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疲劳荷载与冻融循环多次交互作用下混凝土损伤特性试验土木工程研究

时间:2018-10-16 20:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程的最终实现是将社会所需的工程项目建造成功,付诸使用。有了最优设计还不够,还需要把蓝图变为现实。因此需要研究如何利用现有的物资设备条
本文是一篇土木工程论文,土木工程的最终实现是将社会所需的工程项目建造成功,付诸使用。有了最优设计还不够,还需要把蓝图变为现实。因此需要研究如何利用现有的物资设备条件,通过有效的技术途径和组织手段来进行施工。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景和意义
自从混凝土材料应用于土木工程领域以来,凭借其性能稳定,制备简单,价格低廉,并且在预定使用期限内可以有效抵挡气候和环境变化等优势,使得混凝土材料在房屋建筑、道路桥梁、以及港口等工程领域中得到广泛使用。随着建设工程的快速发展,因混凝土的耐久性未达到要求而引发建筑物过早破坏的案例很多(图1.1)。不少混凝土结构的实际寿命往往低于设计使用年限,特别是对于某些工业生产的车间,由于厂房未达到设计使用年限而引发耐久性破坏的案例仍有所在。目前混凝土的耐久性已经成为国内外热点研究领域,在实际工程建设中,几乎所有的混凝土结构都是在一定的荷载作用及环境等多重因素共同作用下服役的。例如寒冷地带的混凝土大坝、桥梁和路面都要承受着交通荷载和温度等环境因素的影响,海洋工程中的混凝土建筑要同时承受机械荷载和氯盐等多种腐蚀介质的交互作用,不同的损伤因素产生的应力叠加作用将加速混凝土力学性能的劣化。我国地域辽阔,有大面积的寒冷地带,低温和冻融循环作用往往使得寒冷地区混凝土结构遭受不同程度的破坏,除三北地区建筑普遍遭受冻融破坏的影响外,长江以北地区的混凝土结构也同样存在冻害问题。20 世纪 70 年代前,混凝土建筑一般采用容许应力法进行设计,承受的应力值较小,混凝土结构因疲劳而发生损伤的案例很少。随着高强混凝土的广泛应用,混凝土结构重量下降,所受恒载减轻,而应力增加,使得疲劳荷载所占比重增大。在疲劳荷载作用下,这种循环往复的疲劳应力使得混凝土内部的裂缝及孔洞逐渐损伤劣化,导致结构在低于容许应力下发生疲劳破坏,对混凝土的安全和耐久性能产生重大影响。近年来,关于疲劳荷载和冻融循环作用下混凝土结构的研究多数集中在单因素层面,而对于两种因素交互作用下损伤性能的探索没有进一步深入,研究的内容大多是关于材料的耐久性和结构的耐久性领域。在实际工程中,混凝土耐久性是材料和结构的共同耐久性结果,结构的损伤是各种损伤因素的协同作用,研究表明[1]单因素作用下建立的经验公式夸大了混凝土的损伤性能。
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1.2 研究现状
在建筑工程实际使用过程中,大多数混凝土构件工作都是在一定的荷载作用下进行的,如经受水位变动的大坝,水流冲击的桥梁及水垫塘,高速高架桥上的钢筋混凝土架构、生产车间的吊车梁等都将长期受到疲劳荷载作用。在服役期间,混凝土因承受应力过大而导致结构破坏已属于常见问题,关于疲劳后混凝土损伤特性的研究,是现代工程的一个重要课题。目前,多国陆续将疲劳荷载作用下混凝土的损伤研究成果写入了相关设计规范中[4-7]。国内外研究学者对疲劳荷载作用下混凝土性能的影响进行了大量的疲劳试验研究和理论分析[8-14],已经获得了丰厚的成果。朱兵[15]对疲劳荷载作用下混凝土的结构抗力随时间的变化关系进行探索,通过混凝土耐久性计算与验算方法,提出了耐久性设计方法,得出荷载效应值不大于结构抗力与结构耐久性设计系数的乘积,将混凝土的损伤影响过程化分为韧性降低和承载力降低两个阶段,建立了疲劳作用下结构构件的寿命模型,并对疲劳裂纹形成过程进行分析。张培等[16]对疲劳荷载下混凝土变形规律与疲劳寿命的关系进行了研究,认为混凝土在变形发展阶段的速率与荷载形式有关,通过对试件的变幅加载来推测服役期间混凝土构造的剩余使用寿命,分析了混凝土变形规律的影响因素和适用条件,并基于疲劳荷载下混凝土变形发展的经验公式提出了混凝土在长期疲劳荷载作用下的寿命的公式。许慧敏[17]研究了预静态和预循环加载对混凝土率效应特性的影响,对两种加载条件下的峰值应力、峰值应变和弹性模量进行对比分析,研究结果表明,预循环加载时混凝土峰值应力随应变率的变化反应较敏感。无加载作用下混凝土的峰值应变比加载作用下增加幅度大。预循环加载下混凝土的弹性模量随应变率增加呈下降的变化趋势,并且应变率越大,弹性模量下降速率越快。
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2 试件设计与试验方法
 
2.1 试件设计
试验选用含泥量小于 0.2%冀东牌 P.O.42.5R 的普通硅酸盐水泥。其化学组成见表 2.1,物理力学性能见表 2.2。混凝土配置时选用外加剂为灰霸牌萘系高效减水剂和引气剂,减水率在 21%左右。所用材料的性能指标满足 GB8076-2008《混凝土外加剂》规范中高效减水剂和引气剂的标准。试验采用的试件尺寸为 100mm×100mm×300mm,标准养护室养护温度为 20℃±3℃,养护时间设定 28 天。由于试块要进行冻融循环试验,并且试验周期较长,为了防止在冻融循环时试件强度发生变化,排除其他变化因素对试验数据的干扰,使得不同冻融循环条件下的试件损伤规律具有可比较性,需要对标准养护后的混凝土试件放置在自然条件(室温 20±5)℃下,养护 3 个月。制备及养护后的试件如图 2.1。
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2.2 试验设备
本试验在烟台大学材料与力学性能结构大厅和冻融循环试验室进行,主要使用的试验器材包括:如图 2.2 所示, ZBL-U520A 非金属超声检测仪采用双通信号和深度计数装置向待测试件发射雏形超生脉搏,由传感器接收穿过试件的脉冲信号,最后在仪表盘上显示信号波形及超声波速,可保证检测数据和速度的可靠性,并实现对试件内部缺陷劣化情况的无损检测。SDS500 型电液伺服动静试验机(图 2.3)主要由加载装置、变形量测与位移控制系统构成,试验过程中数据的采集则是通过信号放大装置将变形和荷载信息输入显示屏来完成。该试验机产生的轴向荷载最大为 500kN,往复位移的最大幅值为±75mm。
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3 单因素作用下混凝土损伤特性试验研究 ....22
3.1 疲劳荷载作用下混凝土损伤特性研究 ...........22
3.1.1 试验概况......23
3.1.2 试件现象.....24
3.1.3 试验结果与分析.......25
3.1.4 小结.............32
3.2 冻融循环作用下混凝土损伤特性研究 ...........33
3.2.1 试验概况.....34
3.2.2 试验现象.....35
3.2.3 试验结果与分析.......37
3.2.4 小结.............43
4 疲劳与冻融交互作用下混凝土损伤特性研究 ..........45
4.1 试验概况 .................46
4.2 试验现象 .................48
4.2.1 试件外观形貌变化....48
4.2.2 加载试验现象............50
4.2.3 微观形貌......52
4.3 试验结果与分析 .....55
4.4 本章小结 .................69
5 结论与展望 ..........71
5.1 结论 ...........71
5.2 展望 ...........72
 
4 疲劳与冻融交互作用下混凝土损伤特性研究
 
实际建设工程中,几乎所有的混凝土结构都是在一定的荷载作用及环境等多重因素共同作用下服役的。例如寒冷地带的混凝土大坝、桥梁和路面都要承受着交通荷载和温度等环境因素的影响,海洋工程中的混凝土建筑要同时承受机械荷载和氯盐等多种腐蚀介质的交互作用。因此在实际服役期间的混凝土建筑,其损伤性能具有复杂性和多样性的特征,而在单因素损伤作用下得出的分析结果和推导公式只具有参考性,存在一定程度的局限性。目前关于多因素交互作用下混凝土的损伤特性问题亟待解决,如多种因素作用下混凝土结构的损伤与单因素作用下混凝土结构的损伤是否存在相互影响;当一种作用在试件内部引起损伤后,交互作用对试件的损伤发展是否起到一定的改善;交互作用与单因素作用下的混凝土力学性能是否存在相对应的等式关系,即 1+1>2、1+1<2 或 1+1=2 的损伤叠加效应;疲劳荷载同冻融循环多次交互和损伤次数相同但只进行一次交互的试件力学性能是否一致。关于疲劳荷载和冻融循环交互作用下损伤劣化问题的探讨,将会对混凝土的耐久性研究提供一定的理论基础和实用价值,但由于冻融循环本身复杂性以及试验条件等因素的限制,有关疲劳荷载与冻融循环交互作用下混凝土力学性能的研究较少,而对于疲劳和冻融多次交互作用下力学损伤问题的研究更是尚无资料可查。
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结论
 
本文开展了对单一疲劳、单一冻融以及在两种疲劳加载值下疲劳-冻融一次交互和多次交互试件的损伤试验。通过对不同损伤条件下,各个试验参数的数据分析,研究了疲劳和冻融在单因素作用以及多次交互作用下试件的损伤性能,对疲劳-冻融多次交互与一次交互及单一冻融试件的损伤性能进行对照,并分析了两种疲劳加载值对多次交互作用下混凝土性能的影响,通过引入叠加效应变量 K 值以及从微观角度揭示了疲劳荷载和冻融循环两种损伤因素之间的相互关系。结合课题研究成果,得到的结论如下:
(1)开展对疲劳荷载作用下混凝土损伤特性的研究,分析了不同疲劳次数以及疲劳加载值对混凝土加载现象、相对动弹性模量,强度和变形性能的影响。结果表明,试件的相对动弹性模量在疲劳 2500 次前的下降速率较快,2500 次疲劳后下降速率缓慢;在疲劳 10000 次前,抗压强度增加,峰值应变和损伤变量降低,10000 次疲劳后,试件的抗压强度降低,峰值应变和损伤变量增加,到疲劳 12500 次时,试件的损伤变量仍然为负值。在单因素疲劳荷载的试验条件下,加载均值 0.2fc与 0.3fc试件的损伤性能并无明显区别。
(2)开展对冻融循环作用下混凝土损伤特性的研究,分析了不同冻融次数对混凝土质量、相对动弹性模量,强度和变形性能的影响。研究表明,随着冻融循环次数的增加,试件的质量呈现先上升后下降的变化趋势,相对动弹性模量则持续递减,并且减小速率较为接近。当冻融循环次数少于 50 次时,试件的抗压强度降低速率及峰值应变增加速率均相对较平缓,损伤变量增加缓慢;当冻融循环次数大于50次时,试件的抗压强度和峰值应变的变化速率均明显加快,损伤变量增幅明显加大。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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