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再生混凝土疲劳强度的有限元FEA分析

发布于:2026-04-17 20:35
FEA

      随着土木工程的发展,再生混凝土(RAC)的应用越来越广泛。为了将再生混凝土安全可靠地应用于工程实践中,再生混凝土的相关性能研究引起了人们的重视。国外对再生混凝土的相关性能研究较早,研究内容主要包括再生混凝土的长期强度、收缩与徐变、耐久性能等。国内肖建庄等从材料层次、构件层次到结构层次对再生混凝土相关性能作了系统研究,包括对不同来源的再生粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度抗压强度分布特征、再生混凝土的耐久性能、再生混凝土组合板抗剪性能、再生混凝土框架节点抗震性能,再生混凝土结构抗震性能以及用格构模型对再生混凝土进行单轴受压数值模拟等。虽然对再生混凝土相关性能作了大量研究,但目前还没有相关规范对再生混凝土疲劳强度的计算提供依据。
      肖建庄等通过试验研究了再生混凝土弹性模量和再生粗骨料取代率之间的关系,当再生粗骨料取代率达到100%的时候,再生混凝土的弹性模量大致降低45%。因试验费用高、周期长及试验数据离散程度大,现阶段再生混凝土疲劳性能的试验研究资料较少。针对这一问题,本文探讨从再生混凝土弹性模量出发建立再生混凝土疲劳强度与弹性模量的关系,从而对其疲劳寿命进行FEA预测。
      水泥(C):海螺牌32.5R普通硅酸盐水泥、砂(S):普通天然黄砂。拌和水(W):自来水。天然粗骨料为连续级配天然碎石,最大粒径31.5mm。再生粗骨料粒径分5~15,15~31。5mm两种,且两者质量比为3:2。混凝土的配合比见表,其中:普通混凝土(NC)为对比试件;r为再生粗骨料的取代率(%,质量分数)。
      各混凝土拌和物采用人工搅拌,24h后拆模,所得试件在标准条件下养护至28d时测其抗压强度。试块尺寸均为100mm×100mm×100mm。抗压强度试验的主要设备为YE-1850型液压式压力试验机,其最大量程为2000kN。
      各组再生混凝土抗压强度的统计参数,包括强度中位值fcu,均值ufcu,标准差σfcu和变异系数δfcu见表。
      利用前期研究成果,由下式来描述再生混凝土抗压强度与弹性模量之间的换算关系。Ec=1052.8+40.1/fcu(1),由式可得NC,RAC-30,RAC-50,RAC-100试件的弹性模量分别为:26.568,26.552,26.333,25.650GPa。
      因目前还没有相关规范对再生混凝土疲劳设计提供依据,本文先参照GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》中确定混凝土轴心抗压疲劳强度设计值的方法来计算再生混凝土的疲劳强度,即混凝土轴心抗压疲劳强度ff c=γρfc,其中fc为混凝土轴心静载抗压强度设计值,以混凝土立方体抗压强度平均值经计算转换而得;γρ为疲劳强度修正系数,按照表取值,计算结果如表所示。ρf c为应力比,且ρf c=σf c,min/σf c,max(σf c,min是重复荷载作用下混凝土的最小应力,σf c,max为重复荷载作用下混凝土的最大应力)。
      从表中可以看到,随着再生粗骨料取代率的增加,其弹性模量和疲劳强度同时降低,经线性回归拟合可以得到再生混凝土受压疲劳强度设计值和弹性模量的关系式如图所示。
      从图可以看出,随着再生混凝土弹性模量的增加,其疲劳强度也随之增加;从图还可以发现,随着再生粗骨料取代率的增大,再生混凝土弹性模量和疲劳强度降低。在不同应力比情况下,回归系数不同,应力比越大,疲劳强度越高,但对弹性模量的变化也越敏感,因此可以预测在低应力比值下再生混凝土疲劳强度与普通混凝土疲劳强度相差不大。



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