【摘 要】
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现代土木工程建筑中,传统混凝土由于抗压强度高,搅拌与浇筑施工工艺简单、原材料分布广泛,且价格便宜,具有经济性等优点得到广泛应用。然而,随着桥梁、机场等基础设施的迅速发展,混凝土构件受地震、车辆荷载及冲击荷载等作用出现拉压疲劳、力学性能退化等问题,降低其工程使用寿命及安全性能。高延性混凝土（ECC）是一种新型混凝土材料,在延性、韧性和强度等方面具有良好的性能,可弥补传统混凝土的缺陷。针对ECC材料开
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现代土木工程建筑中,传统混凝土由于抗压强度高,搅拌与浇筑施工工艺简单、原材料分布广泛,且价格便宜,具有经济性等优点得到广泛应用。然而,随着桥梁、机场等基础设施的迅速发展,混凝土构件受地震、车辆荷载及冲击荷载等作用出现拉压疲劳、力学性能退化等问题,降低其工程使用寿命及安全性能。高延性混凝土（ECC）是一种新型混凝土材料,在延性、韧性和强度等方面具有良好的性能,可弥补传统混凝土的缺陷。针对ECC材料开展疲劳性能方面的研究,了解其工作性能具有重要工程应用意义。但目前研究仅存在于弯曲疲劳等方面,对轴向疲劳损伤特性及裂缝发展研究较少。本文根据ECC设计理论进行配合比选取并制取试件,开展轴向拉伸疲劳试验并辅以DIC、SEM技术对其疲劳过程、损伤机理开展探究。基于试验数据建立双参数Weibull分布方程及损伤演变方程进行疲劳极限强度及疲劳寿命预测。针对疲劳损伤的研究为ECC实际工程应用提供了理论支持与数据支撑。本文的主要研究结论包括以下几个方面:（1）通过静力加载试验对抗拉强度进行测试发现ECC材料在加载过程中达到极限抗拉强度的40%～60%时会出现屈服现象,应力曲线出现轻微振荡。应变达到0.8%时,试件出现初始裂缝。抗拉强度与传统混凝土相差无几,优点是具有较好的疲劳性能。试件在产生明显可见裂缝后仍能承受一定的循环荷载,且在整个疲劳破坏过程中未出现脆性断裂的现象。（2）利用疲劳测试机对试件进行单轴拉伸循环加载疲劳试验,采取0.7、0.75、0.8等六种不同应力比进行正弦波形单轴疲劳试验,分析ECC疲劳变形及损伤特性。单向拉伸疲劳荷载下,ECC应力-应变曲线呈疏-密-疏特点;ECC试件破坏规律与其累积轴向变形速率有关,在加载初始阶段,累积轴向变形随着循环荷载次数增大明显增大,之后进入稳定变形阶段;进一步加载将导致累积轴向应变快速增长,并最终导致试件断裂破坏。（3）基于应力应变试验数据,进行多项式拟合与疲劳应变分析,并定义应变率与应变增长率。利用双对数坐标变换分析应变率,得到疲劳残余应变与循环比的线性关系,应力比越高,应变越大,第二阶段循环比越短;针对第二阶段残余应变率求导得到应变增长率,其值介于0.0028-0.0098之间,随应力比的增大而减小。工程中可通过对应变增长率数值的分析,判断试件损伤情况。（4）试验数据可较好拟合双参数Weibull分布。建立两种形式的疲劳方程:平均寿命疲劳方程S-lg N和考虑失效概率的S-lg N-F疲劳方程,同时将极限疲劳寿命带入方程,可得到疲劳极限应力水平下的疲劳极限强度。该试验中的疲劳强度Sr由相应的疲劳方程式确定,以静载强度的百分比表示,可得到Sr分别为70.80%,70.88%。采用疲劳变形模量定义损伤变量,并建立以循环寿命比n/N=0.7为分界点的两阶段疲劳损伤演变方程,得到相关系数均大于0.8;通过此损伤演变方程可评估疲劳损伤程度并预估剩余疲劳寿命。对拉应力比S=0.85进行寿命预测,模型可较好拟合试验结果。（6）基于DIC技术分析裂缝发展及疲劳损伤阶段,发现应变发展规律分为初始阶段、稳定发展阶段、加速变形阶段和破坏阶段;不同加载时间下裂纹宽度均呈现出中间低、两端高的趋势。疲劳损伤破坏前主裂缝的尖端未形成贯穿性裂缝,中部形成块状区域,构件在充分吸能后损伤断裂。采用SEM技术,对断裂截面观测解析疲劳损伤断裂各组分的状态及之间相互作用。试件中大量纤维断裂和折断,但与基体结合较好,可整体耗散能量,为ECC具有高疲劳性能的主要原因。为工程应用从微观层面提供了合理依据。
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