【摘要】：高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的鐵路、公路混凝土橋梁在服役過(guò)程中會(huì)承受車(chē)輛產(chǎn)生的彎曲疲勞荷載和凍融等環(huán)境因素的共同作用。各種因素之間相互影響、相互聯(lián)系,彼此之間的交互耦合作用加速了混凝土的損傷劣化過(guò)程。根據(jù)單一因素作用下的耐久性研究結(jié)果設(shè)計(jì)的混凝土工程存在安全隱患,這也是很多工程在設(shè)計(jì)使用壽命以內(nèi)就過(guò)早失效的原因之一。此外,混凝土構(gòu)件在服役過(guò)程中與周?chē)h(huán)境不斷進(jìn)行水分交換的過(guò)程,通常處于非飽和工況下的負(fù)荷狀態(tài)�；炷林械娘査葘�(duì)其性能劣化速率具有重要影響。因此研究混凝土在疲勞荷載與凍融耦合作用下的損傷劣化及壽命預(yù)測(cè),具有非常重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)應(yīng)變測(cè)量并輔以聲發(fā)射技術(shù),對(duì)不同飽水度的混凝土在彎曲疲勞荷載與凍融循環(huán)同時(shí)作用下的損傷劣化和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行研究。首次揭示了兩者的耦合作用機(jī)理。并根據(jù)材料力學(xué)和Loland損傷模型,首次建立了損傷劣化和壽命預(yù)測(cè)模型。首先,對(duì)不同飽水度的混凝土進(jìn)行靜載力學(xué)試驗(yàn)和單一因素作用下的損傷劣化試驗(yàn),為耦合試驗(yàn)及損傷劣化模型提供有關(guān)參數(shù)。通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、斷裂試驗(yàn)、劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明溫度和飽水度可以明顯改變混凝土的力學(xué)性能。對(duì)比不同飽水度試件在不同溫度時(shí)的疲勞試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),干燥試件在低溫恒溫工況下的混凝土的抗疲勞性能明顯優(yōu)于室溫不飽和試件的,飽和試件室溫條件下的抗疲勞性能最差。其次,對(duì)不同飽水度混凝土在疲勞與凍融耦合作用進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要目的是通過(guò)試驗(yàn)確定耦合損傷機(jī)制,為后續(xù)的損傷劣化模型和壽命預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)應(yīng)變的分析,發(fā)現(xiàn)在疲勞與凍融耦合作用下?lián)p傷主要發(fā)生在溫度變化階段,在低于0℃的降溫階段產(chǎn)生的損傷最大。根據(jù)惠斯登電橋工作原理,建立應(yīng)變分離測(cè)試方法,對(duì)應(yīng)變片采取不同的粘貼方法,測(cè)得疲勞與凍融同時(shí)作用引起的耦合應(yīng)變。同時(shí),將兩者共同作用下由疲勞荷載引起的疲勞應(yīng)變分量,以及由凍融引起的溫度應(yīng)變分量從耦合應(yīng)變中分離出來(lái)。對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的耦合應(yīng)變、疲勞應(yīng)變和溫度應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,將耦合應(yīng)變表示成疲勞應(yīng)變和溫度應(yīng)變的函數(shù),擬合的結(jié)果表明,耦合應(yīng)變可以表示成疲勞應(yīng)變與溫度應(yīng)變的線性組合,并且線性組合系數(shù)可以表示成飽水度的線性函數(shù),這是首次發(fā)現(xiàn)用應(yīng)變表示的耦合機(jī)制。通過(guò)聲發(fā)射對(duì)耦合作用進(jìn)行無(wú)損在線檢測(cè),揭示了耦合作用下的損傷劣化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了在耦合作用下,當(dāng)應(yīng)變小于前期最大應(yīng)變時(shí)不產(chǎn)生明顯聲發(fā)射現(xiàn)象,這不同于用荷載表示的凱塞效應(yīng),因此本文將這一現(xiàn)象命名為類凱塞效應(yīng)。再次,根據(jù)耦合試驗(yàn)確定的耦合機(jī)制,依據(jù)Loland損傷劣化模型、材料力學(xué)和損傷力學(xué),建立以中性軸相對(duì)位置為參數(shù)的損傷劣化模型。根據(jù)材料力學(xué)中的平截面假定以及截面上內(nèi)力平衡和內(nèi)力矩與彎矩外荷載相等的條件,推導(dǎo)出最危險(xiǎn)截面破壞應(yīng)變?chǔ)臺(tái)m和中性軸相對(duì)位置ζ_n的關(guān)系,中性軸相對(duì)位置ζ_n與疲勞次數(shù)N之間的關(guān)系,再根據(jù)Loland損傷模型確定的損傷度D_m與應(yīng)變?chǔ)臺(tái)m關(guān)系,確定了損傷度D_m與疲勞次數(shù)N之間的遞推關(guān)系:D_m~ε_(tái)m~ζ_n~N。最后,通過(guò)損傷劣化模型確定了混凝土在疲勞荷載與凍融耦合作用下的疲勞極限N_c的表達(dá)式,從而可以進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。根據(jù)損傷度D與中性軸相對(duì)位置ζ_n的關(guān)系式,以及中性軸的極限位置ζ_n與疲勞次數(shù)N的關(guān)系式,得到破壞時(shí)中性軸的極限位置ζ_(nc)以及疲勞極限N_c的表達(dá)式。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,只需要針對(duì)混凝土試件在耦合作用下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推導(dǎo)出最大危險(xiǎn)截面的應(yīng)變?chǔ)臺(tái)m,即可計(jì)算出中性軸的位置ζ_n,進(jìn)而確定此時(shí)已達(dá)到的疲勞次數(shù)N和損傷程度D,對(duì)比疲勞極限N_c,即可確定剩余壽命。
【圖文】：

第一章 緒論狀的影響；（5）在求解壓力的時(shí)候根據(jù)孔徑的分布采取加權(quán)平前提是由于界面的作用液相和固相處于熱動(dòng)力學(xué)平衡，從微觀獨(dú)作用的，沒(méi)有相互作用；（6）沒(méi)有考慮非飽和情況和凍結(jié)破在剛體彈簧模型（Rigid Body Spring Model，縮寫(xiě)為 RBSM）的觀層次建立模型預(yù)測(cè)受凍混凝土在外荷載作用下的宏觀力學(xué)行為1 所示，是由多邊形基本單元組成，每個(gè)單元有兩個(gè)平移自由度向彈簧具有彈塑性斷裂性能，，剪切彈簧具有彈塑性。假定混凝裂破壞，漿體和界面的法向抗拉強(qiáng)度服從概率分布，法向和剪率分布。骨料為彈性的，不發(fā)生斷裂�？紤]到凍結(jié)在混凝土內(nèi)形，因此用增長(zhǎng)的法向彈簧表示這個(gè)不可逆變形，并且不可恢內(nèi)部是隨機(jī)分布的。

圖 1-2 疲勞應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化[61]Fig.1-2 Fatigue strain growth with cycles[61].2.2 疲勞損傷劣化與壽命預(yù)測(cè)研究混凝土疲勞累積損傷模型進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)的目的是為現(xiàn)役混凝土和有損結(jié)構(gòu)維修加固提供參考和依據(jù)。隨著人類社會(huì)發(fā)展，近年來(lái)著的增長(zhǎng)，尤其在我國(guó)，今后的交通運(yùn)輸量將會(huì)成倍地增長(zhǎng)。那么計(jì)年限內(nèi)的設(shè)計(jì)功能能否滿足今后的使用要求，就與結(jié)構(gòu)的累積損了。這對(duì)充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物的潛力. 并保證安全可靠是很必要的顯經(jīng)濟(jì)效益的工作。）線性累積損傷理論
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU528

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本文編號(hào)：2613683