結(jié)構(gòu)疲勞試驗剖析

1、結(jié)構(gòu)疲勞試驗,疲勞試驗的歷史及實例疲勞試驗的內(nèi)容疲勞試驗機結(jié)構(gòu)疲勞試驗的方法混凝土受彎構(gòu)件疲勞破壞的標(biāo)志疲勞試驗的觀測疲勞試驗試件的安裝混凝土疲勞性能試驗研究現(xiàn)狀,1.疲勞試驗的歷史,1829年德國人阿爾貝特(J.Albert)為解決礦山卷揚機服役過程中鋼索經(jīng)常發(fā)生突然斷裂,首先以10次/分的頻率進行疲勞試驗。1852-1869年德國人沃勒(A.Wöhler)為研究機車車輛開始以15次/分的頻率對車輛部件進行拉

2、伸疲勞試驗,以后又用試樣以72次/分的頻率在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，他的功績是指出一些金屬存在疲勞極限，并將疲勞試驗結(jié)果繪成應(yīng)力與循環(huán)周次關(guān)系的-曲線 ，又稱為Wohler曲線。因此應(yīng)力-疲勞壽命曲線稱為“ S- N曲線”，自從1936 年以后也叫“ Wöhler 曲線”。,,1,實例,,載荷 F 的大小循環(huán)變化,聯(lián)桿內(nèi)應(yīng)力隨之變化,每個齒隨齒輪轉(zhuǎn)動循環(huán)受力，齒內(nèi)應(yīng)力循環(huán)變化,起落架因飛機起落而反復(fù)受載,（載荷

3、不變, 軸轉(zhuǎn)動）,2.疲勞試驗的內(nèi)容,研究性疲勞試驗一般研究以下內(nèi)容：應(yīng)力隨荷載重復(fù)次數(shù)變化情況；開裂荷載及開裂情況； 裂縫的寬度、長度、間距及其隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化；最大繞度及其變化；疲勞極限； 疲勞破壞特征。,鑒定性疲勞試驗,3.疲勞試驗機,疲勞試驗機概述疲勞試驗機，是一種主要用于測定金屬及其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或拉、壓交變負(fù)荷的疲勞性能試驗的機器。疲勞試驗機特點是可以實現(xiàn)高負(fù)荷、高頻率、

4、低消耗，從而縮短試驗時間，降低試驗費用。,電液伺服疲勞試驗機,功能用途：主要用于撿測各種材料、零部件、彈性體、橡膠彈性體和減振器的動、靜態(tài)力學(xué)性能試驗。試驗機操作靈活方便,移動橫梁升降、鎖緊、試樣夾持均由按鈕操作完成,采用先進的液壓伺服驅(qū)動技術(shù)加載、高精度動態(tài)負(fù)荷傳感器和高分辨率磁致伸縮位移傳感器測量試件力值和位移。,電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機,功能用途： 主要用于金屬及非金屬等各種材料扭轉(zhuǎn)試驗，進行靜態(tài)或動態(tài)扭轉(zhuǎn)疲勞耐

5、久性試驗，能實現(xiàn)扭矩及扭角的測量和控制，通過增配相應(yīng)夾具，還可進行各種零件的扭轉(zhuǎn)試驗。并可配備高溫爐、低溫箱、腐蝕箱等環(huán)境箱，完成材的在不同壞境下的力學(xué)測試。,電液伺服拉扭疲勞試驗機,功能用途：主要用于金屬材料及其構(gòu)件等零部件的拉、壓、扭、多向復(fù)合試驗，能在正弦波、三角波、梯形波、斜波、用戶自定義波形下進行多種試驗，根據(jù)試驗部件的不同可以進行以下試驗：1、單純拉壓疲勞試驗2、單純扭轉(zhuǎn)試驗3、拉（壓）扭復(fù)合試驗,電液伺服腐蝕疲勞試

6、驗機,,功能用途：電液伺服腐蝕疲勞試驗機專用于鈦合金及其他材料在恒幅軸向加載和腐蝕環(huán)境條件下的腐蝕疲勞強度和腐蝕疲勞壽命測試。,4.結(jié)構(gòu)疲勞試驗的方法,1． 按試樣破斷時應(yīng)力（應(yīng)變）循環(huán)周次高低可分為：低周疲勞試驗、高周疲勞試驗。失效循環(huán)周次大于5X 的稱為高周疲勞試驗，小于5X 的稱為低周疲勞試驗。2． 按試樣的加載方式可分為：拉-壓疲勞試驗、彎曲疲勞試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、復(fù)合應(yīng)力疲勞試驗。彎曲疲勞試驗又可分為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞

7、試驗、圓彎曲疲勞試驗、平面彎曲疲勞試驗；又可分為三點彎曲、四點彎曲、懸臂彎曲疲勞試驗。3． 按應(yīng)力循環(huán)的類型可分為：等幅疲勞試驗、變頻疲勞試驗、程序疲勞試驗、隨機疲勞試驗等。,5.混凝土受彎構(gòu)件疲勞破壞的標(biāo)志,一、正截面疲勞破壞的標(biāo)志是某一根縱向受拉鋼筋疲勞斷裂，或受壓區(qū)混凝土疲勞破壞； 二、斜截面疲勞破壞的標(biāo)志是1某一根與臨界斜裂縫相交的腹筋（箍筋或彎筋）疲勞斷裂，2混凝土剪壓疲勞破壞，3與臨界斜裂縫相交的縱向鋼筋疲勞斷裂；

8、。,腹筋配筋率很高,腹筋配筋率正?；蜉^低時可能發(fā)生,縱向配筋率較低,,三、在錨固區(qū)鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固疲勞破壞；四、在停機受力情況進行一個循環(huán)的靜載試驗時，出現(xiàn)下列情況之一：1）受拉主筋處的最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm，或撓度達(dá)到跨度的1/50，將此作為鋼筋屈服的標(biāo)志。一般配筋適中的梁，多數(shù)出現(xiàn)這種標(biāo)志。2）受壓區(qū)混凝土破壞。這是一種脆性破壞，此時受拉主筋處的最大裂縫寬度未達(dá)到1.5mm，且撓度小于跨度的1/50。配筋過

9、多或混凝土強度太低的梁，出現(xiàn)此種標(biāo)志。3）受拉主筋拉斷。這是另一種更為危險的脆性破壞，它發(fā)生于配筋過少或預(yù)應(yīng)力過高的梁,6.疲勞試驗的觀測,1．疲勞強度科研性試驗是以疲勞極限強度和疲勞極限荷載作為最大的疲勞承載能力。構(gòu)件達(dá)到疲勞破壞時的荷載上限值和應(yīng)力最大值分別為疲勞極限荷載和疲勞極限強度。為了得到給定疲勞應(yīng)力比值（值）條件下的疲勞極限強度和疲勞極限荷載，一般采取的辦法是:根據(jù)構(gòu)件實際承載能力，取定最大應(yīng)力值 ，作疲勞試

10、驗，求得破壞時荷載作用次數(shù)n，從 與n雙對數(shù)直線關(guān)系中求得控制疲勞次數(shù)下的疲勞極限強度，作為標(biāo)準(zhǔn)疲勞極限強度。它的統(tǒng)計值作為設(shè)計驗算時疲勞強度取值的基本依據(jù)。,,,,2．應(yīng)變測量一般采用電阻應(yīng)變片測量動應(yīng)變，測點布置依試驗具體要求而定。測試方法：動態(tài)應(yīng)變儀和記錄器或靜態(tài)應(yīng)變儀等3．裂縫裂縫的開始出現(xiàn)和微裂縫的寬度對構(gòu)件安全使用具有重要意義。因此，裂縫測量也很重要。目前測裂縫的方法是利用光學(xué)儀器目測或利用應(yīng)變傳感器電

11、測。4．撓度接觸式測振儀、差動式位移計、電阻應(yīng)變式位移傳感器或百分表（停機作靜載試驗時）。,7.疲勞試驗試件的安裝,具體安裝應(yīng)注意： 嚴(yán)格對中 保持平穩(wěn) 安全防護,8.混凝土疲勞性能試驗研究現(xiàn)狀,縱觀目前國內(nèi)外關(guān)于混凝土疲勞的試驗研究情況,整體上可以劃分為兩個方面:簡單應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞在簡單應(yīng)力狀態(tài)下,研究者做了大量關(guān)于混凝的軸壓、軸拉、彎拉、拉-壓疲勞的試驗研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,

12、國內(nèi)外的研究有少量關(guān)于多軸疲勞及考慮周圍約束的拉-壓疲勞的資料.另外,考慮溫度、腐蝕等環(huán)境的混凝土疲勞試驗研究則是極少.,受壓疲勞,單軸受壓 國內(nèi)外目前關(guān)于混凝土單軸受壓疲勞試驗一般都在電液伺服萬能疲勞試驗機上進行以不同應(yīng)力水平和應(yīng)力比與相應(yīng)混凝土疲勞壽命的關(guān)系,建立S-N方程,從而得出混凝土的抗壓疲勞強度.Aas-Jakobsen最早提出了最大應(yīng)力水平與加載次數(shù)的直線形式Wohler方程,如圖1所

13、示的典型的三階段疲勞變形規(guī)律,即在等幅壓載作用下變形的加速增長、穩(wěn)定增長以及不穩(wěn)定增長的三個階段. 其中,N為加載次數(shù);Nf為疲勞命;Smax為最大加載應(yīng)力比;ε為疲勞應(yīng)變. 從圖1中還可以看出在同一循環(huán)次數(shù)比的情況下,最大應(yīng)力水平越高,應(yīng)變及變形也越大.,應(yīng)力比：指對試件循環(huán)加載時的最小荷載與最大載荷之比,,雙軸受壓疲勞 目前對于雙軸受壓疲勞試驗主要考慮兩個受壓方向上的加載歷程、應(yīng)力比大小及加載次

14、數(shù)3個方面的影響;少量定側(cè)壓下的雙軸疲勞試驗,則主要考慮側(cè)壓力大小對混凝土疲勞性能的影響,由于雙軸疲勞試驗機的限制,試件一般采用立方體.,,三軸受壓疲勞 對于混凝土的三軸受壓疲勞試驗國內(nèi)外研究資料則較少。 曹偉等就定側(cè)壓混凝土的三軸受壓等幅疲勞問題做過試驗,試驗得出定側(cè)壓混凝土的三軸疲勞破壞是以混凝土側(cè)壓的急劇增大拐點為標(biāo)志,并且以該點所對應(yīng)的縱向應(yīng)力作為混凝土在不同側(cè)壓

15、工況下的極限強度;通過對變形性能的分析可以看出,三軸壓載作用下混凝土縱向最大和最小應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律,應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出類似單軸。,受彎疲勞,抗彎疲勞在有的文獻中又稱抗折疲勞,所研究的對象一般為混凝土或者預(yù)應(yīng)力混凝土梁板,抗彎疲勞問題因其在公路橋梁交通領(lǐng)域中大量出現(xiàn),使得相應(yīng)的試驗研究資料較多,,素混凝土的彎曲疲勞 目前,國內(nèi)外對于素混凝土的受彎疲勞性能的試驗研究,以小跨徑的梁和板為研究對象,通過齡期、加載頻率、應(yīng)力水

16、平的不同來分析混凝土受彎疲勞壽命和疲勞強度.抗彎試驗一般采用三分點加載或跨中加載的方式.,鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞,對于配有高強鋼筋的高強混凝土梁在等幅彎載下的抗彎疲勞性能試驗研究也比較多。 試驗重點大都放在了等幅疲勞荷載作用下鋼筋混凝土梁的裂縫寬度、撓度以及疲勞剛度的變化規(guī)律上.鐘銘等通過對幾組鋼筋混凝土梁受彎疲勞過程中裂縫和撓度的觀測,得出高強混凝土梁隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加。 此外

17、,還總結(jié)出疲勞荷載作用N次后構(gòu)件的裂縫寬度可根據(jù)初始裂縫寬度和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變增長系數(shù)來計算.然而,目前的資料對于變幅疲勞荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究較少,而實際結(jié)構(gòu)則主要承受變幅荷載的作用.,受拉疲勞,由于大部分的混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中受拉區(qū)的混凝土已經(jīng)開裂,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中總是忽略混凝土材料的抗拉強度,而由鋼筋承受結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力,又加之試驗得出的抗拉強度離散性很大,所以目前國內(nèi)外對于混凝土抗拉疲勞的試驗資料較少.,,單軸受拉疲勞

18、Cornelissen等完成的混凝土軸拉疲勞試驗是很具有說服力的資料,他們采用Φ120×300圓柱體試件,進行了250個等幅疲勞試驗,得到混凝土軸拉疲勞方程為 lgN=14.18-14.52ftmax/ft+2179ftmin/ft 同時他們還得出混凝土靜載強度的離散性導(dǎo)致疲勞壽命離散性的主要原因.,多軸受拉疲勞,關(guān)于混凝土的多軸受拉疲勞性能,大連理工大學(xué)的趙東拂和楊健輝進行了變截面混凝土棱柱體試件在一向定側(cè)壓約束和

19、兩向定側(cè)壓約束下的雙軸和三軸受拉等幅和變幅疲勞試驗研究.根據(jù)結(jié)果得到定側(cè)壓下雙軸和三軸疲勞S-N曲線方程分別為,拉-壓疲勞,由于拉-壓疲勞試驗對試驗設(shè)備的要求較高實現(xiàn)疲勞加載所需的夾具制造難度大,試驗過程控制復(fù)雜,試驗周期長,并需要有雄厚的人力、物力和財力支持.所以,到目前為止,關(guān)于混凝土在波動拉-壓疲勞方面的研究資料極少.,總結(jié),從受壓、受拉、受彎及拉-壓疲勞的試驗可以看出,混凝土單軸受壓、受拉以及拉-壓疲勞的試驗研究較多,多軸受壓、

20、受拉疲勞較少;試驗試件中以混凝土梁或立方體試件較多,板作為試驗試件則很少.由于試驗受到試驗設(shè)備、試驗條件、環(huán)境等因素的影響,試驗結(jié)果表現(xiàn)出多樣性,具體試驗結(jié)果的可行性、重要性還要通過以后進一步的試驗研究得以確定.,橡膠試片疲勞試驗,橡膠試片是橡膠材料研究中最為常見的測試對象，因其制造工藝簡單、試驗周期較短及疲勞測試時占用資源較少等性能，經(jīng)常在拉伸、拉伸率、蠕變及疲勞等材料屬性測試中使用。 本

21、次橡膠材料單軸拉伸疲勞屬性試驗的主要目的在于探討固定載荷比R 下，其疲勞試驗方案、試驗原理，測試其加載過程中的應(yīng)變、盈利率及應(yīng)變能密度所呈現(xiàn)的變化值。,試驗對象,本次試驗設(shè)計了如圖4-2的橡膠試片做為測試對象。該試片兩端為夾持段，中間段為疲勞觀測區(qū)域。本次試驗共硫化了200張2mm厚的試片，用于裁剪啞鈴型試片，可獲啞鈴型橡膠試片約800條。,測試設(shè)備,此次試驗選用 Demattia 公司生產(chǎn)的 EKT-2102DFT型 Flex

22、ing Fatigue Tester（柔性疲勞測試系統(tǒng)）。該設(shè)備如圖 4-3 所示，可進行高、低溫疲勞性能測試。 本次試驗使用設(shè)備工具如表 4-1 所示、其性能指標(biāo)如表 4-2 所示。,測試方法,試片如圖 4-4 所示安裝于固定架上，選擇用于產(chǎn)生正確激勵的加載凸輪。當(dāng)凸輪在其最低點時調(diào)整好橡膠試片的初始長度L i，然后設(shè)置好加載參數(shù)此次試驗載荷方案計劃見表 4-3 所示。試驗環(huán)境為常溫，加載頻率為 5Hz，每種應(yīng)變水