鋼纖維混凝土彎曲疲勞性能研究

仰建崗,劉偉,王秉綱

 

0 前言

   在混凝土中摻入鋼纖維能顯著地提高混凝土的抗拉強度、抗彎拉強度、抗凍性、抗沖性、抗磨性和抗疲勞性能。在路面工程中應用可以明顯減薄面層厚度,提高路面使用功能和耐久性。本文在實驗研究的基礎上,綜合鋼纖維的體積率和長徑比對SFRC彎曲疲勞特性的影響,提出了新的彎曲疲勞方程,供修訂混凝土路面設計規范時參考。

1 普通混凝土彎曲疲勞方程

  對疲勞方程的問題,國內外許多學者和機構進行大量的研究工作,主要采取單對數和雙對數兩種不同形式的疲勞工程。Feret首先進行了混凝土的彎曲疲勞試驗,其后Kesler、Galloway、Hus Wirschilling、Mcall、Ballinger、永松靜也等人都對混凝土材料的彎曲疲勞特性進行了分析研究,他們采用單對數形式在加載次數N為102~107范圍內得出線性疲勞方程序結構

 

式中,Qmax--反復應力最大值;

fr--混凝土的彎拉強度;

a,b--疲勞試驗確定的系數。

   Darter在彎拉疲勞試驗結果基礎上,整理出失效概率為50%時的回歸系數a=1.0,b=0.0568。比利時的Veverka等得出的試驗結果為a=1.0,b=0.05。

式(1)所地的疲勞方程,是在低應力保持不變(等于或接近于0)而施加不同級位高應力的循環加荷情況下得到的。但實際上混凝土面層隨的是行車荷載和溫度兩方面的交替作用。沒有行車荷載時,面層受到幅度變化的溫度應力的反復作用,構成了混凝土所承受的循環應力的低應力。當作用有行車荷載時,面層承受荷載和溫度的綜合反復作用,此綜合應力構成了循環應力的高應力。因而,混凝土面層受到的是高、低應力反復作用。為了使疲勞方程反映出這種加荷情況對混凝土疲勞壽命的影響,挪威的Aas-jaconson在式(1)中引入一項低應力與高應力之比的系數R,下述形式的疲勞方程

               (2)

式中,

  這種形式的疲勞方程較好地反映了混凝土的疲勞壽命隨低應力的提高而增加并呈線性關系的規律。Aas-Jascbson通過試驗得到的系數值為a=1.0,b=0.064。隨后Tepfers以主西班牙的Farriga等都采用不同的低應力進行了混凝土試件受拉(劈裂)和受壓的疲勞試驗,也證實了上述關系式。Farriga得出的試驗系數為a=1.0,b=0.091。Tepfers得出在S≥0.80時試驗結果的離散性很大。

  同濟大學也采用不同低應力進行了混凝土的彎曲疲勞試驗,得到在失效概率50%時式(2)形式的疲勞方程,系數為a=0.999,b=0.0724,同時整理得到相關性很好的雙對數形式的疲勞方程

lgS=lga-0.0422(1-)lgN         (3)

式中,a--回歸系數。

  西安公路交通大學(現長安大學)針對目前交通組成中超、重載較多從而引起混凝土板實際應力水平較高的情況,重點作了應力水平在0.85以上的室內小梁彎曲疲勞試驗,同樣得到相關性很好的雙對數形式疲勞方程(保證率50%)

lgS=lga-0.0388(1-)lgN         (4)

  我國現行水泥混凝土路面設計中,對普通混凝土路面的疲勞應力系數的規定,主要考慮荷載應力和溫度應力對路面的作用,通過室內小梁試驗得到考慮應力重復作用的疲勞方程

             (5)

式中,  --荷載疲勞應力,MPa;

--溫度疲勞應力,MPa;

fcm--混凝土彎拉強度,MPa;

α、b--回歸系數

由式(5)可得

                   (6)

  由于水泥混凝土路面面板的受力狀況與室內小梁試驗不盡一致,并考慮一定的保證率,在規范中選取系數b=0.0516和a=1.0。從而得到疲勞應力系數關系式

                 (7)

式中, 為考慮設計使用年限內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數。

2 SFRC疲勞方程

SFRC優良的耐疲勞特性,主要來自于SFRC的阻裂能力。而阻裂能力的高低又直接受纖維間距和界面效應的影響。通過對SFRC實驗數據回歸分析可以得出考慮鋼纖維的體積率和長徑比的疲勞方程。與普通混凝土彎曲疲勞方程相仿,SFRC的彎曲疲勞方程也有單對數和雙對數形式,如公式(8)和公式(9)。整理由切削型鋼纖維配制的SPRC的彎曲試驗數據(114組),單對數疲勞方程的一般形式為公式(10),雙對數疲勞方程形式如公式(11)

                (8) 

               (9)

以上兩式中, 的為鋼纖維的體積率, 為鋼纖維的和度, 為鋼纖維的等效直徑, 即為鋼纖維的長度直徑比,簡稱長徑比。

        (10) 

     (11)

  為了得到99.87安全保證率,減去3倍回歸誤差 ,由式(10)得單對數疲勞方程 

            (12)

  同樣為了得到99.87%安全保證率,減去3倍回歸誤差 ,由式  (11)得雙對數疲勞方程

           (13)    對于熔抽型鋼纖維,文獻[3,4]提出,當熔抽纖維體積率為1.0%時,經室內小梁疲勞試驗得出的疲勞方程為 

 +(0.03597+0.02039lgN)R/2      (14)

  當特重、重交通量時R取0.1,中等和輕交通量時R取0。R取0.1時,公式(14)可變成為

S=1.09927-0.07817(1-R)lgN             (15)

  將熔抽型鋼纖維試驗數據(12組)代入式(15),回歸成公式(8)的單對數疲勞方程,與式(10)相同,同樣減去3倍回歸誤差可得式(12)。類似地,可得到雙對數形式的疲勞方程

          (16)

與式(11)基本相同,減去3倍回歸誤差可近似得式(13)

  對文獻[8]提出的熔抽型纖維的疲勞方程

    單對數:R=0.15, S=1.1012-0.0699lgN

R=0.20, S=1.1048-0.066lgN

    雙對數:lgS=lg1.1280-0.04016(1-R)lgN

  與本文建立的疲勞方程

    單對數: R=0.15, S=1.099-0.0686lgN

R=0.20, S=1.099-0.0629lgN

    雙對數:lgS=lg1.153-0.04314(1-R)lgN

  進行了比較后可知兩種方程基本相同。

  現行混凝土路面設計規范,荷載的疲勞影響以疲勞系數的形式表示在荷載疲勞應力計算公式[2]中。由雙對數疲勞方程得疲勞系數公式(7)。因此,由式(13)取a=1.0可得SFRC疲勞系數

                 (17)

  在疲勞方程的建立過程中,分別采用了直線和二次曲線擬合,并對線性疲勞方程與二次曲線疲勞方程進行對比.通過對比分析得知,二次曲線方程的相關系數值略高于線性方程。對疲勞方程的建立影響不大。為了與現行規范保持一致,仍采用線性疲勞方程。

3 比較與分析

SFRC疲勞方程與素混凝土疲勞方程的最大不同點是包含了鋼纖維體積率、鋼纖維長徑比,即在混凝土基材中摻入不同體積率和長徑比的鋼纖維。因此,SFRC的疲勞性能不僅受混凝土基材疲勞特性的影響,而且,是影響疲勞壽命的重要因素。我國有關設計規范中,沒有SFRC疲勞應力系數的規定,只是簡單套用較早的普通混凝土路面的疲勞方程,加上鋼纖維的體積率和長徑比對疲勞性能的影響。本文在SFRC的疲勞試驗數據的基礎上,進行回歸得出了切削型SFRC的疲勞方程。同時對熔抽型SFRC進行了分析。得出熔抽型SFRC與切削型SFRC的疲勞方程基本一致。圖1為不同的鋼纖維混凝土與普通混凝土的疲勞特性的比較。從圖中可以看出:當疲勞壽命N相同,應力比S隨 增大而提高,當N為106時,應力比S分別為0.606,0.624,0.642, 0.664。而普通混凝土的應力比S為0.482。可見,SFRC的疲勞強度得到顯著的提高。當應力比S一定時,SFRC疲勞次數N明顯增大。 由0.58增大到1.05時,疲勞次數分別為5.426×105,9.732×105,1.843×106,4.414×106。與普通混凝土的疲勞次數為1.389×104相比,疲勞次數可提高2個數量級,抗疲勞性能得到極大的提高。

圖1

 

4.結語

   本文充分考慮鋼纖維的影響,求得了SFRC的應力比S,疲勞壽命N, 者之間的關系。在實驗的以及R四基礎上,經過回歸分析,建立SFRC的疲勞方程,單對數形式為

   雙對數形式為   

并提出了疲勞系數 的表達式為

  與規范方法相比,所提出的疲勞方程和疲勞系數更加合理,可供修訂規范時參考使用。

                           (摘自《公路交通科技》2002年第2期)

 
 

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