钢纤维混凝土弯曲疲劳性能研究.doc

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1、钢纤维混凝土弯曲疲劳性能研究仰建岗，刘伟，王秉纲 0前言　　在混凝土中掺入钢纤维能显著地提高混凝土的抗拉强度、抗弯拉强度、抗冻性、抗冲性、抗磨性和抗疲劳性能。在路面工程中应用可以明显减薄面层厚度，提高路面使用功能和耐久性。本文在实验研究的基础上，综合钢纤维的体积率和长径比对SFRC弯曲疲劳特性的影响，提出了新的弯曲疲劳方程，供修订混凝土路面设计规范时参考。1普通混凝土弯曲疲劳方程　　对疲劳方程的问题，国内外许多学者和机构进行大量的研究工作，主要采取单对数和双对数两种不同形式的疲劳工程。Feret首先进行了混凝土的弯曲疲劳试验，其后Kesler、Gallow

2、ay、HusWirschilling、Mcall、Ballinger、永松静也等人都对混凝土材料的弯曲疲劳特性进行了分析研究，他们采用单对数形式在加载次数N为102~107范围内得出线性疲劳方程序结构 式中，Qmax--反复应力最大值；　　　fr--混凝土的弯拉强度；　　　a，b--疲劳试验确定的系数。 　　Darter在弯拉疲劳试验结果基础上，整理出失效概率为50%时的回归系数a=1.0，b=0.0568。比利时的Veverka等得出的试验结果为a=1.0，b=0.05。式（1）所地的疲劳方程，是在低应力保持不变（等于或接近于0）而施加不同级位高应力的循

3、环加荷情况下得到的。但实际上混凝土面层随的是行车荷载和温度两方面的交替作用。没有行车荷载时，面层受到幅度变化的温度应力的反复作用，构成了混凝土所承受的循环应力的低应力。当作用有行车荷载时，面层承受荷载和温度的综合反复作用，此综合应力构成了循环应力的高应力。因而，混凝土面层受到的是高、低应力反复作用。为了使疲劳方程反映出这种加荷情况对混凝土疲劳寿命的影响，挪威的Aas-jaconson在式（1）中引入一项低应力与高应力之比的系数R，下述形式的疲劳方程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)式中，　　这种形式的疲劳方程较好地反映了混凝土的疲劳寿命随

4、低应力的提高而增加并呈线性关系的规律。Aas-Jascbson通过试验得到的系数值为a=1.0，b=0.064。随后Tepfers以主西班牙的Farriga等都采用不同的低应力进行了混凝土试件受拉（劈裂）和受压的疲劳试验，也证实了上述关系式。Farriga得出的试验系数为a=1.0，b=0.091。Tepfers得出在S≥0.80时试验结果的离散性很大。　　同济大学也采用不同低应力进行了混凝土的弯曲疲劳试验，得到在失效概率50%时式（2）形式的疲劳方程，系数为a=0.999，b=0.0724，同时整理得到相关性很好的双对数形式的疲劳方程　　　　　　　　　　

5、　　lgS=lga-0.0422（1-）lgN　　　　　　　　(3)式中,a--回归系数。　　西安公路交通大学（现长安大学）针对目前交通组成中超、重载较多从而引起混凝土板实际应力水平较高的情况，重点作了应力水平在0.85以上的室内小梁弯曲疲劳试验，同样得到相关性很好的双对数形式疲劳方程（保证率50%）　　　　　　　　　　　　　lgS=lga-0.0388（1-）lgN　　　　　　　　（4）　　我国现行水泥混凝土路面设计中，对普通混凝土路面的疲劳应力系数的规定，主要考虑荷载应力和温度应力对路面的作用，通过室内小梁试验得到考虑应力重复作用的疲劳方程　　　　　　

6、　　　　　　　　　　　　(5)式中，　--荷载疲劳应力，MPa；　　　　--温度疲劳应力，MPa；　　　　fcm--混凝土弯拉强度，MPa；　　　　α、b--回归系数由式（5）可得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）　　由于水泥混凝土路面面板的受力状况与室内小梁试验不尽一致，并考虑一定的保证率，在规范中选取系数b=0.0516和a=1.0。从而得到疲劳应力系数关系式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)式中，为考虑设计使用年限内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。2SFRC疲劳方程　　SFRC优良的耐疲劳特性，主要来自于SFR

7、C的阻裂能力。而阻裂能力的高低又直接受纤维间距和界面效应的影响。通过对SFRC实验数据回归分析可以得出考虑钢纤维的体积率和长径比的疲劳方程。与普通混凝土弯曲疲劳方程相仿，SFRC的弯曲疲劳方程也有单对数和双对数形式，如公式（8）和公式（9）。整理由切削型钢纤维配制的SPRC的弯曲试验数据（114组），单对数疲劳方程的一般形式为公式（10），双对数疲劳方程形式如公式（11）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)以上两式中，的为钢纤维的体积率，为钢纤维的和度，为钢纤维的等效直径，即为钢纤维的长度直径比，简称长

8、径比。　　　　　　　　　　　　　　　(10)