不同饱水度砼在冻融与疲劳耦合作用下的损伤劣化与寿命预测

发布时间：2020-04-03 20:46

【摘要】：高纬度严寒地区的铁路、公路混凝土桥梁在服役过程中会承受车辆产生的弯曲疲劳荷载和冻融等环境因素的共同作用。各种因素之间相互影响、相互联系,彼此之间的交互耦合作用加速了混凝土的损伤劣化过程。根据单一因素作用下的耐久性研究结果设计的混凝土工程存在安全隐患,这也是很多工程在设计使用寿命以内就过早失效的原因之一。此外,混凝土构件在服役过程中与周围环境不断进行水分交换的过程,通常处于非饱和工况下的负荷状态。混凝土中的饱水度对其性能劣化速率具有重要影响。因此研究混凝土在疲劳荷载与冻融耦合作用下的损伤劣化及寿命预测,具有非常重要的理论和工程应用价值。本文通过应变测量并辅以声发射技术,对不同饱水度的混凝土在弯曲疲劳荷载与冻融循环同时作用下的损伤劣化和寿命预测进行研究。首次揭示了两者的耦合作用机理。并根据材料力学和Loland损伤模型,首次建立了损伤劣化和寿命预测模型。首先,对不同饱水度的混凝土进行静载力学试验和单一因素作用下的损伤劣化试验,为耦合试验及损伤劣化模型提供有关参数。通过四点弯曲试验、断裂试验、劈拉强度试验、抗压强度试验表明温度和饱水度可以明显改变混凝土的力学性能。对比不同饱水度试件在不同温度时的疲劳试验可以发现,干燥试件在低温恒温工况下的混凝土的抗疲劳性能明显优于室温不饱和试件的,饱和试件室温条件下的抗疲劳性能最差。其次,对不同饱水度混凝土在疲劳与冻融耦合作用进行试验研究。主要目的是通过试验确定耦合损伤机制,为后续的损伤劣化模型和寿命预测提供基础。通过对应变的分析,发现在疲劳与冻融耦合作用下损伤主要发生在温度变化阶段,在低于0℃的降温阶段产生的损伤最大。根据惠斯登电桥工作原理,建立应变分离测试方法,对应变片采取不同的粘贴方法,测得疲劳与冻融同时作用引起的耦合应变。同时,将两者共同作用下由疲劳荷载引起的疲劳应变分量,以及由冻融引起的温度应变分量从耦合应变中分离出来。对试验测得的耦合应变、疲劳应变和温度应变数据进行拟合,将耦合应变表示成疲劳应变和温度应变的函数,拟合的结果表明,耦合应变可以表示成疲劳应变与温度应变的线性组合,并且线性组合系数可以表示成饱水度的线性函数,这是首次发现用应变表示的耦合机制。通过声发射对耦合作用进行无损在线检测,揭示了耦合作用下的损伤劣化规律,发现了在耦合作用下,当应变小于前期最大应变时不产生明显声发射现象,这不同于用荷载表示的凯塞效应,因此本文将这一现象命名为类凯塞效应。再次,根据耦合试验确定的耦合机制,依据Loland损伤劣化模型、材料力学和损伤力学,建立以中性轴相对位置为参数的损伤劣化模型。根据材料力学中的平截面假定以及截面上内力平衡和内力矩与弯矩外荷载相等的条件,推导出最危险截面破坏应变ε_m和中性轴相对位置ζ_n的关系,中性轴相对位置ζ_n与疲劳次数N之间的关系,再根据Loland损伤模型确定的损伤度D_m与应变ε_m关系,确定了损伤度D_m与疲劳次数N之间的递推关系:D_m~ε_m~ζ_n~N。最后,通过损伤劣化模型确定了混凝土在疲劳荷载与冻融耦合作用下的疲劳极限N_c的表达式,从而可以进行寿命预测。根据损伤度D与中性轴相对位置ζ_n的关系式,以及中性轴的极限位置ζ_n与疲劳次数N的关系式,得到破坏时中性轴的极限位置ζ_(nc)以及疲劳极限N_c的表达式。在实际应用过程中,只需要针对混凝土试件在耦合作用下的实验结果,推导出最大危险截面的应变ε_m,即可计算出中性轴的位置ζ_n,进而确定此时已达到的疲劳次数N和损伤程度D,对比疲劳极限N_c,即可确定剩余寿命。
【图文】：

第一章 绪论状的影响；（5）在求解压力的时候根据孔径的分布采取加权平前提是由于界面的作用液相和固相处于热动力学平衡，从微观独作用的，没有相互作用；（6）没有考虑非饱和情况和冻结破在刚体弹簧模型（Rigid Body Spring Model，缩写为 RBSM）的观层次建立模型预测受冻混凝土在外荷载作用下的宏观力学行为1 所示，是由多边形基本单元组成，每个单元有两个平移自由度向弹簧具有弹塑性断裂性能，，剪切弹簧具有弹塑性。假定混凝裂破坏，浆体和界面的法向抗拉强度服从概率分布，法向和剪率分布。骨料为弹性的，不发生断裂。考虑到冻结在混凝土内形，因此用增长的法向弹簧表示这个不可逆变形，并且不可恢内部是随机分布的。

图 1-2 疲劳应变随循环次数变化[61]Fig.1-2 Fatigue strain growth with cycles[61].2.2 疲劳损伤劣化与寿命预测研究混凝土疲劳累积损伤模型进行剩余寿命预测的目的是为现役混凝土和有损结构维修加固提供参考和依据。随着人类社会发展，近年来著的增长，尤其在我国，今后的交通运输量将会成倍地增长。那么计年限内的设计功能能否满足今后的使用要求，就与结构的累积损了。这对充分利用现有结构物的潜力. 并保证安全可靠是很必要的显经济效益的工作。）线性累积损伤理论
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528

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本文编号：2613683