疲劳载荷与碳化耦合作用下结构混凝土寿命预测.pdf
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1、第 1 3卷第 3 期 2 0 1 0年 6月 建筑材料学报 J 0URNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 3 ,No 3 J u n , 2 0 1 0 文章 编号 : 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 3 0 4 0 6 疲劳载荷与碳化耦合作 用下结构混凝土寿命预测 蒋 金 洋, 孙伟 , 金祖权 , 王彩 :耀 ( 东 南大学 江 苏省土木 工程材 料重 点实验室 ,江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 : 从 材料层 次分析 了疲 劳载荷 与碳化 作 用对 混凝 土的耦 合 效应 疲 劳栽荷 对 混凝
2、 土碳 化 的影 响 可归 结为 它对 混凝 土 C O 扩散 系数 的影 响 , 疲 劳动 载荷 会 导致 混凝 土裂 纹 间隙 因子 减 小, 从 而 使 混凝土 C O 气扩散 系数 随 其疲 劳损 伤程 度 增加 而增 大 根 据 混凝 土 承 受 的 疲 劳载 荷 和 大 气环 境, 建立 了疲劳载荷与大气环境复合作用下的混凝土碳化寿命预 测模型 计算结果表明: 疲劳载荷 对 混凝 土损 伤程 度越 大 , 其服 役寿命 降低就越 显 著 ; 混 凝 土抗疲 劳栽荷 能 力越 强 , 且运 营过程 中承 受的疲 劳载 荷应 力水平越 小 , 其服役 寿命就越 大 关键 词 :结构 混
3、凝 土 ; 疲 劳载荷 ; 碳 化 ; 服 役 寿命 中图分类号 : TU5 2 8 0 1 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 3 0 0 7 S e r v i c e Li f e Pr e d i c t i o n o f S t r u c t u r a l Co nc r e t e u n d e r Co u p l e d I n t e r a c t i o ns o f Fa t i g u e Lo a d i n g a n d Ca r b o n a t i o
4、 n Fa c t o r JI ANGJi n y a n g, SUN We i , JI N Zu q u a rt, WANG C a i h u i ( J i a n g s u Ke y L a b o r a t o r y f o r Co n s t r u c t i o n Ma t e r i a l s ,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6,Ch i n a ) Abs t r a c t :Th e c o up l i ng e f f e c t o f f a t i
5、g ue l o a di ng a nd c a r bo n a t i o n e nv i r o n m e nt wa s s t u di e d on t he l e v e l o f ma t e r i a 1 Th e e f f e c t o f e nv i r o nme n t a l l o a di n g a nd f a t i g ue l o a di ng o n c a r bo na t i o n of c o n c r e t e c o ul d b e r e l a t e d t o CO2 d i f f u s i on
6、c o e f f i c i e nt I t i s s ho wn t h a t f a t i gu e l o a d i n g r e d uc e s t he c r a c k i nd e x of c o nc r e t e , S O t h a t CO2 di f f u s i on c o e f f i c i e n t o f c o nc r e t e i nc r e a s e s wi t h t h e de gr e e of d a ma g e c a us e d by f a t i g u e l o a di n gBa s
7、 e d o n t h e mul t i f a c t or s o f f a t i g ue l o a d i ng a n d CO2 d i f f us i o n, a n e w s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n mo de l i s pr op os e d Re s ul t s o f t he c a l c u l a t i o n a l s o d e mo ns t r a t e s t h a t t he i n c r e a s e d d e g r e e of d a ma g e d
8、u e t o f a t i g ue l o a d i n g s ho r t e ns t he s e r v i c e l i f e o f c o nc r e t e I f c o nc r e t e ha s go o d r e s i s t a nc e t o f a t i g ue l o a d i ng, i t s s e r v i c e l i f e wi l l b e l o ng e r t ha n t h a t o f o r di n a r y c o nc r e t e Ke y wo r ds :s t r u c t
9、 u r a l c o n c r e t e ;f a t i g u e l oa d i ng;c a r b o na t i o n;s e r v i c e l i f e 载 荷是 引发混 凝 土裂 纹 的重要 因素 , 而 微裂 纹 又为 c O 。 在混凝土中快速扩展提供 了便利的通道 C a s t e l 等l 】 用预制好的钢筋混凝土构件进行 了长达 1 3 a的混凝 土碳化试 验 , 结 果发 现 , 承 受正常 载荷 的 混凝 土梁 , 其碳 化 深度要 大于不 承受 载荷混凝 土梁 金祖权等口 通过养护 2 8 , 9 0 d混凝土的快速碳化试 验 , 在 载
10、荷率 分 别 为 2 5 , 5 O 的 弯 拉 载荷 作 用 下 研究 了混凝 土的抗 碳 化 能力 , 结 果 显示 施 加 载荷 后 混凝 土的抗碳 化 能力显著 劣化 然而 , 在载荷 与环境 因素作用下混凝土的损伤劣化是一个长期而又复杂 的过程 , 目前所得 到 的 结论 与 表 达 式大 多 是基 于 室 内加速试验建立起来的, 因而具有一定的局限性 另 外 , 在实 际工程 中混 凝 土结 构 除 了 承受 静载 荷 外还 经常遭受动载荷作用 , 这使问题的研究更加复杂 需要特别指出的是 , 疲劳载荷与环境因素耦合 作用下混凝土的耐久性试验存在着两个难以解决的 问题: 一个是疲劳
11、损伤与环境载荷难 以真正耦合起 来 , 只能用协同作用的方法来近似模拟它们 的耦合 收稿 日期 : 2 0 0 9 一 l O 2 8 ;修订 日期 : 2 0 0 9 1 1 - 2 3 基金项 目: 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项 目( 2 0 0 9 c B 6 2 3 2 O 3 ) ; 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项 目( 2 0 0 8 AA0 3 0 7 0 4 ) 第一作者 : 蒋金洋( 1 9 7 4 一) , 男, 山东诸城人 , 东南大学博士 E ma i l : j i n y a n g j i a n g 1 6 3 c o m 学兔兔
12、 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 蒋金洋 , 等 : 疲 劳载荷与碳化耦 合作 用下结构混凝 土寿命预测 3 0 7 研究表明, 混凝土疲劳方程可用下式表示 : s n b i g N ( 1 8 ) 式 中 : S 为 疲劳载 荷 的最 大 应 力水 平 ; a , b为 试 验 常 数 ; N 为 S 作用 下混凝 土 的极 限疲劳 寿命 为 了简化 计 算 , 假 设混 凝 土疲 劳 损伤 过程 的 第 一 、二发展 阶段均 为
13、线性变化 , 而且 这两个 发展 阶段 的疲劳循环 寿命约 占整个 疲劳 过程 的 9 O ( 其 中第 二发展 阶段 约 占 8 0 ) , 则 : n o 9 NF一 e B ( 1 9 ) 式 中: 为混凝 土疲 劳损 伤 过程 中第 二 发 展 阶段 结 束时对应的残余应变 ; N 为疲劳载荷作用下混凝 土疲劳损伤破坏时的循环寿命, 可由式( 1 8 ) 求出 本 文基于混 凝土疲 劳损伤两 个发展 阶段定 义 了 疲劳损 伤系数 K , 即 : Kd n O 9 NF , ( Kd 1 ) ( 2 0 ) 由式 ( 1 9 ) , ( 2 0 ) 可得到混 凝土在 不 同服役 时 间
14、( 疲劳 时间) 丁的损伤系数 K Kd 一 3 6 5 I n d o 9 1 0 “ = = = : e B ( 2 I ) 式 中 : , z 为混凝土 日疲劳循 环次数 ( 日通 车量 ) 则混凝 土在 T 时刻 ( 次疲劳循环 ) 的残余 应变 为 : : ( 丁)= 3 6 5 Tn d e B o 9 1 0 ( 2 2 ) 由式 ( 2 1 ) , ( 2 2 ) 可 得到 混凝 土 在承 受 动载 荷 作用 下 的裂纹间 隙因子 与疲 劳损伤历程 的 函数关 系为 : _厂 ( 丁)一 l + 2 ( T)一 1+ 2 o 9 1 0 3 6 5 n d 丁 E ( 2 3
15、) , ( 丁 ) 称 为 1 、 时刻 的裂纹 间 隙因子 由式 ( 2 3 ) 可 见 , 混 凝 土 的裂 纹间 隙 因子 随着 疲 劳循环寿命的增加而下降 综合 以上各 式 , 则可 得到疲劳 载荷影 响系数为 : Dt 0 l a l 1 1 0 7 8 5 D k lo ad 一 一 十 一 + 等 D c ( 2 43 6 5 n 0 9 1 0 D ) d 丁 B + 2 ” 根据式( 2 ) , ( 2 4 ) 可得疲劳载荷与环境耦合作用 下混凝 土 的服役 寿命 ( 混 凝 土服役 丁年 时 的碳 化 深 度 ) z ( 丁) 为 : z ( 丁)一 、 丽 2 c D o
16、 T k k R H k o 走 l d ( 2 5 ) 式 中 : f 为混 凝土服役 环境 C O 浓度 ( ) 2 算例 2 1 配合 比与性 能参数 以苏通 大桥索塔 锚 固区混凝 土 ( C 5 o , 2 8 d的抗 压 强度为 6 7 MP a ) 为实例来研 究疲劳损 伤对其 服役 寿命 的影 响 水 泥 采 用 苏通 大 桥 工 程 现场 用 P O 4 2 5 水 泥 ; 粉煤 灰 采 用镇 江 苏源 I级 粉煤 灰 ; 细 集 料采用赣江 中粗河砂 , 细度模数为 2 6 , 级配合格, 表 观密度 为 2 6 5 0 k g m 。 ; 粗集 料 采 用镇 江 茅 迪
17、玄 武 岩碎石 , 5 0 1 6 5 mm 连续 级 配 , 表 观 密 度 为 2 7 0 0 k g m。 ; 外加剂为聚羧酸型高分子聚合物 , 具 有 超塑化 、 高效减 水 和增 强 、 低收 缩 等功 能 ; 水 为 自 来水 混凝土配合比见表 1 表 1 混凝土配合比设计 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n s o f s a mp l e 经弯 曲疲 劳试 验 研究 , 苏 通 大桥 索 塔锚 固区 混 凝土保证率为 9 5 的疲劳方程 为: s 1 07 0 09 1 g N ( 2 6 ) 经弯 曲疲 劳作用 下 的变形 性 能 分析
18、, 得 到 该混 凝 土 在疲劳损伤过程的第二发展阶段结束时对应的残余 应变 B 一1 2 O 1 O 另外 , 通过 2 8 d快速 碳化 试 验测得该混凝 土 C O。 扩散系数 D。 为 3 7 1 1 0 m s 2 2 疲 劳载荷对 混凝土 服役寿命 的影 响 2 2 1 疲劳损 伤对混凝 土 C O : 扩 散系数 的影 响 由上述 分 析 可 得 : D。 一 k a D。 , 其 中 D a 为 C O 在遭 受疲劳损 伤混凝 土中的扩散 系数 利用式( 2 5 ) 可得到疲劳载荷最 大应力水平为 0 2 0 , 平 均车流量 为 7 O 0 0 0辆 d时 苏通大桥 索塔锚
19、固区混凝土 C O。 扩散系数随服役时间的演变规律 , 结果见 图 4 图 4 疲劳载荷影响系数与服役时间的关系 Fi g 4 Re l a t i o ns hi p be t we e n dy na mi c a c c e l e r a t i o n d i f f us i o n f a c t o r a n d s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 8 建筑材料学报 第 1 3 卷 由图 4可知 : 随着 混凝土 服役时 间的增加 , 疲 劳 载荷影响系数不
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- 关 键 词:
- 疲劳 载荷 碳化 耦合 作用 结构 混凝土 寿命 预测
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