纹失稳准则，分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式，并对其随裂纹方向变化的规律进行分析。结果表明，在拉剪复合断裂模式下，裂纹与主压应力方向平行时最易发生水力劈裂；在压剪复合断裂模式下，当裂纹面间摩擦系数与压剪断裂参数与之差大于零时，其规律性与拉剪复合断裂模式基本一致；但当其差值小于零时，裂纹与主压应力夹角呈 45及 135时最易发生水力劈裂。 关关 键键 词：词：疲劳寿命，威布尔概率分布，临界水压 混凝土疲劳特性研究 ii STUDY OF CONCRETE FATIGUE CHARACTERISTIC ABSTRACT Along with the high-speed development of our country national economy, our country has been already set up numerous highways, big bridges and airports. They developed a very important function in the national economy. Concrete beams that be used in the road engineering, big bridges and high-speed roads and concrete road noodles of the airport runway are bearing fatigue load. Increscent of the car amount and airplanes declining times will aggravate these burdens necessarily, speed the progress that it breaks. These engineering whether safety, how the concrete tired life span regulation is, are important topic of modern engineering. The breakage caused by the fatigue load not only influenced but also did harms to the safety and normal use of constructions, so we discussed the effects of fatigue load on concrete. Based on the experiments, fatigue life distribution of concrete is studied using fatigue life statistics theory; the fatigue life equation is established. The study results in the paper can be concluded that the bending fatigue life of concrete can be described by two parameter Weibull distribution. I gained the relation between livability and fatigue life, and then drew the P-N curve. Compare the P-N curve of two parameter Weibull distribution with that of three parameters Weibull distribution, some differences between them are found. So we should choose the appropriate method to obtain the fatigue life of structure or component. At the raining season, or snowing in winter , concrete filled with hole water .Therefore, the research that development regulation of the concretes crack that contains hole water have important meaning. Based on stress state in fracture surface and fracture mechanics, the fracture propagation is divided into tension-shear and compression-shear mixed cracking.Using fracture propagation engineering criterion, calculation formulae of 河北工业大学硕士学位论文 iii critical internal water pressure of two kinds of failure model are obtained respectively; and its effect laws as fracture direction and lateral geo-stress coefficient are studied. Some following conclusions can be drawn: 1.Under tension-shear complex model, fracture is most easily fracturing when fracture direction is parallel with direction of principal compression stress. 2.Under compression-shear mixed model ,distribution law of critical internal water pressure is same as tension-shear complex model when (fs- ) large than 0 But fracture is most easily fracturing when fracture direction are 45or 135angle with principal compression stress and (fs- ) less than 0. Key words: fatigue life，Weibull probability distribution，critical internal water pressure. 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 课题研究的意义课题研究的意义 疲劳是指材料在低于静载强度的循环荷载作用下所发生的性能劣化乃至失效1 。自 1829 年德国工程师 Albert2研究卷扬机铰链的疲劳强度开始，人们开始注意金属材料的疲劳断裂问题。而对混凝土材料的疲劳特性的研究始于 19 世纪末，1898 年 considere 和 Dejoly 最早开展砂浆和混凝土的疲劳特性的研究。进入 20 世纪，随着世界范围内的公路、铁路、航空业的发展，大量桥梁、路面、轨枕、跑道的兴建，混凝土的疲劳性能的研究引起了人们的极大兴趣。但在 20 世纪 70 年代之前，由于混凝土结构按照容许应力法进行设计，采用的容许应力较低，很少发生混凝土结构因疲劳而破坏的事件。后来，随着高强、轻质混凝土和高强钢筋的采用，许多构件不但处于高应力状态，而且自重减轻、恒载减小，疲劳荷载所占比重相对增大，此外混凝土结构扩大应用到许多循环次数较多且重复荷载较大的场合。因此混凝土结构的疲劳日益成为不可忽视的问题， 各国相继将混凝土疲劳验算的内容包含到相应的设计规范与标准当中3-9， 混凝土材料的疲劳力学性能的研究也成为工程界的热点问题之一。 土木工程中疲劳荷载一般可分为高周低幅、低周高幅、超高周三种类型。Hsu 10总结了疲劳荷载谱，如表 1-1 所示。循环次数小于 1000 次的属于低周疲劳；高周疲劳的循环次数在 103与 107次之间，这个范围的循环荷载出现在桥梁、高速公路、机场道面和机械基础上。更高周的疲劳问题称超高周疲劳，这类疲劳形式是近些年开始研究并出现在新发展的复杂现代结构如高架快轨铁路与海洋结构中。 表 1-1 疲劳荷载谱 Table1.1 Fatigue load spectrum 低周疲劳 高周疲劳 超高周疲劳 N108遭受地震作用的结 构物 机场跑道与桥梁 高速公路与铁路桥 梁，公路路面，混 凝土铁路路枕 高架快轨铁路 海洋 结构 随着我国国民经济的高速发展，我国已经建成了规模宏大、数量众多的高速公路、大桥、机场等基础设施，它们在国民经济中发挥了十分重要的作用。在道路工程、跨江大桥及高速高架公路中的钢筋混凝土梁、机场跑道的混凝土路面等都受到循环荷载作用。汽车数量的增多、飞机及飞机起降次数的增多必将加重这些构件负担，加快其破坏的进程。这些工程是否安全，混凝土疲劳寿命规律如何，是现代工程的一个重要课题。而且在雨季，或冬季下雪时撒盐水溶雪，使这些混凝土构件中充满孔隙水。因此，研究在循环混凝土疲劳特性研究 2 荷载作用下混凝土的疲劳特性以及研究含孔隙水混凝土裂纹发展规律，对监测预报混凝土结构工程的稳定具有重要的意义。 1-2 混凝土疲劳性能研究状况混凝土疲劳性能研究状况 1-2-1 混凝土疲劳损伤机理研究 1-2-1 混凝土疲劳损伤机理研究 混凝土材料的疲劳破坏是损伤不断积累，承载力逐渐降低的过程，因此对疲劳破坏的损伤机理进行研究对于深入地洞悉混凝土材料疲劳性能具有重要意义。目前，国内外许多学者在研究混凝土疲劳性能时已对其损伤机理进行了初步的探讨11-13，并得到了一致的结论。 混凝土是由水泥、骨料和水按适当的比例配合成混合物，经过一定时间硬化而形成的人工石材。由于硬化过程中的泌水、化学变化和温度作用等原因，在水泥砂浆内部以及水泥砂浆和骨料