3国内结构混凝土疲劳性能研究现状_刘巍

国内结构混凝土疲劳性能研究现状

刘　巍１，荣　辉２

（）兰州７南京２１　兰新铁路甘青有限公司，３００００；２　东南大学材料学院，１１１８９

摘要　　对国内结构混凝土疲劳性能的研究动态进行了较为全面详细的阐述。着重阐述了应用较多的钢筋预高强混凝土、高性能混凝土、纤维混凝土的疲劳研究，同时简单介绍了活性粉末混凝土和多孔混凝土疲应力混凝土、

劳性能的研究。通过对国内各类结构混凝土疲劳性能研究现状分析，以期对国内研究者以后研究混凝土疲劳性能有所帮助。最后提出研究结构混凝土在多重环境因素耦合作用下疲劳性能的必要性。

关键词　　疲劳　钢筋混凝土　高强混凝土　高性能混凝土　活性粉末混凝土　多孔混凝土

ＳｔｕｄｏｎＦａｔｉｕｅＰｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｎｃｒｅｔｅｉｎＣｈｉｎａ　　　　　　　ｙｇｐ　

１２

，ＬＩＵ　ＷｅｉＲＯＮＧ　Ｈｕｉ　　

（，，，１　ＧａｎｓｕａｎｄＱｉｎｈａｉＣｏ．Ｌｔｄ．ＬａｎｉｎＲａｉｌｗａＬａｎｚｈｏｕ７３００００；２　ＣｏｌｌｅｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ　　　－Ｘ　　　　　　ｇｙｇ

，，Ｎ）ＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔａｎｉｎ２１１１８９　ｇｇｙｊｇ　

Ａｂｓｔｒａｃｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆａｔｉｕｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓｅｘｌａｉｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｆａｔｉｕｅｒｏｅｒ　　Ｔ　　　　　　　　　　　　　－ｇｐｐｇｐｐ，，，，ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｏｆｓｔｅｅｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｈｉｈｓｔｒｅｎｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｈｉｈｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｂｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｒｅ　　　　　　　　　　－ｐｙｇｇｇ　

，ｏｗｄｅｒｏｒｏｕｓｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅｃｔｉｖｅｌ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｆａｔｉｕｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅａｒｅ　　　　　　　　　　　　ｐｐｐｐｙｇ，ｆａｔｉｕｅｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎＣｈｉｎａｉｓａｎａｌｓｅｄａｎｄｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｆｉｎａｌｌ　　　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｙｙｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｆａｔｉｕｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｃｏｕｌｉｎｍｕｌｔｉｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｆａｃ　　　　　　　　　　　　　－ｐｙｇｐｇｐ　　ｔｏｒｓ．

，，，，ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｗｄｅｒＫｅｗｏｒｄｓｆａｔｉｕｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｈｉｈｓｔｒｅｎｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｈｉｈｃｏｎｃｒｅｔｅｒｅａｃｔｉｖｅ　　　　　　　　ｐｐｇｇｇｇｙ　，ｃｏｎｃｒｅｔｅｏｒｏｕｓｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐ

　　疲劳是指材料在小于静载强度的荷载重复作用下所发

生的内部性能变化过程，这种变化可能是由损伤导致裂纹进一步扩展或荷载达到足够重复次数后的完全断裂引起的，它构件和结构最主要的破坏形式之一。混凝土结构是是材料、

当今世界上使用最广泛的结构形式之一，这类结构对建造和技术合理性和经济性有着重要的影使用过程中的安全性、

响，历来是结构工程人员深入研究的课题。本文总结了１０年来国内对各类结构混凝土疲劳性能的研究情况，并讨论了当前研究混凝土结构疲劳性能存在的问题。

尤其是循环荷载作用下的界面疲劳问题更加不可忽视。性，

［］

２００３年北京交通大学的陈艳华等１针对钢筋与混凝土界面疲劳特性研究不多的现状，基于已有的纤维增强复合材

采用单筋布置的同轴圆柱体－剪切筒料界面疲劳的研究理论，

）。作为简化钢筋混凝土试件的几何模型（见图１

）该模型相应的柱坐标系选取如图１（所示，图１（为ａｂ））裂纹扩展示意图。由图１（可见，直径为２ａａ的钢筋沿轴向埋入外径为２混凝土基体底部置于试验台上，ｂ的混凝土中，（）／模型顶端完全自由，外加疲劳荷载σ其ｔＣｓ施于钢筋下端，

２２

／中Ｃ为钢筋的体积比。图１中ｌ为界面脱粘长度，ａｂＬｓ＝

为试件整体长度。他们在图１的几何模型基础上，同时考虑

１　钢筋预应力混凝土疲劳性能研究现状

１．１　钢筋与混凝土界面处疲劳特性研究

钢筋混凝土以其优越的复合材料特性被广泛应用于建筑领域。在实际工程中，许多钢筋混凝土结构如铁路桥梁、公路桥梁、吊车梁及海洋平台等除了承受静荷载作用外，还会承受循环荷载的作用，并时常伴有混凝土开裂和钢筋拉断等现象发生。当混凝土裂缝发展到一定程度后，在裂缝附近通常会出现沿钢筋方向的界面脱粘，这对混凝土横向开裂起到一定的延缓作用，而此时钢筋将继续承受外加荷载的作用直至完全拔出或拉断。由此可以看出界面脱粘研究的重要

钢筋与混凝土界面疲劳损伤不均匀性及由热收缩和泊松效给出界面脱粘应力及界面疲劳裂纹扩应引起界面法向压力，

展速率的表达式，这两种表达式均与界面脱粘长度和循环次摩擦系数的衰减程度是影响界面脱数有关。研究结果表明，

粘应力及裂纹扩展的主要因素，而且材料的尺寸效应对界面

２］疲劳特性的影响也不容忽视。２崔畅等［在２００５年，００３年

的研究基础上分别研究了线性衰减模型、幂指数衰减模型和修正的幂指数模型３种不同界面损伤模型下脱粘界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度与循环加载次数的关系。研究结果

：：男，助理工程师，从事混凝土施工　Ｅ－ｍ通讯作者　Ｅ－ｍ１９８３年生，ａｉｌｘｉａｏｚｈｕｒｏｎｈｕｉ２６．ｃｏｍ　荣辉：ａｉｌｘｉａｏｚｈｕｒｏｎｈｕｉ＠１　刘巍：ｇｇ２６．ｃｏｍ＠１

国内结构混凝土疲劳性能研究现状／刘　巍等

表明，经过修正的线性衰减模型（和修正的幂指数衰减模Ⅰ）型（模拟的界面脱粘具有共同点，即损伤的发展均可分为Ⅲ）第１阶段，初始裂纹在一定循环次数内不会扩展；３个阶段：第２阶段，随着循环荷载作用次数的增加，疲劳裂纹开始扩且会出现一个扩展的峰值，此阶段，既有由于界面不断磨展，

损促进裂纹加速扩展的因素，也有由于裂纹扩展新增的开裂界面阻止裂纹扩展的因素，当两者作用相当时，裂纹扩展即第３阶段，裂纹扩展速率下降并逐渐趋于平缓。达到峰值；

由于模型Ⅰ、Ⅲ均考虑了脱粘界面上损伤分布的不均匀性，所以得到的结果对长试件更合理，见图２和图３。而根据幂指数衰减模型（计算的结果表明，在相当长的循环内界面Ⅱ）但随后损伤急剧增长，由此可知，此模的损伤增长非常缓慢，

型不适合长试件，而较适合于混凝土短试件。

·１３５·

端情况。试验结果表明，局部无黏结梁中钢筋的疲劳断裂位置都处在有无黏结的分界面上；试验梁的刚度随跨中完全无荷载水平越高，刚度退化越明黏结区段长度的增加而减小，

显；试验梁中钢筋的应力范围是影响梁疲劳寿命的最主要因锈后钢筋混凝土梁疲劳寿命的降低主要是由钢筋的截面素；

积减小和疲劳强度退化引起的，与黏结退化的关系不大，仅且荷载水平越高梁中钢筋最大应力的增大与黏结退化有关，

受黏结退化的影响越大；建议分析锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳寿命时设定黏结退化对梁的疲劳寿命无显著影响。

图３　裂纹扩展长度与加载次数的关系

Ｆｉ．３　Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｃｒａｃｋｒｏｗｔｈｌｅｎｔｈ　　　　ｇｐｇｇ　

ｌｏａｄｉｎｔｉｍｅｓａｎｄ　ｇ　

１．２　腐蚀－疲劳双重因素下对钢筋混凝土梁性能影响

的研究

　　处于腐蚀环境中的结构疲劳寿命远低于一般空气环境中的结构疲劳寿命，这表明交变应力与腐蚀介质对结构破坏称为腐蚀疲劳。处于腐蚀环境中的钢筋混凝有着共同作用，

土梁在反复荷载作用下同样也会发生腐蚀疲劳破坏。尽管疲劳破坏形式仍然是钢筋断裂，但钢筋混凝土构件的腐蚀疲对没劳有别于裸露钢筋材料的腐蚀疲劳。就试验方法而言，有缺口的材料进行腐蚀疲劳试验时，荷载系统的作用使材料材料与腐蚀介质的接触是均匀的，承受交变的均匀拉应力，

而钢筋混凝土构件中的钢筋则不同。另外，钢筋混凝土构件在荷载作用下，受拉区会产生裂缝，腐蚀介质易于侵入裂缝，钢筋不能受到混凝土的保护，且有裂缝截面的钢筋应力较无裂缝截面的大。因此构件中钢筋的腐蚀疲劳断裂有其自身的特点和规律，需要进行专门的研究。

在自然环境和使用环境中，钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀是一个电化学过程，这种过程起源于由各种原因产生的钢筋表面的电位差，电位差越大，腐蚀速度越快。通过测定构件表面的半电位，可以相对确定构件中钢筋是否腐蚀及腐蚀

４］

。程度，测定的电位越负，腐蚀的可能性及腐蚀程度越大［［］

根据上述原理，２００５年大连理工大学的贡金鑫等５对尺寸为

跨度为１．强度等级为Ｃ１２０ｍｍ×２００ｍｍ×１７００ｍｍ、５ｍ、３０的钢筋混凝土梁试件在空气环境、淡水环境和模拟的盐水环

３］

山东建筑大学的李士彬等［针对锈蚀钢筋混凝土梁弯

以及不施加荷载、施加静力荷载和高周疲劳荷载下进境下，

行了４点弯曲试验，试验环境和加载参数的组合如表１所示，每个组合有２根梁。

曲疲劳性能研究较少的现状，于２０１０年对６根局部无黏结钢筋混凝土梁进行了弯曲疲劳试验，并模拟了黏结退化的极

·１３６·材料导报Ａ：综述篇　上）第２０１１年１０月（５卷第１０期　２

表１　静动力荷载作用下钢筋混凝土梁的腐蚀试验

Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｅｓｔｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｍｕｎｄｅｒｓｔａｔｉｃａｎｄｄｎａｍｉｃｌｏａｄ　　　　　　　　　　　　　ｙ

试件编号Ｂ１－　Ｂ２－　３Ｂ－　４Ｂ－５Ｂ－Ｂ６－Ｂ７－Ｂ８－９Ｂ－Ｂ１０－　Ｂ１１－　Ｂ１２－　Ｂ１３－　

环境３．５％盐水３．５％盐水３．５％盐水

空气空气空气淡水淡水淡水３．５％盐水３．５％盐水３．５％盐水３．５％盐水

加载方式疲劳疲劳疲劳疲劳疲劳疲劳疲劳疲劳疲劳不加载静载静载静载

加载频率／Ｈｚ

１．２５　１．２５　１．２５　４．０　４．０　４．０　１．２５　１．２５　１．２５　

最大荷载／ｋＮ

３１３６．５４２３１３６．５４２３１３６．５４２０３１３６．５４２

４４

第０、次、次、１×１０５×１０４４

次、次、１０×１０２０×１０４

次……时测腐蚀电位３０×１０，放置５每１ｄ２ｈ测一次腐蚀电位４４４

第０、次、次、次、１×１０５×１０１０×１０

４４

次、次……时２０×１０３０×１０

备注

测腐蚀电位

５ｈ、２０ｈ、３２ｈ、４５ｈ、５４ｈ、６９ｈ、０、

８３ｈ、９５ｈ、１２６ｈ时测腐蚀电位

静力荷载和疲劳荷载下梁在盐水　　通过分析不施加荷载、

环境中的腐蚀电位变化，同时分析疲劳荷载下钢筋混凝土梁（淡水环境在淡水环境和盐水环境下腐蚀电位的差异得：１）（中的腐蚀要较盐水环境中的腐蚀慢；荷载对腐蚀具有促２）进作用，施加荷载较不施加荷载的腐蚀过程快，施加疲劳荷载较施加静力荷载的试件腐蚀过程快，荷载水平越高，影响（越明显。荷载的作用加快了构件电化学的过程；荷载与３）环境对钢筋混凝土构件的腐蚀具有耦合作用，不同的荷载与耦合作用的效果不同。当存在静力荷载时，盐水环境组合，

环境中的构件较淡水环境中的构件腐蚀快；当存在疲劳荷载时，构件腐蚀速度由快到慢的排列顺序是：盐水环境、淡水环境、空气环境。２贡金鑫等在钢筋混凝土梁腐蚀疲劳００５年，试验的基础上，对疲劳断裂的钢筋断口进行扫描电镜和化学分析

［６］

冻融损伤环境下的疲劳。而目前的研究情况是将疲劳与冻这样的研究不符合疲劳和冻融循环同时融分开而单独研究，

难以正确判断混凝土的损伤过程和程度。作用的客观实际，

图４　冻融循环产生的内应力Ｆｉ．４　Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｕｅｔｏｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｃｌｅ　　　　－　ｇｙ

７］

针对以上现状，江苏大学的刘荣桂等［采用三点弯曲加

。通过对空气环境中、淡水环境中和盐水环境中钢筋

的疲劳断口形貌分析，发现三者都存在疲劳源区、疲劳发展区和断裂区，而这些区域都对应着钢筋的裂纹萌生、裂纹稳定扩展和不稳定扩展的各个阶段，其中裂纹萌生是在金属表面某些位置上发生的局部过程。当此表面在腐蚀环境中暴露时，疲劳开裂过程加速。裂纹源可以是钢筋表面的原始缺陷、裂隙，也可以是由于腐蚀造成的缺陷。在循环荷载作用材料表面的缺陷易产生应力集中，为加剧局部腐蚀创造下，

了条件，加快了疲劳源的生成；疲劳裂纹的扩展包括稳定扩展和不稳定扩展两个方面。疲劳裂纹扩展区的断口相对比较光滑、平整，表现为指纹状疲劳条纹，这些条纹是裂纹在以在断口上留下的不同瞬时痕迹。光滑平不同速率的扩展中，

整的断口形貌是由裂纹开合过程中断面相互摩擦引起的。腐蚀疲劳裂纹的扩展是一个电化学作用和力学作用相结合的动力学过程。

载方式研究了不同冻融循环次数条件下长度为５横截１５ｍｍ、面为１强度等级为Ｃ００ｍｍ×１００ｍｍ、６０的５根预应力混凝土梁的疲劳性能。各构件试验过程及现象见表２。他们讨论认为在等温了混凝土结构在冻融循环条件下疲劳损伤机理，

差、等降温速度的条件下，可假设冻融循环试验在混凝土中如图４所示。混凝土结构引起的应力是锯齿状的循环荷载，

在经历一定冻融循环次数后，等效于先进行了一级疲劳加载，在混凝土结构内部形成了初始的损伤。因此，混凝土结构在冻融循环条件下的疲劳损伤就可以等效为混凝土结构在两级疲劳加载下的损伤。他们利用疲劳累积损伤理论研通过对相对动弹性究了二级疲劳荷载下混凝土结构的损伤，

建立了双因素下的损伤破坏模型。模量衰减规律的研究，

刘荣桂等建立的损伤模型为：

１．３　冻融－疲劳双重因素对钢筋混凝土梁性能影响的

研究

预应力结构产生了微损伤。因　　在长期冻融损伤环境下，

此验算这些结构在反复荷载作用下的疲劳能力时，应考虑在

ｎ）１－０．９４１８ｋ（（）２６７１１　　Ｄ＝０．

Ｎ式中：表示不同冻融循环次数对混凝土ｋｎ为冻融损伤因子，

ｎ疲劳性能的影响；ｎ为冻融次数；Ｎ为疲劳损伤次数。同时将上述模型计算的损伤度与试验测得的基于相对动弹性模量定义的损伤度进行对比，发现两者误差在１６％以内。

国内结构混凝土疲劳性能研究现状／刘　巍等

结构疲劳破坏与静态性能一样，在一定次数作用下结构破坏与否是一个不确定的事件，所以结构的疲劳性能可以用

［０］８，９］

。２提出了冻融概率的方法加以计算［００９年刘荣桂等１

·１３７·

预应力结构在低次数冻融后的疲劳相可靠度变化规出结论：

律并不明显，而当冻融次数比较高时，可靠度变化表现出比较明显的３阶段曲线关系。同时建立了考虑预应力度和冻融次数关系较为合理的多次多项式。

作用下预应力混凝土结构疲劳的可靠度概率计算方法并得

表２　５根梁的试验过程描述

Ｔａｂｌｅ２　Ｔｈｅｔｅｓｔｒｏｃｅｓｓｄｅｓｃｒｉｔｉｏｎｏｆ５ｇｉｒｄｅｒｓ　　　　　　ｐｐ

试件

试验情况

试验现象

４４

次时，发现裂缝发展缓慢，主要是原有裂缝在长度上有所发展，并当循环１×１００×１０～１

４

伴有少许新裂缝的产生。当循环至２次时，发现裂缝发展开始缓慢增加，在原有裂缝０×１０４之间产生新裂缝，并向上发展，但此时裂缝的宽度增加较小。当继续循环至５４．２６２１×１０

Ｌ１

冻融０次＋疲劳

试验

次时，梁内受拉钢筋断裂，观察构件裂缝还可以发现：主要有２条垂直裂缝，其中１条贯穿破坏，宽度超过０．构件破坏时受压区混凝土没有发生压碎的迹象２ｍｍ，

４４当循环１×１次时，发现裂缝发展比较缓慢但较Ｌ主要是原有冻融循环００×１０１要快，～１４产生的裂缝在长度上有所发展，并伴有少许新裂缝的产生；当循环至２次时，发现裂０×１０

Ｌ２

冻融２５次＋疲劳试验

４

并向上发展；循环３次以后裂缝发展比较缝发展更快。在原有裂缝之间产生新裂缝，０×１０４

平稳，当继续循环至３次时，梁内受拉钢筋断裂，观察构件裂缝还可以发现：主４．０１６３×１０

要有１条斜裂缝破坏，宽度超过０．构件破坏时可以看出受压区混凝土有明显压碎的２ｍｍ，现象

４试验初期大约５×１次裂缝发展明显，应该是冻融引起的细裂纹在疲劳荷载的作用下扩展０

Ｌ３

冻融５０次＋疲劳试验

４４

在循环初期大约２次之前，裂缝发展比较缓慢，到４次后梁内受拉所至，０×１０２．７１９８×１０

钢筋断裂，观察构件可以看出：主要由２条裂缝以中间１条贯穿破坏为主，裂缝宽度已经很超过了０．但受压区混凝土并未压碎大，２ｍｍ，

４４

当循环１×１次时，发现裂缝发展较快，主要形成３条裂缝，并伴有少许新裂缝的００～５×１４

当循环至３次之后，发现裂缝发展更快，已经形成１条垂直裂缝；当继续循环至产生；０×１０４

次时，梁内受拉钢筋断裂，观察构件裂缝还可以发现：主要有２条垂直裂缝，５９．３０９５×１０

其中１条贯穿破坏，宽度超过０．构件受拉区有明显的破损，但是受压区混凝土没有发２ｍｍ，

Ｌ４

冻融７５次＋疲劳试验

生压碎的迹象

Ｌ５

静载试验

在荷载１纯弯段内混凝土抗拉能力最薄弱截面出现第１条垂直裂缝，裂缝宽度为８ｋＮ左右，当荷载达到６纯弯段内主要裂缝基本完全，主要裂缝有３条０．０１ｍｍ左右；２ｋＮ左右时，

出的碳纤维增强钢筋混凝土梁的容许疲劳寿命和极限疲劳寿命的概念，得出了Ｓ－见图５－图８。由Ｎ和Ｐ－Ｓ－Ｎ曲线，

图５－图８可发现碳纤维薄板增强梁的容许疲劳寿命和极限疲劳寿命分别是其静载极限强度的６５％和６７％。

１．４　纤维对钢筋混凝土梁疲劳性能影响的研究

［１］

研究了用碳素２００７年西安建筑科技大学的张兴虎等１

加固的混凝纤维布加固后铁路桥梁的疲劳性能。试验表明，

土梁经２同时没有发生００万次疲劳后强度和刚度没有下降，

［２］

剥落和脆断现象。２从碳纤维００８年江苏大学的石启印等１

构件使用荷载等参数方面研究了碳纤维布加固布加固方式、

钢筋混凝土吊车梁的抗弯疲劳性能。研究表明，采用碳纤维布加固后，构件裂缝的宽度减小了５发展速度０．２％～６６％，

钢筋应力减小了２构件的刚度也得到控制，４．１％～２８．２％，提高了１结合现有规范４．９％～１６．１％。同时依据试验结果，计算分析了碳纤中关于构件刚度计算以及寿命分析的方法，

维布加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳刚度及寿命。理论分析结果表明，用该方法计算得到的结果可以满足工程上对精度的要求。最后以试验结果为基础，对碳纤维布加固梁的疲劳

１３］

将１设计提出了合理化建议。华南理工大学的黄培颜等［８

图５　容许疲劳寿命的Ｓ－Ｎ曲线Ｆｉ．５　ＴｈｅＳ－Ｎｃｕｒｖｅｏｆａｌｌｏｗｆａｔｉｕｅｌｉｆｅ　　　　　ｇｇ

同时他们还提出了一种只需少量循环加载（研究中建议）取ｎ＝１的非破坏性弯曲疲劳试验数据就能预测该０００００～１

根尺寸为１８５０ｍｍ×１００ｍｍ×２００ｍｍ的碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁分为４组分别进行弯曲疲劳试验。按照他们提

·１３８·

增强梁疲劳寿命的新公式：

材料导报Ａ：综述篇　上）第２０１１年１０月（５卷第１０期　２

特性为参数，设计制作了１３根梁，９根梁混凝土强度等级为采用三点加载方式，分析Ｃ７０，４根梁混凝土强度等级为Ｃ４０，

了高强混凝土受弯构件在高周重复荷载作用下的变形性能。他们指出对于配筋率为０．混凝７％～１．４％的高强混凝土梁，土弯曲受压的变形模量Ｅｗ与轴心受压弹性模量Ｅｃ的关系为Ｅｗ＝０．同时根据试验还得出了疲劳变形模量ＥＮ７８７Ｅｃ，ｗ与混凝土轴心受压弹性模量Ｅｃ的关系为：

Ｎｆ　

（）７８７０．７８５３－０．０１８７ｌｎＮ）Ｅｃ３　　Ｅｗ＝０．γＥｃ＝（

ｆ

式中：Ｎ为疲劳荷载作用次数γ为疲劳变形模量降低系数，４（。次）×１０

／（）ｃ＋ｄｌｎｎｌｎＮｊ２　　ｆｎ＝ｊ，

式中：ｃ、ｄ是常数，ｎ是加载次数，Ｎ是疲劳寿命。一般／通过另外３根碳ｌｎｎｌｎＮｊ的变化范围在０～１之间。最后，纤维薄板增强梁的疲劳试验对所提出的寿命预测方法进行发现与试验结果符合度较高。了验证，

他们还研究了高强混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下裂缝发展规律和疲劳刚度的变化，分析认为高强混凝土受弯裂缝宽度增大。与普通混构件在疲劳荷载作用下刚度降低，

凝土梁相比，高强混凝土梁裂缝在初期的发展速度明显大于

４４

在高应力水平循环下，次即普通混凝土梁，２×１００～５×１

进入稳定发展阶段。但在裂缝进入稳定发展阶段后，其裂缝发展的速度小于普通混凝土梁。高强混凝土梁裂缝特点为：裂缝一经出现，开展宽度即较大，一般开裂时裂缝宽度可达且在梁侧向上延伸很快，配筋率越低裂缝宽０．０４０８ｍｍ，～０．

延性差。随着疲劳荷度越大。这反映出高强混凝土材质脆、

４４

载循环次数的增加，在１×１次内裂缝宽度ｗｍａ００×１０～１ｘ

变化较快，随后则基本稳定下来。

针对混凝土阻尼功能低、不适于长期处于频繁振动荷载

１６］

武汉理工大学的田耀刚等［在高强混凝土中作用下的缺点，

制备出具有阻尼功能的高强混凝土，并对该混引入阻尼器，

凝土在振动荷载作用下的弯曲疲劳性能进行了研究。结果表明，与同强度等级的普通高强混凝土相比，具有阻尼功能随着振动疲劳荷载增的高强混凝土抗疲劳性能明显提高，

加，具有阻尼功能的高强混凝土寿命明显缩短且近似服从两参数威布尔分布。他们把这种结果归结为混凝土疲劳破坏的过程为材料内部存在的原始微裂纹对于动态荷载响应扩响应越剧烈，混凝土内部存在的原始裂缝越易扩展的过程，

则混凝土的振动疲劳破坏越迅速。而当混凝土中引入采展，

阻尼器可发挥两方面作用特殊材料和工艺制备的阻尼器时，

（）用：内养护作用，它可降低水泥水化对毛细孔内水分的依１赖，减小收缩裂缝产生数量，提高水泥水化程度，优化水泥混改善普通集料与水泥石之间的界面凝土体系中的孔隙结构，

过渡区性能，提高普通集料与水泥石之间的黏结强度，同时，其自身弹模低，变形能力强，这样又可缓解混凝土体系内部这些因素都降低了阻尼混凝土中原始微裂缝的的应力集中，

（）数量；提高了混凝土的阻尼功能，降低了混凝土材料在振２

２　高强混凝土疲劳性能的研究现状

国内对普通混凝土结构疲劳问题已进行了大量研究，在设计规范中有明确的条文解释，但对高强混凝土结构的疲劳问题研究较少。与普通混凝土相比，高强混凝土具有高密实高强度和脆性等特点，在疲劳荷载作用下更易发生脆性性、

断裂，需要深入探讨其疲劳特性。

１４，１５］

北京交通大学的钟铭等［以受拉钢筋配筋率和循环

动疲劳荷载作用下的动态响应及其对混凝土材料内部原始微裂缝扩展的推动作用。

１７］

华南理工大学的胡瀚［通过向高强混凝土中添加钢纤

维和乳胶的方法来提高其抗疲劳性能，并对其增强机理进行一方面了探讨。他认为在高强混凝土中掺入钢纤维和乳胶，由于钢纤维的阻裂效应抑制了裂纹的发展，另一方面由于乳胶的掺入改善了孔缝结构，提高了混凝土的断裂韧性，使得在应力不变的条件下较大幅度地提高了高强混凝土的疲劳

国内结构混凝土疲劳性能研究现状／刘　巍等

１８，１９］

性能。东南大学的孙伟院士等［在原有的Ⅱ型预应力混

·１３９·

密度函数公式为：＝ｆ（ｆｃ）

１２２

［）／（）］ｅｘ４．３４２×３．７４－（ｐｆｃ－６

·７４２π３．槡（）５

凝土轨枕的基础上掺入体积率为１％的钢纤维以及１％钢纤取代水泥量）的复合物，分别制备了预应力钢维和１５％硅灰（纤维高强混凝土轨枕和预应力钢纤维硅灰高强混凝土轨枕，并系统研究了它们在疲劳荷载作用下裂缝宽度和高度的变化规律。他们认为利用钢纤维优异的阻裂效应和硅灰的填充效应、微集料效应和火山灰效应对混凝土内部微观结构的可以大幅度提高Ⅱ型改善以及钢纤维和硅灰诸效应的复合，

预应力混凝土轨枕的抗疲劳能力，降低在相同应力下裂缝的从而减少和延缓裂缝的发生和发展，延长轨枕宽度和高度，

在预应力混凝土轨枕中掺入１％～的使用寿命。结果表明，

或者复合掺入１％钢纤维和１取代１．２％的钢纤维，５％硅灰（

的复合物后，既提高了预应力混凝土轨枕的阻裂能水泥量）

力，也减少了原始裂缝的尺度和数量，改善各类界面区的微观结构，而且可以带裂缝工作，大大提高了轨枕的使用寿命和安全性。

掺有粉煤灰和聚丙烯纤维的高性能混凝土的抗压静载强度概率密度函数公式为：＝ｆ（ｆｃ）

１２２

［）／（）］ｅｘ５．５３２×４．５５－（ｐｆｃ－７

·２５５π４．槡）（６

根据轴心抗压静载强度与疲劳强度的关系，同时推导出高性能混凝土疲劳寿命概率分布和疲劳强度表达式。

２３－２５］

长安大学的陈拴发等［研究了高性能混凝土在三分

点疲劳加载及ＮａＳＯ２４腐蚀溶液同时作用下的强度衰减规

受腐蚀疲劳的高性能混凝土强度衰减幅度远律。研究表明，

／超过普通浸泡腐蚀试件，其最大损失率可达１３。他们提出了表征交变荷载与腐蚀介质交互作用对混凝土造成破坏的。两个指标（腐蚀疲劳因子、腐蚀介质因子）

腐蚀疲劳因子公式为：

／（）７　　Ｋｆｆｆｃ＝ｃｆｓｃｃｆ

式中：Ｋｆｆｃ为腐蚀疲劳因子，ｃｆ为混凝土小梁试件标准养护一），定龄期时的弯拉强度（疲劳荷载ＭＰａｆｃｆｓｃ为标养一定时间、

作用下腐蚀介质中浸泡规定龄期混凝土小梁试件的弯拉强）。度（ＭＰａ

）由式（可知，７Ｋｆｃ反映水泥混凝土受腐蚀疲劳力学性能的衰减程度。该值越小，混凝土抵抗交变应力与化学腐蚀介其力学强度衰减幅度越大；相反，该质交互作用的能力越差，

值越大，则抵抗腐蚀疲劳破坏作用尤其抵抗交变应力的破坏作用能力越强。

腐蚀介质因子公式为：

／（）８　　Ｋｃ＝ｆｆｃｆｃｃｆ

式中：Ｋｃ为是腐蚀介质因子，ｆｃｆ为混凝土小梁试件标准养护），腐蚀介一定龄期时的弯拉强度（ＭＰａｆｃｆｃ为标养一定时间、）。质中浸泡规定时间混凝土小梁试件的抗弯拉强度（ＭＰａ

）由式（可知，８Ｋｃ反映高性能混凝土受腐蚀介质作用其力学性能的衰减程度。该值越高，混凝土受腐蚀介质作用的其力学强度衰减越小；相反，该值越小，则高性能破坏越弱，

混凝土受化学腐蚀介质作用的影响越大，遭受破坏的可能越大。

最后还得出水胶比、矿物掺合料对高性能混凝土的腐蚀疲劳特性均有较显著的影响，水胶比增大，其弯拉强度损失也增大，而２０％左右的矿物掺合料掺量可明显改善高性能混其中粉煤灰与硅灰复掺效果更明凝土的抗腐蚀疲劳性能，显。

２６］

湖南科技大学的罗许国等［根据重复荷载作用下高性

３　高性能混凝土疲劳性能的研究现状

随着土木工程的发展，高性能混凝土的应用越来越广泛。高性能混凝土与普通混凝土在材料组分上存在差异，目前有关规范中关于高性能混凝土疲劳计算参数的可靠程度还需进一步验证。

２０，２１］

同济大学的肖建庄等［进行了Ｃ４０、Ｃ５０两种不同强

度等级的高性能混凝土梁正截面三点弯曲疲劳性能试验。试验结果为在弯曲重复荷载作用下，高性能混凝土梁的裂缝

４

在重复荷载作用初期（约为２次以内）已大部分形成，０×１０

其后相当长的阶段内裂缝发展十分缓慢；对于承受了一定次在其数弯曲重复荷载作用而未发生破坏的高性能混凝土梁，受荷过程中，受压区混凝土应变、受拉钢筋应变和跨中挠度即快速随重复荷载次数变化的规律均具有２个阶段的特点，发展阶段和稳定发展阶段；在等强度配筋的条件下，受拉钢筋强度等级对高性能混凝土梁的抗弯疲劳性能没有显著的重复荷载应力比和钢筋应力幅值是影响高性能混凝土影响；

梁正截面疲劳寿命的关键因素，在相同应力幅值的弯曲重复荷载作用下，相同配筋的Ｃ８０梁比Ｃ４０梁具有更高的疲劳寿命，因此与普通混凝土梁相比，高性能混凝土梁具有更好的抗弯疲劳性能；高性能混凝土梁的抗弯刚度将随着重复荷载但减小的趋势变缓，而高性能混凝作用次数的增加而减小，

土梁的剩余刚度大于相同配筋的普通混凝土梁，表明高性能混凝土梁的抗弯疲劳性能优于普通混凝土梁。

２２］

肖建庄等［对单掺粉煤灰、双掺粉煤灰和矿渣、双掺粉

煤灰和聚丙烯纤维高性能混凝土进行了轴心抗压静载强度并分别建立了公式。试验，

掺有粉煤灰的高性能混凝土的抗静压强度概率密度函数公式为：＝ｆ（ｆｃ）

１２２

［）／（）］ｅｘ９．８２２×５．９０－（ｐｆｃ－６

·２９０π５．槡）（４

能混凝土桥梁疲劳损伤与结构自振频率之间的关系，找到了一种可以通过车过桥后的余振波形得到的自振频率来评估采用基频法评估桥梁结构桥梁使用性能的方法。试验表明，

疲劳性能的方法简捷，可靠性较高，便于实际应用，具有广泛的工程使用价值。

掺有粉煤灰和矿渣的高性能混凝土的抗静压强度概率

·１４０·材料导报Ａ：综述篇　上）第２０１１年１０月（５卷第１０期　２

４　纤维混凝土疲劳性能的研究现状

［７］

对带切口的碳纤维２０００年山东建材学院的邓宗才等２

混凝土三点弯曲梁试件预先施加频率为０．５Ｈｚ的疲劳荷载，

而且能较大幅度提高抗折强度。更为突出的是，聚丙烯纤维混凝土具有优良的弯曲疲劳性能，尤其在高应力比下与普通疲劳寿命可成倍增长。混凝土相比，

表３　混凝土抗折疲劳试验结果

Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅｔｅｓｔｅｄｆｌｅｘｕｒａｌｆａｔｉｕｅｒｅｓｕｌｔｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ　　　　　　　ｇ混凝土类型

应力比０．８５　０．８０　

普通混凝土

０．７５　０．７０　０．６５　０．８５　

聚丙烯纤维混凝土

０．８０　０．７５　０．７０　０．６５　

疲劳次数３８６５５４３３１２３１４８８１１８６７２１１３９３０７６７６８０４７２８６２１６５００

／ｓ＝１．０９８９－０．０８５４ｌＮｔσｇ／ｓ＝１．０１４３－０．０７１８ｌＮｔσｇ

疲劳方程

然后测其在准静载下的剩余断裂参数，以探讨疲劳加载历史还对碳纤维混凝土对碳纤维混凝土断裂特性的影响。另外，

作了疲劳断裂试验，根据试件在加、卸载时的柔度值，以确定碳纤维混凝土在疲劳断裂时裂缝的亚临界扩展长度。试验表明，预疲劳加载幅值对于断裂参数有影响，而试件在疲劳它是由材料断裂过程中的亚临界扩展长度与疲劳寿命无关，

自身性能决定的。碳纤维混凝土的疲劳断裂寿命和能量吸

［８］收值明显高于素混凝土。２进一步对碳纤维００１年邓宗才２

ｒ＝０．９８０

混凝土和钢纤维混凝土的疲劳性能进行对比，并研究了纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命、能量吸收值及疲劳累积损在对纤维混凝土进行疲劳设伤变量的影响规律。研究表明，

计和疲劳强度分析时，应考虑应力水平对疲劳寿命及能量吸收的影响。纤维混凝土在较低应力水平下的疲劳寿命和能量吸收比高应力水平时有明显的增大趋势。当应力水平大于或等于破坏荷载的８纤维混凝土的疲劳寿命和能量０％时，吸收明显降低；纤维在较低应力水平下表现出很强的阻滞作从而延缓了混凝土基体的损伤发展；当钢纤维体积率为用，

碳纤维体积率为１．钢纤维混１．０％～２．０％、０‰～２．５‰时，凝土的疲劳寿命是碳纤维混凝土的１．能量吸收６～６．５倍，是碳纤维混凝土的３．９～４．８倍。

２９］

东南大学的蒋金洋等［对超高程泵送钢纤维混凝土进

ｒ＝０．９９０

５　其他种类混凝土疲劳性能的研究现状

５．１　活性粉末混凝土疲劳性能

３２－３４］

北京交通大学的余自若等［对２４个尺寸为７０ｍｍ×

７０ｍｍ×２１０ｍｍ的活性粉末混凝土试件施加等幅单向压缩疲劳荷载，结果表明，循环荷载作用下，活性粉末混凝土（，的最终破坏形态为形成单ＲｅａｃｔｉｖｅｏｗｄｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅＲＰＣ）　　ｐ

一的临界疲劳主裂纹，可用此作为ＲＰＣ受压疲劳破坏的标志。在Ｒ疲劳裂纹的演变过程ＰＣ的宏观疲劳损伤过程中，可分为裂纹潜伏、裂纹稳定扩展和裂纹失稳破坏３个阶段，各阶段所占比例分别为１相应的纵向变形５％、７５％和１０％，发展也呈此３阶段规律。ＲＰＣ疲劳裂纹发展的第１阶段比因此Ｒ普通混凝土提高３５％，ＰＣ具有优于普通混凝土的抗／疲劳开裂能力。只有当荷载循环次数超过临界值（ｎＮ≥）后，０．１５ＲＰＣ的宏观力学性能才开始平稳缓慢衰减；ＲＰＣ的疲劳极限强度可取为其静极限轴心抗压强度的５７％，ＲＰＣ结构的抗疲劳性能远强于普通混凝土结构。在最小应力相同的条件下，最大应力水平越高，ＲＰＣ的纵向最大应变在第且ｌ２阶段的增长率越大，Ｎ和ｌＰＣε之间呈线性关系。Ｒｇｇ疲劳变形模量的衰减可分为平稳缓慢衰减和急剧不稳定衰

发现同样应力水平条件下，钢纤维行了四点弯曲疲劳试验，

混凝土的疲劳寿命比普通混凝土高１个数量级。由图９疲劳强度试验结果可知，掺入钢纤维后，混凝土的疲劳强度大当钢纤维体积掺量为０．疲劳强度提高了近幅度提高，８％时，４０％。

图９　纤维掺量对混凝土疲劳强度的影响Ｆｉ．９　Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓｏｎｆａｔｉｕｅ　　　　　ｇｇ

ｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｅｎｔｈ　　ｇ

３０］

中南大学的胡晓波等［根据特重交通等级道路上井盖

减，疲劳变形模量的２个阶段所占比例分别为９０％和１０％；极限值可以取初始变形模量的０．５倍。ＲＰＣ的疲劳寿命分布能很好地服从两参数威布尔分布，其线性相关系数均在另外，他们还对活性粉末混凝土的疲劳损伤过程０．９８以上。

进行了研究，结果表明，活性粉末混凝土的疲劳损伤可分为内部损伤成核、损伤稳定发展和损伤失稳发展３个阶段，且只有当荷载循环次数超过一定阈值时才会发生宏观疲劳损伤。同时他们采用累积残余塑性应变的变化规律来描述ＲＰＣ的疲劳损伤过程：

６９．４８Ｄ＋５１１．５５　　ε＝４

ｐ

式中：Ｄ为损伤变量，ε为当前残余塑性应变。

ｐ

对钢纤维混凝土井盖进行疲劳试验、静力荷载的受力特点，

试验，发现钢纤维混凝土窨井盖可以满足各类道路的使用要求，并提出了钢纤维混凝土窨井盖的３种使用等级。２００１年

３１］

研究了普通混凝土中添加聚丙烯纤维长安大学的陈拴发［

后的弯曲疲劳性能，并通过试验建立了聚丙烯纤维混凝土的疲劳方程，见表３。结果表明，与普通混凝土相比，掺加

３

／聚丙烯纤维的混凝土不但具有较高的抗压强度，０．９ｋｍｇ

（）９

国内结构混凝土疲劳性能研究现状／刘　巍等

ｐ

余自若等给出了Ｄ－ε的关系曲线和循环加载过程中

·１４１·

双参数威布尔分布，以此建立了不同应力水平和等效应力水平下的疲劳方程。在相同应力水平下，与普通混凝土和贫混多孔混凝土疲劳性能最差，其寿命受到加载频率凝土相比，

及加载强度等因素的影响而变异性较大。他们提出了增加静载测试试件的数量、选用较低频率、反算极限强度和测试通动态强度等减小多孔混凝土疲劳寿命变异性的几种措施；过比较得出多孔混凝土疲劳性能优于常用的半刚性基层材料的结论；并利用得出的疲劳方程，计算了多孔混凝土作为水泥混凝土路面下面层时荷载应力的疲劳应力系数，以及作为沥青路面基层时进行层底弯拉应力验算的弯拉强度结构可用于路面结构计算。为了提高多孔混凝土疲劳寿系数，

３８］

命，解放军理工大学的卓义金等［研究了加入一种改性剂的

见图１ＲＰＣ疲劳损伤Ｄ随循环次数增加的演变规律，０和图

损伤与残余塑性应变之间的线性１１。由图１０和图１１可知，随着损伤的不断发展，残余塑性应变逐渐增加；关系很明显，

不同应力水平ＳｍａＰＣ疲劳损伤演变路径不同。应力水ｘ下Ｒ平越高，损伤发展速度越快；ＲＰＣ的疲劳损伤随循环次数的

ｐ

增加呈非线性累积叠加。最后，余自若由残余塑性应变ε所

定义的疲劳损伤变量，建立了ＲＰＣ疲劳损伤演变方程。

结果表明，掺加改性剂的多孔混凝多孔混凝土的疲劳性能，

也明显优于未掺土疲劳性能优于其它稳定材料的疲劳性能，

加改性剂的多孔混凝土的疲劳性能，表明这种改性剂对改善多孔混凝土性能起到了很好的作用。他们认为，改性剂可以改善混凝土拌合物的和易性，在水泥表面形成较厚的立体包层，使水泥达到较好的分散效果，改善了胶结料－骨料间的界从而使水泥混凝土具有较好的疲劳韧性，加强了界面状态，

面延性，提高了材料在荷载作用下界面产生裂隙的初始荷载改性剂在浆体内形成聚合物网络结构，可以起水平。同时，

到增加强度和改善抗变形性能的效果。

６　结语

本文总结了１０年来国内各种结构混凝土疲劳性能的研究情况，以期对日后科研工作者研究混凝土疲劳性能起到抛发现砖引玉的作用。通过对混凝土疲劳性能研究现状分析，目前国内对应用较为广泛的轻集料混凝土、再生混凝土、沥青混凝土以及橡胶混凝土疲劳性能的研究几乎是空白。同时，国内研究者往往将疲劳与复杂环境等多种因素分开进行而这样的研究不符合客观实际应用，难以正确判单独研究，

断结构混凝土的损伤过程和程度。针对以上研究情况，目前东南大学的孙伟院士课题组正进行结构混凝土在多因素耦

３５］

福州大学的周瑞忠等［研究了添加钢纤维和聚丙烯纤

合作用下疲劳性能的研究，并取得了一定成果。

维后活性粉末混凝土的断裂和疲劳性能。结果表明，聚丙烯纤维对材料强度和抗断裂性能的贡献几乎为零，但在一定程度上提高了材料的延性；钢纤维的加入极大地增强了该材料的工作性能，同时断裂韧度、抗弯极限荷载等力学参数均有大幅度提高，试件的破坏体现了极高的延性；断裂韧度在体积掺量为１％时达到最大，而极限荷载和劈拉强度均随钢纤维体积掺量的增加而增加；加混杂纤维比只加钢纤维增强效果更佳，其抗弯极限荷载、劈拉强度均有所提高，而裂缝亚临界扩展量、裂缝尖端位移等参数有所降低，由此可看出混杂阻裂作用更加显著。他们认为聚丙烯纤维掺量纤维的增强、

为０．钢纤维掺量为１．１％、０％是较优的混合掺量。

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