基于变形模量的水工混凝土疲劳损伤研究
第29卷第4期文章编号:1000-7709(2011) 04-0108-03
水 电 能 源 科 学
V o l. 29N o. 4基于变形模量的水工混凝土疲劳损伤研究
赵造东, 张立翔, 李 泽
(昆明理工大学建筑工程学院, 云南昆明650051)
摘要:对C15水工混凝土做了受压疲劳试验, 并测试分析了典型循环周次的变形模量。结果发现, 水工混凝土呈现明显的疲劳损伤三阶段发展规律, 并获得了疲劳变形模量与疲劳损伤发展模型及疲劳损伤失稳判据, 对工程应用和损伤鉴定具有指导意义。
关键词:水工混凝土; 变形模量; 受压; 疲劳; 损伤中图分类号:T U 528. 1
文献标志码:A
表1 C15水工混凝土配合比
T ab. 1 Mix ing pro po r t io n o f hy draulic c o ncr et e C15
kg/m 3
水泥238
砂730
碎石1192
水
240
粉煤灰72
受高频率高应力循环荷载作用的水工建筑物, 混凝土结构内部应力场将发生剧烈变化, 极易引发疲劳损伤或破坏[1]。水工建筑物为重要建筑物, 一旦失事后果惨重。因此, 为确保水工建筑物长周期安全稳定运行, 研究水工混凝土疲劳特性是关键, 尤其汶川地震后震损分析已引起广泛关注。水工混凝土是一种大体积混凝土, 使用工况和配合比与普通混凝土不尽相同, 需满足抗压、抗拉、抗渗、抗冻、抗裂、抗冲耐磨等多项设计要求; 为达到温控防裂目的, 需掺入一定比例的粉煤灰、石粉、矿渣等掺和料; 同时为改善水工混凝土性能, 需加入适量的外加剂。因此, 水工混凝土的力学特性和疲劳性能具有自身特点, 但目前有关水工混凝土疲劳损伤的研究报道很少。鉴此, 本文针对水工混凝土疲劳损伤问题, 基于变形模量法通过疲劳试验, 研究了水工混凝土疲劳加载过程中的损伤规律。
70. 7m m 212. 1mm 的棱柱体试件。疲劳试验的加载方式为等应力控制加载, 加载比0. 1, 输入三角波, 频率为5H z 。加载装置见图1。疲劳试验结果见表2。
图1 加载装置
Fig. 1 Fa t ig ue lo ading de vic e
表2 疲劳试验结果
Ta b. 2 T es t dat a a nd par t ial re sult s o f
fa t ig ue e x pe riment
试件编号FL109-01FL109-02FL109-04FL109-06FL109-07FL109-09
应力/M Pa max 10. 109. 9710. 0210. 129. 057. 25
min 1. 0100. 9971. 0201. 0100. 9050. 725
E 0/GPa 13. 7010. 7712. 7616. 9011. 817. 93
N /a [***********]32222
1 疲劳试验
变形模量法根据等应变假设而得, 简单明确, 且变形模量也较易测试获得[2]。基于变形模量对水工混凝土做了疲劳试验。试件采用C15水工
混凝土, 配合比见表1。在美国M TS 810TestStar 材料试验系统上做疲劳试验, 应力、应变通过其配置的荷载传感器和引伸仪器测得。由于受试验系统加载能力的限制, 采用尺寸为70. 7mm
收稿日期:2010-10-28, 修回日期:2010-12-06
注:E 0为混凝土初始变形模量; N 为疲劳寿命。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51009074) ; 云南省应用基础研究计划基金资助项目(2008ZC028M ) 作者简介:赵造东(1976-) , 男, 博士研究生、高级工程师, 研究方向为混凝土疲劳, E -mail:zd_zhao@chng. co m. cn 通讯作者:张立翔(1959-) , 男, 教授、博导, 研究方向为流固耦合及混凝土结构性能动力, E -mail:zlx zcc@126. com
图2为按一定循环次数对变形模量采集结果。由图可看出, E 在整个全寿命期间呈现明显的3阶段发展规律, 与文献[3]的试验结果吻合: 第1阶段。约占N 的10%。混凝土粗骨料与胶凝材料间的薄弱面开始萌生裂缝, E 衰减很快, 但衰减速度逐步放缓。 第2阶段。约占N 的80%。裂缝稳定扩展、增长, E 基本呈现线性增长。 第3阶段。约占N 的10%。混凝土裂缝开始贯通、失稳, 形成宏观大裂缝, E 快速衰减, 最
后导致混凝土损伤破坏。
表3 疲劳变形模量及损伤变量回归结果T ab. 3 Re gr es sio n re sult s o f de f or ma t ion mo dulus
a nd f at ig ue da ma g e
试件编号FL109-01FL109-02FL109-04FL109-06FL109-07FL109-09
p /GPa -6. 41-5. 21-5. 54-8. 07-3. 61-5. 12
d 0. 4680. 4840. 4340. 4780. 4550. 434
R 0. 960. 990. 930. 980. 980. 94
注:R 为回归相关系数。
式(1) 回归的相关系数非常高, 因此采用式(1) 作为循环寿命比n/N =0~0. 9区间, 变形模量发展规律的模型合适。在此区间, 虽E 0相差很大, 但d 却差异不明显, 在0. 43~0. 48之间, 平均值
0. 459, 所以本批试件在n/N =0~0. 9区间, 疲劳损伤发展规律为:
D =0. 459(n/N )
图2 E 与n /N 的关系
Fig. 2 Re la t ions hip bet w e e n E and n /N
1/2
(3)
当n/N =0. 9时, 混凝土开始疲劳失稳, 由式(3) 和文献[4]提出的损失变量可得相对应的D =0. 435、E =0. 565E 0, 可作为此类水工混凝土疲劳失稳的判据。文献[5]获得的E 0. 818E 0时开始疲劳失稳。本文获得的失稳时变形模量偏低
, 是由于水工混凝土初期强度与初始变形模量低、韧性较高的特性所致。
2 试验分析
第1、2阶段约占全寿命的90%, 为疲劳的起始和发展阶段; 第3阶段为失稳阶段, 由于测试仪器与技术的限制, 虽获得的数据基本能判断发展趋势, 但因分析不够, 故本文将1、2阶段合为一个阶段, 根据E 的发展趋势, 采用如下函数回归:
E =E 0+p (n/N ) 1/2(1) 式中, p 为疲劳变形模量发展系数。以E 0为截距, FL109-01试件回归结果见图3
。
图4 D 与n /N 的关系
Fig. 4 Re lat io nship be t w ee n D a nd n /N
3 结语
a. 水工混凝土变形模量在整个全寿命期间呈现明显的3阶段发展规律, 与普通混凝土的发展
图3 FL109-01试件E 与Fig. 3 Re g re ss io n of E a nd
/N of spe c ime n FL109-01
规律基本吻合。
b. 基于试验结果与数据回归, 水工混凝土在循环寿命比0~0. 9、变形模量E =E 0+p D =d
N 时是可行的。
N 、
根据文献[3]用循环寿命比表达的换位变量(D =1-[f (n/N) ]/E 0) 及式(1) 可得:
D =d(n/N ) 1/2其中
d =-p /E 0
(2)
c. 当疲劳失稳点n/N =0. 9、D =0. 435或E =0. 565E 0时, 水工混凝土的疲劳性能优于普通混凝土, 可作为此类水工混凝土疲劳失稳的判据。
(下转第107页)
式中, d 为疲劳损伤发展系数, 与材料性质有关。
6个试件的回归结果见表3。由表可知, 使用
力随时间增加而增加, 最大值出现于底板第一层或台墩第一层浇筑块边缘和底部, 随龄期增加而增大。但比较不同间隔期应力大小可知, 间隔期1、3d 各浇筑层主应力均偏大, 而5、7d 间隔期仅结构接触部分的浇筑层主应力偏大, 其他各层趋于稳定, 且总体应力值较1、3d 小。另外, 5、7d 间隔期应力已基本稳定, 加之考虑施工进度和预算因素, 因此取5、7d 浇筑方案较合理。
为进一步论证已选方案的合理性, 对各间隔期的最大主应力进行拟合, 并与容许应力进行比较见图4。由图可看出, 5、7d 间隔期温度应力相对较小,
且满足容许应力要求。
a. 基于前人理论和实践, 通过不同浇筑间隔期的对比, 得出对本工程结构稳定和安全最有利的施工方案, 既满足了稳定和防裂的要求, 又较好地解决了施工进度与预算成本的矛盾, 可供其他类似工程借鉴。
b. 由于工程规模较小和条件限制, 未考虑日照对温度的影响, 也未取更长间隔期进行对比分析。在实际应用时应采取有针对性的方案和参数进行更精确和深入的研究。参考文献:
[1] 朱伯芳. 大体积温凝土温度应力与温度控制[M ]. 北
京:中国电力出版社, 1999.
[2] 朱伯芳, 王同生, 丁宝瑛, 等. 水工混凝土结构的温
度应力与温度控制[M ]. 北京:水利水电出版社, 1976.
[3] 彭立海, 阎士勤, 张春生, 等. 大体积混凝土温控与
防裂[M ].河南:黄河水利出版社, 2005.
[4] 交通部水运规划设计院, 交通部第一航务工程勘察
设计院, 中国船舶工业总公司第九设计研究院, 等. 干船坞设计规范(JT J252-87) [S]. 北京:人民交通出版社, 1987.
[5] 石亦平, 周玉蓉. A BA Q U S 有限元分析实例详解
[M ].北京:机械工业出版社, 2006.
图4 各间隔期最大主应力与容许应力散点拟合曲线
Fig. 4 Fit t ed c urv e o f max imum pr inc ipa l
s t re ss and allo w able st r es s
3 结语
S imu lation Analysis of T emp erature C ontrolling of Massive C oncrete of Dock Head
LI Xiaoqi 1, 2, 3, WU Dan 1, 2, 3, ZH ANG Wei 1, 2, 3
(1. State K ey Laboratory of Hydrology -Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai U niversity, Nanjing 210098, China; 2. National Eng ineering Research Center of Water Resources Efficient U tilization and Eng ineering Safety, Ho hai U niversity, Nanjing 210098, China; 3. Colleg e o f Water Co nser vancy and H ydro po wer , H ohai U niv ersity , N anjing 210098, China)
Abstract:Based on the heat conduction equation and stress increment equation, the HyperM esh softw ar e is applied to estab -lish model of dock head by using 1~7d different pouring schemes. And temperature and str ess fields of the first floor do ck and platform pier within 0~90d pouring are calculated with ABAQU S. T hen the temperature field and str ess curves are plotted and the most cracking area and time are obtained. T hus, a so lution scheme is given and the o ptimal prog ram is determined.
Key words:mass concrete; finite element; temperature field; stress field; simulatio n analysis
(上接第109页) 参考文献:
[1] 王洋, 马震岳, 张运良, 等. 脉动水压力作用下巨型
水电站流道系统的疲劳分析[J]. 水电能源科学, 2007, 25(1) :102-105.
[2] 张滨生, 吴科如. 水泥混凝土疲劳破坏的损伤力学分析[J]. 同济大学学报, 1998, 17(1) :56-69.
[3] 林燕清. 混凝土疲劳累积损伤与力学性能劣化研究
[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学, 1998.
[4] 余寿文, 冯西桥. 损伤力学[M ].北京:清华大学出版
社, 1997.
[5] 欧进萍, 林燕清. 混凝土疲劳损伤的强度和刚度衰减
试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报, 1998, 8(4) :1-8.
Research on Fatigue Damage of Concrete in Hydraulic Structure
Based on Deformation Modulus
ZH AO Zaodong, ZH ANG Lixiang, LI Ze
(Faculty of A r chitecture Civ il Eng ineer ing, K uming U niver sity o f Science and T echno lo gy , K unming 650051, China) Abstract:T he compressiv e fatig ue ex per iment s on co ncrete in hy dr aulic str uctur e C15ar e perfo rmed and the defo rma -t ion modulus of the typical cycles is also tested. By analyzing the r esults o f t his fatigue ex periments, it show s that the fa -t igue damag e of concrete in hydraulic st ructur e appears three -phase r ules. T he dev elo pment model o f fatig ue deformat ion modulus, the develo pment model o f fatig ue damage, and the instabilit y cr iterion of fatig ue damage are o bta ined fo r con -cr et e in hy draulic structure, and research results are quite valuable fo r the engineer ing application and damag e ev aluatio n.
Key words:co ncr ete in hy dr aulic structure; defor matio n mo dulus; compr essio n; fatig ue; damag e