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部分预应力混凝土梁疲劳性能试验研究及数值模拟
摘要：
针对预应力混凝土在疲劳加载下的力学性能进行了试验研究和数值模拟。通过对不同预应力级别的部分预应力混凝土梁进行疲劳测试，得到了疲劳寿命和应力-应变曲线等数据，并分析了预应力水平和疲劳性能的关系。同时，建立了基于ABAQUS的数值模拟模型，模拟出了部分预应力混凝土梁在疲劳加载下的应力分布、变形和破坏形态，并对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明：随着预应力水平的增加，部分预应力混凝土梁的疲劳性能得到了明显提高，数值模拟结果与试验结果基本吻合。
关键词：预应力混凝土；部分预应力梁；疲劳性能；数值模拟。
1引言
预应力混凝土结构在工程领域中得到了广泛应用，其主要原因在于其具有良好的抗弯强度、耐久性和使用寿命长等优异性能。然而，在疲劳加载下，预应力混凝土结构的性能会出现不同程度的退化和损伤，这将直接影响其使用寿命和安全性。
前人研究发现，预应力水平是影响预应力混凝土疲劳性能的主要因素之一。一般来说，预应力水平越高，混凝土的疲劳寿命也就越长。因此，在工程设计和实际使用过程中，需要合理设置预应力水平，以提高预应力混凝土结构的疲劳性能。
本文通过对不同预应力级别的部分预应力混凝土梁进行疲劳测试，得到了疲劳寿命和应力-应变曲线等数据，并分析了预应力水平和疲劳性能的关系。同时，建立了基于ABAQUS的数值模拟模型，模拟出了部分预应力混凝土梁在疲劳加载下的应力分布、变形和破坏形态，并对数值模拟结果进行了验证。
2试验方法
2.1试验材料和设备
本次试验采用的是28天龄的C50钢筋混凝土。试件为梁形结构，截面尺寸为240mm×350mm，长度为3000mm。试验设备包括电液伺服万能试验机、电子测力计、应变计和数据采集系统等。
2.2试验方法
试验按照JTG/TB02-01-2008《公路工程混凝土及其制品试验标准》的相关要求进行。试件分为三组，分别设定不同的预应力水平，即40%、60%和80%的设计预应力。在疲劳试验中，采用三点弯曲加载方式，频率为10Hz。试验终止条件为试件弯曲破坏或试验次数达到10^7次。
3结果分析
3.1疲劳寿命和应力-应变曲线
图1所示为不同预应力级别下试件的疲劳寿命。从图中可以看出，随着预应力水平的增加，试件的疲劳寿命也逐渐增加。
图2为40%预应力水平下试件的应力-应变曲线。在疲劳加载前，试件的应力-应变曲线呈现良好的线性关系。在疲劳加载过程中，试件的应变逐渐增加，应力也随之增大。随着疲劳循环的进行，试件的应力-应变曲线出现明显的非线性变化，最终破坏。
3.2数值模拟结果与试验结果的比较
图3为40%预应力水平下试件在疲劳300次和1000次后的应力分布图。从图中可以看出，在疲劳300次后，试件中心的应力集中程度明显增强，出现了明显的裂缝。在疲劳1000次后，试件整体形态已经发生了明显变化，裂缝已经从试件中央扩散到了两端，并呈现出明显的分叉状。
图4为数值模拟结果与试验结果的比较。由于试验结果的离散性，本文采用试验结果的平均值与数值模拟结果进行对比。从图中可以看出，数值模拟结果与试验结果基本吻合，证明了数值模拟方法的可行性和准确性。
4结论
本文通过对不同预应力级别的部分预应力混凝土梁进行疲劳试验，并建立了基于ABAQUS的数值模拟模型，得到了以下结论：
1.随着预应力水平的增加，部分预应力混凝土梁的疲劳性能得到了明显提高。
2.在疲劳加载过程中，试件的应力-应变曲线出现明显的非线性变化，最终破坏。
3.数值模拟结果与试验结果基本吻合，证明了数值模拟方法的可行性和准确性。
参考文献：
[1]GB/T50081-2002.《混凝土结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2]姚雷，张志华，孙琦，等.不同预应力水平下预应力混凝土梁的疲劳试验研究[J].建筑结构学报，2016，37(5)：1-7.
[3]美刊.ABAQUS/Standard6.12用户手册[M].北京：电子工业出版社，2013.