UHPC的疲劳计算——兼论ModelCode2010的适用性

news2024/12/23 23:32:06

文章目录

  • 0. 背景
  • 1、结论及概述
  • 2、MC10对于SN曲线的调整(囊括NC、HPC、UHPC)
    • 2.1 疲劳失效曲面的构建
    • 2.2 新模型的验证
  • 3、MC10对于疲劳设计强度的调整及其背后的原因
  • 4. 结语

0. 背景

今年年初,有一位用UHPC做混凝土塔筒的同行告诉我,UHPC的疲劳不能用ModelCode的方法计算(感兴趣的可以点击这里),原因是UHPC的本构与一般混凝土的不一样,从而SN曲线也会不一样。

然而,我却找到了一篇文章(当时怎么找的我也记不清楚了,只是最近(202307)读的时候发现有料可爆!!!对原文感兴趣的可以点击这里),里面详细的介绍了ModelCode2010 是如何把UHPC的疲劳考虑进去,以及如何与ModelCode1990的疲劳计算方法进行兼容。这样,那位同行的观点就需要修改了。

本文主要是对这篇文章的描述和解释,可以算做是一篇阅读笔记吧!

下面的截图来自Concrete structures for wind turbines这本书,也就是参考文献[4] 中3.6.3节P105。
在这里插入图片描述

1、结论及概述

  1. Model Code 2010在疲劳的计算上覆盖了常规混凝土(NC),高强混凝土(HPC),超高性能混凝土(UHPC);
  2. 疲劳强度的设计值针对UHPC做了修正,对于NC和HPC会有提高,但是是合理的。

2、MC10对于SN曲线的调整(囊括NC、HPC、UHPC)

2.1 疲劳失效曲面的构建

首先,作者将Woehler曲线和Goodman曲线融合在了一起,构建起了包括最大应力、最小应力以及许用循环次数三个变量的疲劳失效曲面(failure surface),如图1所示。

这里体现出了一直在提到的一个观点,即混凝土的疲劳不仅和疲劳荷载的幅值有关系,还与荷载水平本身有着密切的关系。这一点与钢材大不相同。

在这里插入图片描述

图1 混凝土失效的模型

在图1中粗实线代表着最小应力确定以后的SN曲线(Woehler 图),粗虚线代表着给定循环次数以后的应力限制情况(Goodman图)。通过维度拓展实现了对混凝土疲劳的描述。

通过假定对于任何最小应力水平 S c , m i n , i = c o n s t S_{c,min,i}=const Sc,min,i=const都有:

  1. l o g N = 0 logN=0 logN=0 l o g N = 8 logN=8 logN=8之间,SN曲线为下降直线,大于 l o g N = 8 logN=8 logN=8时为下降指数型曲线
  2. l o g N = 0 logN=0 logN=0对应 S c , m a x = 1 S_{c,max}=1 Sc,max=1,即当应力达到设计抗压强度时,只需一次即可压坏。这一点符合常识。

另一方面,假定了在 l o g N = 8 logN=8 logN=8时,选择此时表征应力水平关系的Goodman图的变量关系为一个有理分式(至于为什么要这么选以及相关的系数是怎么解出来的,文章中没有多说,我现在也不是很想做过深的追究。先这样吧~):
S c , m a x = a + b ⋅ S c , m i n 1 + c ⋅ S c , m i n + d ⋅ S c , m i n 2 (1) S_{c,max}=\frac{a+b \cdot S_{c,min}}{1+c \cdot S_{c,min} + d \cdot S_{c,min}^2} \tag{1} Sc,max=1+cSc,min+dSc,min2a+bSc,min(1)
通过选择四个已知点(即原文中 P 1 , f a t P_{1,fat} P1,fat P 2 , f a t P_{2,fat} P2,fat P 3 , f a t P_{3,fat} P3,fat P 4 , f a t P_{4,fat} P4,fat)的疲劳实验数据,然后反解出来式(1)中的4个参数 a a a b b b c c c d d d

至此,整个疲劳失效曲面的构建已经完成。

2.2 新模型的验证

基于2.1给出的疲劳失效曲面模型,原文又给出了一共272个实验样本,包括了不同的强度等级,不同的加载频率以及UHPC是否加纤维,热养护等等。当然,最小应力水平 S c , m i n S_{c,min} Sc,min是给定的,等于0.05。具体可以看下面图2。
在这里插入图片描述

图2 新疲劳模型与实验的对比

关于上面的验证,有下面两点结论需要格外关注:

  1. MC90给出的SN曲线偏于保守
  2. 对于HPC和UHPC,添加纤维以后,疲劳性能是下降的(这一点对于风电混塔设计尤为重要!!!)

除此之外,原文还对比了过往文献中的数据,大致意思就是不同模型之间差别不是很大。但是:

  1. MC90给出的SN曲线偏于保守

具体情况看图3:
在这里插入图片描述

图3 不同文献中的SN曲线对比

最后,作者还不太放心的把不同最小应力水平下,MC90和MC10的SN曲线放在了一起对比了一下,就是这样子的:
在这里插入图片描述

图4 MC90和MC10的SN曲线对比

可以看出,在循环次数较低的区间里( l o g N ≤ 8 logN \le 8 logN8),MC90是保守的;在循环次数较高的区间里( l o g N > 8 logN> 8 logN>8),MC10是比较保守的。

3、MC10对于疲劳设计强度的调整及其背后的原因

前面的讨论都是基于荷载端的处理,本小节关于抗力端的处理方法给出一些说明。这一小节的内容,算是给之前关于ModelCode2010(MC10)正确版本的问题(对原问题感兴趣的可以点击这里)画上一个完美的句号。也算是我挖坟有功了。

在MC10正式版本发布之前(包括正式版的MC90以及最初几版MC10的草稿),关于混凝土的疲劳强度设计值都是长这样的:
f c d , f a t = 0.85 ⋅ β c c ( t ) ⋅ f c k γ c ⋅ ( 1 − f c k 250 ) (2) f_{cd,fat} = 0.85 \cdot \beta_{cc}(t) \cdot \frac{f_{ck}}{\gamma_c} \cdot (1-\frac{f_{ck}}{250}) \tag{2} fcd,fat=0.85βcc(t)γcfck(1250fck)(2)

上面式子中,因子 ( 0.85 ⋅ β c c ( t ) ⋅ f c k γ c ) (0.85 \cdot \beta_{cc}(t) \cdot \frac{f_{ck}}{\gamma_c}) (0.85βcc(t)γcfck)是混凝土强度设计值 f c d f_{cd} fcd,因子 ( 1 − f c k 250 ) (1-\frac{f_{ck}}{250}) (1250fck)是用于疲劳强度的折减系数 α f a t \alpha_{fat} αfat

在MC90的时代,强度等级最高的混凝土 f c k = 120 M p a f_{ck}=120Mpa fck=120Mpa,其疲劳强度折减了将近一半( ( 1 − 120 250 ) = 0.52 (1-\frac{120}{250})=0.52 (1250120)=0.52)。而在MC10的时代,UHPC应用越来越广泛,这意味着当 f c k > 120 M p a f_{ck} > 120Mpa fck>120Mpa的情况下,其疲劳强度设计值折减过半。甚至面临强度等级越高,疲劳设计强度越低的情况,这显然和实际情况不太相符。图5中黑色虚线给出了MC90的情况,可以看出在 f c k > 120 M p a f_{ck} > 120Mpa fck>120Mpa的情况下,其取值变得不再合理。
在这里插入图片描述

图5 不同情况下强度特征值与疲劳强度设计值的对比

基于上面提到的情况,原文给出了一个修正如下:

f c d , f a t = 0.85 ⋅ β c c ( t ) ⋅ f c k γ c ⋅ ( 1 − f c k 400 ) (3) f_{cd,fat} = 0.85 \cdot \beta_{cc}(t) \cdot \frac{f_{ck}}{\gamma_c} \cdot (1-\frac{f_{ck}}{400}) \tag{3} fcd,fat=0.85βcc(t)γcfck(1400fck)(3)

修正的总体思路就是,MC10的混凝土强度等级覆盖到了 f c k = 200 M p a f_{ck}=200Mpa fck=200Mpa的范围,那么就让 f c k = 200 M p a f_{ck}=200Mpa fck=200Mpa时疲劳强度折减系数 α f a t = 0.52 \alpha_{fat}=0.52 αfat=0.52。基于这一点,给出了式(3)。当然,文中还考虑了其他的因素,诸如安全可靠性,经济适用性等等。但主要做法就是基于上面的操作。

4. 结语

行文至此,基本把MC10中疲劳的计算方法来源捋了一遍。也搞清楚了为何当初我们大家手里拿着不同版本的ModelCode,同样强度等级的混凝土算出的疲劳结果有那么大的差异。当然,最重要的还是搞清楚了MC10的疲劳计算是适用于UHPC的。

同时也很感慨,老外做事真的很值得我们学习!他们把每一步掰开揉碎了讲的清清楚楚明明白白,是什么就是什么,绝对不会装神弄鬼。

最后,再拜!

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