时变效应导致的混凝土损伤研究进展.pdf
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1、 9 2 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4年 5月( 上) 第 2 8卷第 5期 时变效应导致的混凝土损伤研 究进展 刘国军 , 杨永清 , 魏召兰 ( 1 四川农业大学城乡建设学院, 都江堰 6 1 1 8 3 0 ;2 西南交通大学土木工程学院,成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要 介绍了混凝土的疲劳、 徐变、 收缩和温度等时变效应, 深入阐述了各种时变效应对混凝土材料和结构产 生损 伤的机理与研 究进展 。介 绍了国 内外广泛使 用的混凝 土强度破 坏准则 , 提 出混凝 土强度破 坏准则 中应充分 考虑 时变效应的影响。对混凝土的损伤机理和强度破坏准则的研究具有一定的借鉴意义。
2、 关键词 混凝土时变效应损伤强度破坏准则 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献 标识码 : A Re s e a r c h Pr o g r e s s o f Co nc r e t e Da ma g e Ca u s e d b y Ti me - Va r y i ng Ef f e c t s L I U Gu o j u n , YANG Yo n g q i n g ,WE I Z h a o l a n ( 1 Ur b a n a n d R u r a l D e v e l o p me n t C o l l e g e ,S i c h u a n Ag
3、r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y , D u j i a n g y a n 6 1 1 8 3 0 ; 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ,Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ) Ab s t r a c t Ti me - v a r y i n g e f f e c t s o f c o n c r e t e a r e d e s c r i b e d,i
4、n c l u d i n g f a t i g u e ,c r e e p ,s h r i n k a g e a n d t e mp e r a t u r e a n d o t h e r f a c t o r s ,d a ma g e me c h a n i s m a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e c a u s e d b y v a r i o u s t i me - v a r y i n g e f f e c t s a r e r e v
5、 i e we d Th e c o n c r e t e f a i l u r e c r i t e r i a wi d e l y u s e d a t h o me a n d a b r o a d i s i n t r o d u c e d,i t i s s u g g e s t e d t h a t we s h o u l d t a k e f u l l a c c o u n t o f t i me - v a r y i n g e f f e c t s i n c o n c r e t e f a i l u r e c r i t e r i
6、 a Th i s a r t i c l e h a s g u i d i n g s i g n i f i c a n c e i n c o n c r e t e d a ma g e me c h a n i s ms a n d f a i l u r e c r i t e r i a Ke y wo r d s c o n c r e t e ,t i me - v a r y i n g e f f e c t s ,d a ma g e ,f a i l u r e c r i t e r i a 0 引言 混凝土结构在长达几十年、 甚 至上百年 的服役过程 中, 由于
7、荷载作用 、 疲劳效应、 腐蚀效应及材料老化等各种不利 因素的影响 , 不 可避免地产生 累积损伤、 抗力衰减 、 功 能退 化 , 甚至导致突发事故_ 1 , 因而对混凝土材料损伤机理的研 究显得尤为重要。作为一种在工程上应用广泛 的脆性材料 , 混凝土材料组成不均匀 , 且存在天生随机分 布的微裂缝和初 始缺陷 。在外荷载 的作用下 , 随着混凝 土应变 的产生 , 其 内 部微裂缝等缺陷逐渐发展 , 形成较大的宏 观裂缝 , 宏观裂缝 继续发展 , 最终导致混凝土破坏l 2 。 。从力学意义上讲, 混凝 土的破坏是材料由微观变形发展到宏观断裂的过程 , 其原 因 是外荷载达到了材料的变形
8、承载能力极 限, 本质上是材料在 特定构造方式和受力状态下变形失去稳定性 , 出现发散性变 形的结果。文中将能够引起混凝土 内部微观微裂缝开展、 导 致混凝土损伤的应变统称为损伤应变_ 4 。 混凝土的时变效应主要包括混凝土的疲劳效应 、 徐变效 应 、 收缩作用和温度荷载等 , 这些时变效应 随着 时间的推移 逐渐变化 , 会使混凝土结构产生损伤应变 , 加速混凝 土结构 的破坏。对于混凝土结构尤其是大跨度混凝土结构, 时变效 应导致的混凝土损伤往往不可忽略。目前 , 混凝多轴荷载作 用下的强度破坏准则分为基 于应力空间的破坏 准则 和基 于 应变空间的破坏准则_ 5 一 。国外 比较有代表
9、性的破坏准则有 B r e s l e r - P i s t e r 、 R e i m a n n 、 O t t o s e n等, 国内比较著名 的有清华 大学过镇海的五参数准则和大连理工大学宋玉普 的五参数 准则 。目前, 无论是基于应变空间还是应力空间的强度 破坏准则 , 都是采用在双轴或三轴试验机上大量的短期加载 试验结果拟合而成的, 混凝土的疲劳效应、 徐变效应、 收缩作 用 、 温度荷载作用等时变效应对混凝土损伤和承载能力 的影 响在强度破坏准则 中并没有得到充分考虑 , 然而对于混凝土 结构尤其是大跨度混凝土结构而言 , 这些时变效应的影响往 往不可忽略 。 1 时变效应导
10、致的混凝土损伤研究现状 1 1 疲劳荷载作用下混凝土的损伤 材料在重复荷载作用下 , 将会发生低于静载强度的脆性 破坏 , 即疲劳破坏。人们对结构疲劳性能的研究最早始于 1 9 世纪末 , 1 8 9 8 年 C o n s i d e r e 和 D e j o l y 对水泥砂浆试件的疲劳 问题进行了深入研究_ 1 。2 O 世纪初 , 随着公路的高速发展, 许多学者对混凝土的抗折疲劳性能进行了深入的研究 1 。 1 9 4 7年 , 美国成立了混凝土疲劳委员会 , 专门研究混凝土的 疲劳问题 】 。然而很多承受重复荷载作用的钢筋混凝土结 构都是按照容许应力法设计, 结构 的容许应力较低
11、, 很少发 现钢筋混凝土结构因疲劳而破坏的工程实例 。 因而混凝土结 *四川省教育厅重点项目( 1 3 Z A O 2 5 1 ) ; 国家自然科学基金( 5 1 3 0 8 4 6 7 ) 刘国军: 男, 1 9 8 0年生, 博士, 讲师, 研究方向为混凝土桥梁结构 E - ma i l : l i u g u o j u n 0 6 0 6 1 6 3 c o r n 时变效应导致的混凝土损伤研究进展 刘国军等 9 3 构的疲劳问题一直未受 到重视_ 1 。随着极限强度设计状态 理沦、 混凝土多轴强度理论等设计理论 的应用 , 使得许多混 凝土构件在高应力下工作 , 工作应力幅越来越接近
12、疲劳应力 幅。此外 , 混凝土结构越来越多地应用于受循环次数多、 重 复荷载大的结构, 使得混凝土的结构疲劳成为工程设计中不 可忽视的问题 。 从大量的试验结论可知_ 】 , 混凝土的疲劳变形可分为 3 个阶段 , 其中线性发展的第 2阶段 占疲劳寿命 的 7 5 8 0 。王瑞敏等_ l 研究了混凝土疲劳破坏的机 理及其概 率分布规律, 试验采用 1 0 c m1 0 c m3 0 c m 的棱柱体试 件 。根据试验数据分析, 研究者将重复荷载作用下混凝土的 纵向总变形分为 3 个阶段 : 第 1 阶段 ( 混凝土 内部微裂缝形 成阶段) , 混凝土的纵向总变形开始发展较快 , 随后其增长速
13、 率逐渐降低 , 第 1 阶段大约 占总疲劳寿命 的 1 0 ; 第 2阶段 ( 线性损伤发展阶段) , 混凝土的纵向总变形增长速率基本 为 定值 , 混凝土的纵向总变形和纵 向残余变形随荷载重复次数 的增加基本呈线性规律变化 , 这一阶段占疲劳寿命的 7 5 左 右 ; 第 3 阶段( 裂缝的不稳定扩展阶段 ) , 混凝土的纵 向总变 形和残余变形发展很快 , 试件很快破坏 , 这一阶段 大约 占混 凝土总疲劳寿命的 1 5 。李朝阳等 1 。 以单轴等幅抗压疲劳 试验为基础, 深人分析了疲劳变形 的三 阶段特性, 经过试验 结果的拟合分析 , 得到了混凝土疲劳残余应变随疲劳加载 的 应力水
14、平变化的三阶段线性模型, 即疲劳变形方程。国外一 些学者认为 蜘, 对于给定材料, 当该材料内部 的裂缝长度达 到某一临界长度后 , 将发生不稳定扩展 , 而与所施加 的荷载 种类和荷载历程无关。根据这一观点 , 可以认 为对混凝土材 料而言 , 当混凝土内部裂缝发生不稳定扩展 时, 该裂缝的临 界长度是一定的, 这一临界长度取决于混凝土材料的本身性 质。对一次加载而言 , 超过这一数值后 , 混凝 土的纵 向总变 形迅速增加 ; 而对疲劳破坏而言, 当超过这一数值后 , 随荷载 作用次数的增加, 混凝土纵横 向变形急剧增加 , 在试件表面 可见明显的沿加载方 向的纵向裂缝 , 试件很快破坏
15、, 所以可 以取裂缝失稳扩展时的I 临界裂缝长度或混凝土 的纵 向总应 变作为判断混凝土破坏 的疲劳破坏准则 。由于裂缝失稳扩 展时的临界裂缝长度较难确定 , 故取失稳扩展时混凝土的纵 向总应变作为混凝 土的疲劳破坏准则。这一 结论 同 J 0 H o l me n E D 给出的“ 可 以利用混凝土极限应变作为混凝土的 疲劳破坏准则” 是一致的。王瑞敏等 1 4 , 1 5 认为混凝 土的疲劳 破坏和静载破坏均是 由于裂缝 的形成发展及不稳定扩展而 导致的 , 两者的破坏机理是一致的, 并建立 了基于应变的破 坏准则公式 , 准确地预测了混凝土在等 幅重复荷载作用下的 疲劳寿命。 对受压混凝
16、土的疲劳特性研究表 明, 应变循环 次数 比的 变化过程与试件的应变发展过程相同 。在短期试验, 即常 应力水平下试件在几小时内破坏 的情况下, 总的应变可以看 成是应力水平的函数而与破坏 的循环次数无关 。在长期试 验中, 总应变作为应力水平 的函数 , 且随时间的延长而增加。 研究者给出了长期试验总应变与应力水平和循环次数 的关 系式 , 并指出以极限应变作为混凝土 的破坏准则 , 通过实测 的最大正应变来预测混凝土的残余寿命 。 S a i t i o 等 2 阳 给出了单轴受拉状态下混凝土的循 环应力一 应变曲线, 这些 曲线几乎是线性 的, 总应变和残余应变增加 , 而弹性应变基本保
17、持不变, 在即将破坏时最大应变保持一个 常量。C o r n e 1 i s s e n L 在研究 中也发现 了类似 的特性 。吕培 应等 2 。 研究了混凝土梁弯曲疲劳 , 研究得出在破坏时混凝土 最大应变随循环总数的变化很小, 其最大应变值约为 2 5 0 X 1 0 。 目前, 关于混凝土在压一 拉循环应力状态下的疲劳试验研 究很少。大连理工大学进行的拉一 压疲劳试验得 出在疲 劳加 载应力水平范围内, 混凝土疲劳总应变的发展呈现 明显的三 阶段规律l_ 】 , 与王瑞敏等 1 4 1 5 研究得出的规律相同。实测结 果表明, 混凝土在受拉疲劳破坏前 的总应变在( 9 5 1 1 0
18、) 1 O 之间, 这一数 值接近混凝 土静载受拉破坏时的极 限应 变 。并建立了压一 拉疲劳破坏 的最大应变与循环次数之 间的 经验公式 。并根据第 2阶段 的应变特点和其时问 占总寿命 7 5 的特点, 建立了该阶段应变变化率与疲劳寿命之间的关 系, 可以简便地预测混凝土结构的疲劳残余寿命 。 大连理工大学针对 1 0 c m1 0 c m1 0 c m 的立方体试 件进行了大量的定侧压作用下的疲劳试验 , 包括疲劳荷 载为 波动压 、 波动拉和波动拉一 压情况下 的单侧压和双侧压疲劳试 验_ 2 。研究成果表 明, 疲劳破坏的应变发展呈 三阶段规 律 , 其破坏的主要原因仍是疲劳应变达到
19、一定极限。无论是 单侧定压还是双侧定压 , 在相同侧压力的约束 下, 应力水平 越高则其疲劳的最大应变和最小应变值越大。 根据上述国内外研究成果可知 , 混凝土疲劳破坏的本质 是由于混凝土内部裂纹 的扩展而导致总应变累积达到一定 值, 在疲劳荷载作用下应变的发展规律具有明显的三阶段规 律 , 不同类型的疲劳荷载作用时混凝土的极限应变会有所差 异。 1 2 徐变作用下混凝土的损伤 在持续恒定荷载作用下, 混凝土结构的变形随时间延长 而不断增加的现象, 称为混凝土的徐变。混凝土在持续应力 作用下, 将产生瞬时变形和徐变变形。瞬时变形包括可恢复 的弹性变形和不可恢复的塑性变形 ; 徐变变形 又可分为
20、迟后 弹性变形和不可恢复的流变变形 2 5 , 2 6 。一般徐变 比瞬时弹 性变形大 1 3 倍 , 因此在结构设计时徐变是一个不可忽略 的重要因素_ 2 引 。早在 1 9世纪时 , 混凝土材料 就广泛应用。 1 9 0 5年威尔逊( I HWo o l s o n ) 发现, 钢管中的混凝土有流 动现象 ; 1 9 0 7 年美国材料试验学会( A S T M) 首先报道了钢筋 混凝土梁的徐变试验 ; 1 9 1 5年姆克米莱 ( F R Mc mi l l a n ) 进 行了混凝土加荷与不加荷时变形的试验 ; 1 9 1 7年史密斯 ( E B S mi t h ) 在美 国混凝土学
21、会( ACI ) 杂志上发表了混凝土徐变 与徐变恢复的试验成果 ; 1 9 3 1 年戴维斯 ( R E D a v i s ) 等对混 凝土的徐变性能进行系统研究 。自此人们对徐变性能才有 了较明确的认识 , 前后历经 3 O 年【 l2 。 影响混凝土结构徐变的因素分为 内部因素和外部 因素。 内部因素主要有水泥的品种 、 骨料的品种 、 水灰 比、 外加剂、 粉煤灰等, 外部因素主要有加荷龄期、 加荷应力 、 持荷时间、 湿度、 温度 、 构件的尺寸及形状等_ 2 8 如此繁多 的因素要在 9 4 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4年 5月( 上) 第 2 8卷第 5期 徐变本构关系
22、中完全考虑几乎是不可能的, 故而一般的徐变 方程仅仅考虑 了龄期 、 持荷 时间和荷载 3 个 最主要影 响因 素 , 其他因素在徐变方程中一般用材料常数或影 响系数的形 式予以考虑。 根据混凝土徐变和持续荷载之间的关系, 徐变 可分为线 性徐变和非线性徐变I 。一般认为, 当应力和瞬时强度之 比 低于 0 4 0 5 时, 应力和徐变之间近似表现为线性关 系; 而 高于 0 4 0 5时, 应力和徐变之间开始表现出明显的非线性 。 目前 , 解释混凝土徐变机理的理论很 多, 主要有粘弹性 理论 、 渗出理论 、 粘性 流动理论 、 塑性流动理论 、 内力平衡理 论及微裂缝理论。目前没有一种徐
23、变理论 能成功解释所有 徐变现象 , 但把几种理论结合起来解释会得到 比较满意的结 果。目前对混凝土徐变通常的解释是徐变有 2 个原因 2 : 其 一 是混凝土硬结以后, 骨料之间的水泥浆中部分尚未转化为 结晶体的水泥凝胶体 向水泥结晶体应力重分布所造成 的结 果 ; 其二是混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不 断发展和 增加的结果 。当应力不大 时, 徐变 的发展 以第一个原 因为 主, 当应力较大时以第二个原因为主。 高虎等 2 研究 了混凝土双轴压缩徐变试验 , 测定了多轴 混凝土徐变试件 的强度 , 并 比较 了同龄期混凝土 的受力强 度 , 研究了混凝土在双轴压缩应力下的微观切片的裂缝
24、发展 情况 , 认为低应力水平下( 3 0 的极限强度) 压缩徐变试件强 度并不降低 , 低应力下的压缩徐变变形并不以试件的损伤为 代价 。B a z a n t 。 。 。 认为混凝土徐变的非线性有 2种: 一种是在 低应力( 工作应力) 作用下 由于混凝土的老化而引起 的持荷 后期变形减小 , 即混凝土的刚性增大, 类似材料适应 了载荷 , B a z a n t 称低应力下的非线性造成的刚性增加为非线性适应 ; 另一种是在高应力作用下 , 材料刚性减弱 出现非弹性 , 徐变 变形增大, 称之为非线性徐变, 有点类似于金属材料屈服后 出现的塑性流动 。对 于这种应力下出现 的刚性下降 的成
25、因 和机制 , B a z a n t 认 为主要是 由于粘 塑性滑动和微裂缝 的扩 展, 前者在较低的静水压力下 占统治地位 , 后者则在较高的 静水压力下 占统治地位。 不少学者对各种强度 的混凝土在 实验室条件下承受长 期高应力作用下的徐变特性进行了研究 3 , 大量试验证实, 在高应力作用下, 微裂缝的发展是混凝土徐变损伤破坏的最 重要原因。研究得 出各种混凝土 的长期强度大致 为瞬时强 度的 0 7 5 0 8 5 倍 , 而当应力水平高于长期强度时就会发 生徐变破坏。朱伯芳 3 给出了在持续荷载作用下持荷时间 对混凝土抗压强度的影响 , 假定在常规加荷速度时能 承受的 荷载为 P,
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