预裂纹混凝土拉压疲劳荷载下裂纹扩展速率.pdf
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1、第 1 7 卷第 3期 2 0 1 4年 6月 建筑材料学报 J OURNAL 0F B UI L DI NG MATERI AI S Vo1 1 7 No 3 J u n , 2 o 1 4 文章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 5 2 6 - 0 6 预裂纹混凝土拉压疲劳荷载下裂纹 扩展速率 沈健 , 冯仲 仁 , 王雄 江 ( 1 江西科技师范大学 建筑工程学院, 江西 南昌 3 3 0 0 1 3 ; 2 武汉 理工 大学 土 木工程 与建 筑学 院 ,湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 :为研 究 C 5 0混凝土预 裂 纹在
2、拉 压循 环荷 栽下 的扩 展 速 率 , 进 行 了应 力 比 为 一1 , 应 力幅值 为 0 2 O 1 3 0 MP a的拉 压疲 劳试验 针 对混 凝土在 拉压 疲 劳荷 载 下裂 纹扩展 时其 长度 不 易确 定的 问 题, 提 出潜行等效裂纹长度假说对试验结果进行分析 结果表 明: 混凝土裂纹第 1阶段起始扩展 区 和 第 2阶段 稳 定扩展 区比较 明显 , 第 3阶段 加速 扩展 区不 明显 , 在 稳 定扩展 区后 期 , 裂纹 扩展 曲线 的斜 率并 不像金 属 那样快速 增加 , 而是 增 幅趋缓 , 在稳 定 扩展 阶段 后 期 无征 兆 突然破 坏 , 与 混凝 土
3、 脆性断裂的特性相一致 利用最小二乘法拟合得到裂纹扩展速率 P a i r s 公式 中的参数 C, , 在考虑 5 0 , 9 0 , 9 9 的存 活率 时 , C 可在 0 3 1 0 4 5 , 0 7 6 0 9 9 , 1 2 2 1 9 8中取值 , m 取 值 范 围对 存 活 率大 小的敏 感性较 低 , 可在 3 0 4 8之 间取 值 关键词 :裂纹扩 展速 率 ;疲 劳试验 ;疲 劳荷 载 ;混凝 土 中图分 类号 : TU5 2 8 0 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1
4、4 0 3 0 2 8 Cr a c k Gr o wt h Ra t e o f Co nc r e t e wi t h Pr e c r a c ks i n Te ns i o n Co m pr e s s i o n Cy c l i c Fa t i g u e Lo a d SHEN Ji a n , FENG Z h o n gr e n 。 。 WANG Xi o n g j i a n g ( 1 S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e ,J i a n g x i S c i e n c e a n d Te c h n o l o
5、 g y No r ma l Un i v e r s i t y ,Na n c h a n g 3 3 0 0 1 3,Ch i n a : 2 Sc ho ol o f Ci v i l En gi n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t ur e ,W uh an Un i v e r s i t y of Te c hno l o g y,W uha n 43 0 07 0,Ch i n a) Ab s t r a c t :A t e ns i o n c o m p r e s s i o n c y c l e f a t i gu e t e
6、 s t wa s pe r f o r m e d i n o r de r t o s t u d y t he c r a c k gr o wt h r a t e o f C5 0 c on c r e t e wi t h pr e c r a c ks i n c y c l i c l o a d i ng The s t r e s s r a t i o wa s 一 1 a n d t he a mpl i t ud e wa s 0 2 0 1 3O M Pa Th e c o nc r e t e c r a c k l e ng t h i s d i f f i
7、c ul t t o de t e r mi ne wh e n t h e c r a c k i s p r op a g a t i n g i n t e ns i o n c ompr e s s i o n f a t i gue l oa d,S O t he hy po t he s i s o f hi d de n e q ui v a l e nt c r a c k l e ng t h i s pu t f or wa r d t o a na l y z e t he e x pe r i me n t a l da t a Co mpa r e d wi t h
8、t he 3 - s t a g e d i a g r a m o f c o m mo n m e t a l c r a c k pr o p a ga t i o n, t h e i n i t i a l p r o p a g a t i o n a t t he f i r s t s t a g e a nd t h e s e c o nd s t a g e o f s t a b l e p r o pa g a t i on a r e q ui t e n ot a bl e bu t a t t he t hi r d s t a g e of a c c e l
9、 e r a t e d e x pa n s i on i s no t no t a b l e At t he l a t e s t a ge of s t a b l e p r op a g a t i on,t he s l o p e o f f a t i gu e c r a c k pr o p a ga t i o n c u r v e d oe s no t i nc r e a s e a s f a s t a s t ha t f o r me t a l ma t e r i a l s bu t d e c e l e r a t e s ob v i o
10、 us l y a nd t he c o nc r e t e f a i l s s u dd e n l y wi t ho ut i nd i c a t i on I t i s c on s i s t e n t wi t h t he b r i t t l e f r a c t ur e of c on c r e t e Th e i m po r t a n t p a r a m e t e r s of Pa i r s f o r m ul a,C a nd ,a r e f i t by t h e l e a s t s q ua r e s W he n t
11、 h e s u r vi v a l r a t e i s 5 0 , 9 0 o r 9 9 ,C v a l ue r a nge i s 0 3 l一0 45,0 7 60 9 9,1 2 21 9 8 a nd m v a1 u e r a n ge wi t h l o w s ur v i v a 1 r a t e s e n s i t i v i t y i s 3 04 8 Ke y wo r d s :c r a c k g r o wt h r a t e ;f a t i g u e t e s t i n g ;f a t i g u e l o a d;c o
12、 n c r e t e 裂纹是混凝土结构无法 回避的问题 在施工养 护及使用阶段 , 会因不同原 因出现或多或少的各类 收稿 E t 期 : 2 0 1 2 1 2 1 8 ;修订 日期 : 2 0 1 3 0 4 0 9 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 0 8 1 8 4 ) ; 江西科技师范大学博 士科研启动基金资助项 目( 3 0 0 0 9 9 0 1 0 5 ) 第一作者 : 沈健 ( 1 9 7 8 ) , 男 , 江苏无锡人 , 江西科技师范大学讲师, 武汉理工大学博士生 E ma i l : s h e n 0 3 1 i u 0 1 1 6 3 c
13、 。 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 8 建筑材料学报 第 1 7 卷 图 2 ( a ) 为 无 限寿命 状 况 , 应 力水 平 低 于疲 劳 极 限 , 试 件 变形量 Z 在 极 微 小 的 范 围 内波 动 , 表 示 试 件裂 纹没 有扩 展 变 化 图 2 ( b ) 为 快 速 破 坏 状 况 , 虽 然 此时应 力 幅值 低 于 混凝 土 的抗 拉 强度 , 但 由 于预 裂 纹应力 集 中 , 试 件 变 形 量 z 急 剧 上 升 , 试 件 迅 速 破坏 图 2
14、( c ) 对 应裂纹稳定扩 展状态 , 应力幅值为 0 5 1 0 MP a , 此 时疲 劳 裂 纹 扩 展 较 稳 定 , 疲 劳 荷 载 循环 次数 为 1 O 。 1 0 2 混凝土潜行裂纹假说 2 1 等 效裂 纹长 度 混凝 土试 件在 破 坏 前 无 任何 明显 预 兆 , 预 裂 纹 前 端表 面无 可见 裂 纹 出 现 这一 点 和 金 属 等韧 性 材 料 的裂纹 扩展 情 形 明显 不 同 由 于不 能 直 接 观测 裂 纹的扩展 , 在考虑裂纹扩展速率时, 对裂纹长度确定 应作 相 应 的处理 本文 主要考虑稳 定破 坏状 态 , 应 力 幅值为 0 5 1 0 MP
15、 a , 低 于正 常 情 况 下 C 5 o混 凝 土 拉 压 疲 劳极 限, 可近似认 为, 试件在疲劳荷载作用下 , 只有在预 裂 纹导 致应 力集 中所 产 生 的 高应 力 区 内 , 微 裂 纹 才 扩展、 贯通, 形成新 的内部裂纹 新的 内部裂纹形成 后 , 应力 集 中区域 和微 裂纹扩 展 区都 随之偏 移 , 导致 其 不 断发展 , 直到试 件 发生 断裂 为简 化问题 , 考 虑 引入 一个 等 效潜 行 裂纹 面 , 其 内边界称为等效潜行裂纹 , 如图 3所示 关于等效潜 行 裂纹面 , 作如下 假设 : ( 1 ) 等效潜 行裂纹 面积 等 于所 有 内部微 裂
16、 纹 扩展 张 开 面 积 与 预制 裂 纹 面 积 总 和 ( 2 ) 等效潜行裂纹面所包围的材料退出工作后, 将导 致材料有效应力随等效潜行裂纹的扩展而不断上升 ( 3 ) 等效潜行裂纹面之外的材料弹性模量保持不变 图 3 等效潜行裂 纹模 型 Fi g 3 Eq u i v a l e n t h i d d e n c r a c k mo d e l 基 于 以上假定 , 对带 预 裂 纹 混 凝 土疲 劳荷 载 下 裂 纹作 如下 简化 : ( 1 ) 预 裂纹 的作用 在 于提供 应力 集 中区 , 和预裂 纹深 度 无 关 ( 2 ) 包含 预 裂 纹 的 潜行 裂 纹面积轴
17、向扫过的材料全部退出工作 , 可 以忽略预 裂纹 的宽 度 上 述 假 定 只 限于 结 构 所受 力 为 均 布 荷 载 或近 似均布荷 载 的情况 由材料力 学可 得 a为 : F T n B 一 麦 1 ) 式 中 : L, B, D 为 试 件 尺 寸 , 分 别 为 3 0 0 ,1 0 0 , 1 0 0 T i m; F为所 加疲 劳 荷 载 , N; E为 混 凝 土 弹 性 模 量 , MP a 由图 2 ( c ) 可 见 , 随着 疲 劳 循 环 次 数 增 加 , 混 凝 土试件的变形量不断上升 当混凝土试件原长近似 不 变时 , 变形量 的增 加表 示试件 应变 增长
18、 设 混凝 土 的弹性 模量 为定 值 , 则 应 变 的增 加 说 明试 件 所 受 的 实际应 力有所 增 长 在所 加外 力不 变 的情 况 下 , 实 际 应 力增 长说 明受 力面积 有所 减小 在疲劳试验过程 中, 虽无法直接观测 预裂纹扩 展情况 , 但 可 由 z 来 估算 试件在 不 同疲劳循 环 次数 下对应 的实际剩余受力面积, 从 而推算出 n a与 , 的关 系如 图 4如 示 2 2 a - N 数 据统计 分布 各 个试 件 由相 同的 初始 裂 纹 长度 n 。开 始 疲 劳 循 环计 数 , 设 裂纹 扩展 到等 效长 度 n 的疲 劳 循 环 次 数 为 N
19、 由于 混凝 土 自身 性 质 , N 离 散 性 较 大 , 难 以直接 分析 , 而在 相 同加载 条件下 , 同一裂纹 尺 寸 的 疲劳循环次数对数值近似服从正态分布 取试件裂 纹扩 展 至 a 所 对 应 的疲 劳 循 环 次数 的对 数 值 为 随 机变量 x 即 : z 一 l g N ( 2) 式 中 : i 一1 , 2 , , m, 表 示 每个 试 件 的测 量 取 点 , J 一 1 , 2 , , , 表示 试件 的序 数 等效 裂纹长 度 与疲劳 循环 次数 的对数 关 系如 图 5所示 将对 应 n 的不 同 值作 为一 个 子样 进 行 统 计 处理 用子样均值和
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