钢筋混凝土柱疲劳损伤性能研究

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　　摘要：混凝土是现代建筑工程中最重要的结构材料之一。许多混凝土结构除
　　受静力荷载作用外，还受到循环荷载的作用，这使得混凝土结构的疲劳破坏成为一个广泛关注的问题。所以研究混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤规律，为混凝土结构的疲劳设计、检测与加固提供方法与依据，保证混凝土结构的疲劳安全，是一项很重要的课题。
　　关键词：混凝土 疲劳
　　1、国内外研究现状
　　混凝土结构是当今世界上使用最为广泛的结构形式之一。有些混凝土结构如桥梁、高速公路路面、飞机跑道、核电站安全壳、重力式采油平台等大型混凝土结构，除承受静力荷载作用外还受到车辆、飞机、核动力以及风、波浪、水流等周期性或非周期性交变荷载的反复作用。试件或构件在反复荷载的作用下，材料内部产生随时间变化的交变应变与交变应力。经足够的应变或应力循环后，损伤累积可使试件或结构材料产生裂纹，并使裂纹扩展，形成小片脱落或断裂形式的低于静强度的疲劳破坏。
　　当前混凝土结构疲劳研究的主要问题可分为三个方面。从荷载方面，建立吊车梁、火车车辆、海洋平台等的荷载谱是进行可靠度分析的基础。目前这方面的工作正在进行。材料方面，研究混凝土的多轴疲劳强度是一个热点。因为工程实际中，混凝土的疲劳不仅在一个方向，有时两个方向，甚至三个方向均受到疲劳作用。国际上，一些文献进行了双轴压及双轴拉压疲劳。国内，大连理工大学进行了系统的双轴及三轴定侧压下的疲劳试验。另外变幅疲劳和随机变幅疲劳也是材料疲劳特性的研究热点。从分析理论方面，随着疲劳全过程分析和变幅疲劳的发展，产生了疲劳本构模型、疲劳累计损伤本构模型、概率理论和可靠度理论的应用。
　　近几十年，超声无损检测技术在检测混凝土强度、厚度、材料疲劳损伤和材料内部缺陷等方面有了更多的应用。国内，采用超声波法、敲击法以及钻孔渗水试验相辅验证的综合检测方法，定量评价钢管混凝土的钢管内壁与混凝土之间是否密贴或者脱粘的程度。用超声波检测不同龄期的混凝土强度，用超声波对测法对受硫酸盐腐蚀的混凝土强度进行了检测，建立了超声声速与受腐蚀混凝土强度之间的函数关系，为用超声波法检测受腐蚀混凝土强度提供了数学依据。用超声波测量混凝土密实度并将其应用在在桥梁承载力评价中。对一批不同龄期的掺粉煤灰或矿渣的钢纤维混凝土试件进行了超声波检测及抗压强度试验，表明超声波检测方法用于钢纤维混凝土无损检测是可行和适用的。研究表明，超声法能够比较全面反映混凝土内部裂缝的扩展规律，有利于进一步研究混凝土的损伤力学机理。
　　2、混凝土超声波探伤研究
　　混凝土超声波探伤是指利用超声波在混凝土介质中声学参数的变化来确定混凝土内部缺陷的存在、大小、位置和性质。混凝土超声波检测目前主要通过一个发射换能器重复发射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。被接收的超声波转化为电信号后，再经超声仪放大，测量接收到的超声信号，并将声学参数显示在示波屏幕上。当超声波经过混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准确测定这些声学参数的大小变化，就可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况。采用超声波检测混凝土损伤和内部缺陷的基本依据是利用脉冲波在技术条件相同(混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致)的混凝土中传播的时间或速度、接收的波幅和频率等声学参数的相对变化来进行判断。目前，在混凝土检测中常用的声学参数包括声速、波幅、频率和波形。
　　利用超声波探测材料及结构中的缺陷，依据的是超声波在材料传播时的一些特性，如声波在通过材料时能量会损失，在遇到两种介质的分界面时，会发生反射等等，常用的频率为0.5～25 MHz。其主要过程由以下几部分组成：(1)用某种方式向被检测的试件中引入或激励超声波；(2)超声波在试件中传播并与试件材料和其中的物体相互作用，使其传播方向或特征被改变；(3)改变后的超声波又通过检测设备被检测到，并可对其进行处理与分析；(4)根据接收的超声波的特征，评估试件本身及内部存在的缺陷的特性。
　　以穿透法为例，穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的信号，依据脉冲波穿透试件后能量的变化来判断内部缺陷的情况。
　　当材料均匀完好时，穿透波幅度高且稳定；当材料存在一定尺寸的缺陷或存在材质的剧烈变化时，由于缺陷遮挡了一部分穿透声能，或材质引起声能衰减，可使穿透波幅度明显下降甚至消失。通常用以发现缺陷并对缺陷进行评估的基本信息为：(1)来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及幅度；(2)入射信号与接收信号之间的声传播时间；(3)声波通过材料以后能量的衰减。
　　与其他无损检测方法相比，超声波检测方法的主要优点有：(1)适用于金属、非金属、复合材料等多种材料制件的无损评价；(2)穿透能力强，可对较大厚度范围的试件内部缺陷进行检测，可进行整个试件体积的扫查。如对金属材料，可检测厚度1～2 mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；(3)灵敏度高，可检测材料内部尺寸很小的缺陷；(4)可较准确地测定缺陷的深度位置，这在许多情况下是十分需要的；(5)对大多数超声技术的应用来说，仅需一侧接近试件；(6)设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。
　　3、混凝土结构疲劳性能的研究方法简介
　　 结构的疲劳破坏主要是因为混凝土内部产生了损伤，损伤不断积累，达到一定程度，使混凝土内部出现裂纹并不断扩展，形成混凝土的破坏。如果能通过某种方式评价混凝土内部损伤情况，而不破坏混凝土结构本身，为混凝土结构的疲劳设计或者加固提供依据，这无疑是一个很有意义的研究方向。
　　梁、柱及板为混凝土结构中的基本构件。人们对基本构件梁的疲劳性能研究的比较多，而对柱、板的疲劳性能研究比较少。本文以钢筋混凝土柱作为试件，通过超声波无损检测技术，获得与损伤有关的信息，获得评估混凝土结构内部损伤情况的损伤变量，对混凝土结构疲劳性能的研究方法做概述。
　　研究目的是对钢筋混凝土柱试件进行重复加载，通过超声波无损检测分析仪对其进行测试，获得与损伤有关的超声波波形信号、声时、速度等参数。然后通过分析超声波参数的特征及变化，取得对钢筋混凝土柱内部损伤情况的分析与判定。所使用的仪器疲劳试验加载仪器为液式压力试验机，；采用的获取超声波波形信号、声时、速度的试验仪器为与电脑相连的UTA2000型非金属超声波无损检测分析仪。
　　实验的过程主要包括前期准备工作，疲劳试验以及后期分析。前期的准备工作主要包括：静载试验、试验测点的布置。通过试验获得了超声波波形、声时、速度等含有疲劳损伤信息的数据，为将来的钢筋混凝土柱疲劳截面损伤分析以及混凝土疲劳损伤分析提供了数据基础。
　　混凝土探伤的发展可以分为无损检测、无损诊断和无损评估三个阶段。无损检测阶段的任务是探测混凝土内部缺陷的有无；无损诊断阶段的任务是对缺陷的性质、位置、分布等参数给出定量数据。无损诊断和无损检测可用于检测混凝土的完整性，评价缺陷处理的效果等。无损评估阶段的任务是根据无损诊断阶段获取的缺陷定量信息、构件的受力条件和结构的整体特点等定量评估混凝土内部缺陷对于构件和结构工作性能的影响程度，可用于结构的安全性和耐久性评估。
　　通过大量实验表明：筋混凝土柱顶部的损伤变化最大。不同应力水平下，钢筋混凝土柱的疲劳损伤变化规律相似。钢筋混凝土柱的损伤程度为：顶部大于底部大于中部。钢筋混凝土柱端部与底部容易形成应力集中区，所以端部与底部的损伤较大。柱的端部在试验过程中与试验平台在接触与离开之间来回变化，而底部一直与试验平台接触而且还有重力的作用，形成柱端部的约束力小于柱底部的约束力，造成柱端部的损伤程度大于底部的损伤程度。由同一应力水平时非浇筑面与浇筑面的损伤变量变化可以看出钢筋混凝土柱浇筑面的损伤程度要大于非浇筑面。不同应力水平时，规律相似。
　　

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