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《混凝土材料疲劳损伤方程的建立》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第18卷第1期重庆交通学院学报1999年3月Vol.18No.1JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGINSTITUTEMar.1999混凝土材料疲劳损伤方程的建立赵永利孙伟(南京东南大学交通运输工程系,210096)(南京东南大学材料科学与工程系,210096)摘要损伤力学是60、70年代以来,固体力学的一个新的发展方向,笔者利用损伤力学的基本概念,对混凝土的疲劳过程进行了理论分析.提出了实际应力比的概念,讨论了疲劳过程中实际应力比的变化规律,并由此定义了疲劳损伤变量,得到了以混凝土材料疲劳寿命方程
2、为基础的疲劳损伤方程,并进而得到了可以预测在疲劳过程中混凝土材料的剩余强度的方程.关键词:混凝土,疲劳,损伤,剩余强度0前言疲劳是材料破坏的主要形式之一,混凝土作为应用范围最广的建筑材料,在许多场合中都承受着疲劳荷载的作用,特别是公路路面、桥面、铁路轨枕、机场道面等处对混凝土材料的疲劳性能有很高的要求.1970年Aas-Jakobsen提出了著名的混凝土材料疲劳寿命公式:R=1-(1-d)Ulg(N),其中R为应力比,定义为作用在试件上的最大荷载Pmax与材料的极限承载能力e之比;d是荷载循环特征值,即循环荷载的最
3、小值与最大值之比,一般取0.1或0.2;U为实验参数,对于某一特定混凝土材料,U为定值,Aas-Jakobsen建议U=0.0640;N为混凝土的疲劳寿命,即在应力比R作用下混凝土所能承受的最大疲劳次数.由疲劳寿命方程可知混凝土的疲劳寿命取决于荷载性质和材料性质,由于此公式物理意义清楚、使用方便,[1]所以该公式至今仍在广泛使用.随着研究的不断深入,人们不仅关心材料的疲劳寿命,而且更关心材料的疲劳过程,疲劳过程是一个在循环荷载作用下的长期而复杂的过程,在这个过程中,材料的性能不断的发生变化.对于混凝土材料,从微观角
4、度来看,其性能的变化主要表现为微裂纹的引发与扩展.由于混凝土材料在其整个生命的各个阶段都可能产生裂纹,如成型时引进的气孔、水化时形成的毛细孔、水化过程中膨胀、收缩所产生的微裂纹、荷载引发的裂纹、后期由于徐变、腐蚀而产生的微裂纹等.材料中这些原始的微小缺陷,在疲劳应力的作用下,局部将产生应力集中形成一个高能区.随着疲劳次数的增加,高能区通过塑性变形和裂纹的扩展使能量得以收稿日期:1998-05-29.赵永利,男,1971年生,助教(硕士).*本课题为国家自然科学基金资助项目(59372104)18重庆交通学院学报第1
5、8卷[2]释放,同时材料抵抗外力的能力降低,材料表现出软化趋势;随着疲劳次数的进一步增加,在刚扩展过的裂纹尖端又将形成一个高能区,裂纹将再次扩展;因此,从微观角度来看,混凝土材料的疲劳过程也就是一个裂纹引发、扩展、回复、再引发、再扩展、再回复直至破坏[3]的过程;从宏观角度来看,裂纹的这种发展过程,表现为材料损伤的逐步积累和材料性能的逐步劣化的过程.损伤是材料结构组织在外界因素作用下发生的力学性能劣化,并导致体积单元破坏的现[4]象.损伤力学最早是由前苏联塑性力学家Качанов提出的,他在1958年研究蠕变断裂时
6、,第[5]一次引进了“连续性因子”和“有效因子”的概念,以后Pаботнов又进一步引进了“损伤因子”的概念.70年代中后期,各国学者相继采用连续介质力学的方法,把损伤因子作为一种场变量,并称为损伤变量,当损伤变量为0时表明材料处于完好状态,当损伤变量达到1时表明材料已临界破坏.因此以损伤力学的观点来看,无论疲劳寿命是几次,还是几百万次,也无论整个寿命期[6]间,荷载的变化规律如何,疲劳的实质,都是随着循环次数的增加,损伤逐步积累的过程.而疲劳课题研究的重要目的,就是预测材料的疲劳特性,首先是认识损伤产生和累积的过
7、程,[7]以便建立损伤——容限方程,为材料疲劳寿命的计算和设计打下基础.因此本文以损伤力学为基础,对混凝土材料的疲劳损伤过程和疲劳损伤寿命进行了分析讨论,建立了疲劳损伤方程和疲劳剩余寿命方程.1疲劳损伤方程的建立在疲劳荷载作用下,混凝土内部的损伤不断的增加,由于损伤对材料力学性能的“腐蚀”作用,而使试件的极限承载能力不断下降;因此,循环荷载的最大值与材料实际承载能力之比在不断增加.若将循环荷载的最大值Pmax与混凝土极限承载能力ffc的比值定义为初始应力比R0,而将循环荷载的最大值Pmax与疲劳过程中混凝土的实际承
8、载能力f′fc的比值定义为实际应力比R′;则可以看出,疲劳过程刚开始时R′=R0,随着疲劳次数的增加,混凝土的实际承载能力f′fc逐渐下降,而使实际应力比R′逐渐增加,当实际应力比增加到1时,材料的极限承载能力已经等于循环荷载的最大值了,因此在荷载作用下混凝土材料将破坏.所以可以用实际应力比的变化,来表征材料受到的损伤程度,即将损伤变量D定义为实际应力比R′
