桥梁混凝土索塔开裂行为的宏细观力学分析

发布时间：2015-02-02 10:49

 

【摘要】 最近几十年，斜拉桥在我国取得了飞速的发展，其中混凝土斜拉桥占据较大比重。在外荷载、温度荷载以及混凝土收缩徐变等因素作用下，混凝土斜拉桥索塔承受着拉索传递的巨大压力，据不完全统计，全国有75%的索塔发生开裂现象，严重影响斜拉桥的寿命甚至威胁人们的生命安全，因而索塔开裂的行为引起越来越多研究人员的关注。本文引入分形损伤理论对斜拉桥高大索塔进行安全性评价，提出了基于裂缝分布状态的高大索塔安全状态评价模式。通过理论分析、模型试验与数值模拟方法，分别从宏观和细观的角度，研究了裂缝的开裂、扩展及结构破坏过程，建立了一套以分形损伤为理论支撑的用于评价索塔开裂后安全状态的新方法，研究了索塔开裂后裂缝分布分形维数与荷载等级之间的关系，为后期实桥应用提供了理论与实践指导。本文的主要研究内容和结论如下：①在研究智能移动视频扫描装置监测高大塔柱裂缝技术的基础上，针对各种滤波算法适用范围和裂缝图像特点的研究，提出中值滤波法，将进行裂纹图像的二值化与提取方法用于裂缝图像分割，并采用图像拼接技术、裂缝矢量化技术及裂缝图像模拟重现技术，实现了裂缝监测信息处理。②把三维裂缝求解问题转换为两个平面的裂缝求解问题，即等效成一个无限大板中心裂纹受到无穷远处的单向拉伸力作用和一个无限大板在单边裂缝受到拉伸荷载作用，采用双悬臂梁理论计算裂缝宽度与深度的关系，推导了裂缝深度的计算公式，为研究三维裂缝问题提供了新思路；根据裂纹分形模型建立混凝土开展裂缝的应力强度因子表达式，结合断裂力学理论，推导了应力强度因子在直线型裂纹和裂纹不规则扩展这两种假设下的关系。③根据斜拉桥索塔的特点，基于子模型技术，采用FRANC3D软件，模拟了索塔裂缝的萌生以及扩展的过程，并计算了索塔结构的应力强度因子与分形维数之间的关系、分形维数与荷载等级之间的关系；建立weibull随机概率分布与材料裂缝分布之间的关系，结合断裂损伤力学与分形理论来评价混凝土索塔表面开裂的严重程度。④建立了基于离散元的颗粒流微观数值模型，采用Fish语言编写程序，模拟混凝土材料的细观破坏过程，并选取了三种不同半径、不同数量团簇研究混凝土开裂性能，当团簇数量越多，对材料性质的提高越显著；当团簇半径越大、结构体系越稳定，则性质增强效果好。团簇材料的破损机理在于随着团簇半径的增加，基质所占比例减小，基质中更容易产生微裂纹，结构表面更容易破坏。⑤基于多尺度均匀化理论，采用有限元法建立了混凝土细观-宏观等效力学性能的多尺度模型，并以索塔表面为例建立有限元模型，对混凝土材料的宏观整体与细观局部化效应进行分析。⑥完成了索塔节段试验模型，验证了上述理论和方法的可靠性，研究了索塔开裂后裂缝分布分形维数与荷载等级之间的关系，为后期实桥应用提供了理论与试验基础。 

第一章绪论

随着土木交通行业的发展，跨越河、海的特大型桥梁也日趋增多，作为力学性能优越、跨径较大、外形优雅轻盈的斜拉桥，越发受到桥梁设计师的青睐。现阶段国内外已建或者在建跨径超过的斜拉桥座，其中中国占据了六个席位，中国于年建成了在当时世界上最大跨径的斜拉桥苏通大桥，是世界建桥史上的一座丰碑。但是之后俄罗斯于年月完成通车的跨东博斯鲁斯海峡的俄罗斯岛大桥，主跨跨径和塔高都成功超越苏通大桥成为全球斜拉桥之最，世界第一。图1-1列举了世界排名前四的斜拉桥，可以看出斜拉桥一般都是跨越了江河湖泊，不但地理位置恶劣而且其周围环境也复杂，桥梁在运营若干年后出现裂缝后安全性能受到影响，而且桥梁还要承受风、雨、地震等自然灾害的袭击。索塔是斜拉桥主要承重构件，它承受了斜拉索传递来的巨大索力，其安全性能至关重要，当前阶段桥梁超载现象非常之严重，当混凝土多年后出现老化、腐蚀等现象后，索塔的安全性受到严重影响，甚至有可能导致桥梁的垮塌，以及随着跨径和塔高的增加。上述的自然风险和材料本身原因对斜拉桥的危害将会增多，近几年桥梁垮塌事故的发生，掠夺了无辜人的生命，导致了巨大经济损失，阻碍了交通的发展，并影响着社会和谐与稳定。表列出国内外桥梁倒塌实例。
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第二章基于分形原理的混凝土裂缝损伤与断裂参数研究

2.1分形损伤力学的概述
断裂力学是以固体中所存在宏观断裂为前提的，主要是通过对裂纹周围的应力、应变分析，着重解决材料的失效问题。但是像混凝土这样的脆性材料结构，在宏观裂纹出现之前，已产生了微观裂纹。出现和扩展称为损伤。宏观裂纹出现之前，损伤已经影响了材料与结构的强度与寿命，损伤力学是近几十年逐渐发展完善起来的学科。材料的最终宏观断裂破坏与其内部微裂隙的发育和集聚有着密切的联系，有关学者做了大量的实验分析。研究表明在比例加载下，无论什么材料宏观裂纹顶端的损伤区形状和范围大小随时间是以一个时空函数的相似比变化的。

2.2分形与断裂概述
现实中很多材料的变形与破坏问题涉及到时间尺度和长度尺度的影响，其中许多发生在非平衡条件下的非线性过程。大量的工作是针对均匀介质中平直裂纹尖端的扩展，而实际材料是非均匀的，裂纹几何形状往往很复杂和非规则的。近几年来，随着非线性科学的发展，分形、符号动力学、小波分析已广泛应用于材料的破坏和变形的研究中。分形作为一种新的手段可以定量的表述裂纹扩展路径和材料的破碎，，甚至是能量的耗散。当考虑裂纹扩展的不规则性，可以建立一系列的裂纹扩展的分形模型，以更好地描述在动、静载荷下裂纹的扩展规律。任何材料的断裂表面在不同程度上存在粗糙性。在显微镜下看这些粗糙性就如坐在飞机上看地球表面的山川河流一样。当在断裂表面利用真空镀膜技术镀上一层镍，然后平行于断面平面用细砂纸磨去一层并抛光。则凸出的部分被磨去之后在光学显微镜下观察发亮，称之为“岛”。而没有磨到的区域会发暗，称之为“湖”。这样断裂平面的粗糙程度就转化为在图象分析仪屏幕上展示的千姿百态形状各异的“岛”和“湖”。

第三章斜拉桥高大索塔裂缝成因分析及信息采集处理技术..........47
3.1混凝土结构裂缝的基本类型......47
第四章混凝土索塔宏观开裂数值模拟研究.......70
4.1有限元分析理论.......70
第五章混凝土索塔裂缝的细观离散元数值模拟研究.........98
5.1概述......98
5.2颗粒流的物理模型..........98

第七章基于分形理论的索塔节段开裂模型试验研究

7.1索塔缩尺模型试验简介
本试验以大冲桥的索塔节段缩尺模型试验为研究对象，目的主要是验证分形理论用于评价索塔安全性能的合理性问题，通过理论分析、有限元模拟与现场实验模型相结合的手段，研究索塔锚固区的开裂后裂缝分布状态关系，提出应用分形维数评价高大索塔安全性能的方法，为今后高大索塔开裂后的安全性评价提供理论指导。斜拉桥索塔是主要的承重构件，其承受了由拉索传来的巨大索力影响，其安全性能不能忽视，当高大索塔出现结构性裂缝时候，人为力量是无法判断其可靠性能，只有通过智能监测设备或者长期健康监测系统来实时的检测索塔的工作状态和裂缝及分布状态才能提供预警措施。因此，为了防止突发性事故的产生，需要对大跨径斜拉桥的索塔进行及时的安全性评价。

7.2试验方案实施
实验场地选好后，进行反力梁的制作，之后进行钢筋的安装与绑扎，埋设预应力套管、垫块，安装支撑边模板，浇筑混凝土。浇筑混凝土时在现场随机取样制作混凝土试块两组并按规范养护。制作铺设模型长边底模时要保证其支撑稳固，确保能承受上面的钢筋、混凝土自重及其浇筑时的振动荷载。安装绑扎模型四边钢筋；按图7-2所示位置准确埋设拉索套管、千斤顶施力垫块，并将其与钢筋网焊接，确保其混凝土浇注振动时不会引起偏移；按施工图布置预应力束的套管，应多点绑扎固定；然后，布置模型体内应变测点，妥善引出传导线，采取相应的保护措施。接着安装内外模板，可利用预应力束预留孔使用对拉螺杆，安置好内外支撑；经校核各种组件无遗漏，位置准确后，组织混凝土的浇筑，精心安排混凝土备料，确保浇筑连续，不在模型任何部位留置施工冷缝。按规范要求进行养护。同样在混凝土浇筑时现场随机取样制作三组试块，同条件进行养护，以备确定预应力束张拉时机。

 

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第八章结论与展望

本文为了研究斜拉桥高大索塔的安全性能状况，特此提出了基于分形理论为基础的索塔安全评价模式，文中通过、索塔裂缝的信息采集技术、混凝土裂缝扩展规律研究、混凝土索塔开裂的宏细观数值模拟及节段模型试验分析展开了研究，得到了以下主要结论：①传统的裂缝监测手段和图像处理方法已经不适用对于斜拉桥类高大索塔的裂缝信息的采集与处理，本文通过研发出来的新型智能行走装置采集高大索塔技术以及后期对所采集裂缝图像的数值化，二值化与拼接，可以有效去噪和去除阴影，得到清晰的塔柱裂缝图像；基于数字图像的裂缝图片，可以通过轮廓跟踪和图像标定，并利用左右边缘的方法有效求取裂缝宽度，将裂缝监测信息采集及处理技术运用到现有斜拉桥等高大索塔上是可行且有效的；②现场实测以及大量的试验表明，混凝土材料的断裂面都是非常不规则和粗糙的，用直线型裂纹来近似模拟精度较低。而分形理论可以作为一种有效的非线性数学工具，本文结合断裂力学理论，推导了在直线型裂纹假设下的应力强度因子与裂纹不规则扩展假设下的应力强度因子的关系，研究结果表明基于分形理论计算出来的裂缝应力强度因子比理想直线型裂纹扩展下要小，判断要更精确，并且裂缝不规则扩展更接近于实际的裂缝扩展。
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本文编号：11783