預(yù)應(yīng)力混凝土梁超載疲勞剛度退化試驗(yàn)研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力混凝土橋是我國橋梁的主要橋型之一，高等級公路上的預(yù)應(yīng)力混凝土橋常年承受反復(fù)荷載的作用，疲勞和其他因素相互作用引起橋梁結(jié)構(gòu)剛度退化和變形增大的現(xiàn)象日漸普遍，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂及過量下?lián)系炔『σ沧兊迷絹碓酵怀?。本文依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“大跨徑混凝土橋梁長期變形和開裂控制技術(shù)”（2008AA11Z102）以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“大跨度跨海預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的疲勞損傷與耐久性機(jī)理研究”(51178042)的項(xiàng)目，

2、針對預(yù)應(yīng)力混凝土梁在超載疲勞作用下的剛度退化和撓度增大問題開展了研究，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)回顧了預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的發(fā)展歷史，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋長期過量下?lián)虾烷_裂病害的成因以及機(jī)理進(jìn)行了簡要的分析，闡述了研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋超載疲勞問題的必要性。總結(jié)了疲勞問題研究的一般方法，并對預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，說明了本文研究的意義。
　　(2)開展了預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁的多級變幅超載疲勞試驗(yàn)，研究了預(yù)應(yīng)力

3、混凝土梁在疲勞荷載循環(huán)作用下混凝土和鋼筋的應(yīng)變增長情況、疲勞裂縫的產(chǎn)生和開展情況以及試驗(yàn)梁疲勞撓度的增長情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:在低于開裂荷載水平或適度超載的疲勞荷載循環(huán)作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁中混凝土和鋼筋的應(yīng)變呈現(xiàn)出兩階段發(fā)展的規(guī)律，且應(yīng)變的增長速率隨著加載水平和應(yīng)力比的增大而增大;在低于開裂荷載水平的疲勞荷載循環(huán)作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁也可能會(huì)在最大彎矩位置出現(xiàn)疲勞裂縫，并且裂縫的開展與加載水平及應(yīng)力比有一定關(guān)系;疲勞撓度的發(fā)展過程與混凝

4、土應(yīng)變發(fā)展過程基本一致，也分為兩個(gè)階段，且疲勞撓度增長速率也隨著加載水平的提高以及應(yīng)力比的增大而增大;對于疲勞損傷后的預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁，其剛度在彈性階段內(nèi)較無疲勞損傷的試驗(yàn)梁降低了20％～30％左右，且經(jīng)歷的疲勞荷載循環(huán)水平越高，剛度降低程度越大，到極限荷載附近時(shí)，疲勞試驗(yàn)梁剛度平均降低約50％左右，且其極限承載力也有一定程度的降低。
　　(3)從損傷力學(xué)的角度，推導(dǎo)了基于不可逆熱力學(xué)為基礎(chǔ)的耗散原理的混凝土材料損傷演化的兩階段

5、模型，并通過已有的混凝土材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行了擬合和驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型能較好的反映運(yùn)營狀態(tài)下的混凝土疲勞損傷發(fā)展歷程。同時(shí)，還以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)了裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力場和位移場，闡述了鋼筋疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的三個(gè)階段的特點(diǎn)及裂紋形成的機(jī)理，分析了鋼筋疲勞裂紋擴(kuò)展的階段特性并總結(jié)了幾種裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式。此外，還總結(jié)和推導(dǎo)了五種典型的疲勞損傷累積理論，分析和闡述了各疲勞損傷累積理論的特點(diǎn)，為預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞剛度退化分析提

6、供了理論上的基礎(chǔ)。
　　(4)建立了基于截面剛度損傷的預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞剛度退化模型，并采用損傷彈性模量來對混凝土進(jìn)行損傷計(jì)量以及采用損傷剩余面積來對鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行損傷計(jì)量，而后進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞剛度退化的全過程分析，并編制了相應(yīng)的計(jì)算分析程序，結(jié)果表明:在考慮了有效剛度修正、疲勞開裂修正和超載修正后的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，誤差普遍在5％以內(nèi)，能夠較好的反映預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞剛度退化的演化過程。
　

7、　(5)基于疲勞剛度退化的全過程分析方法，提出了預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞撓度的預(yù)測計(jì)算方法，并同時(shí)建立了兩種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明:基于疲勞剛度退化全過程分析的疲勞撓度預(yù)測計(jì)算方法，其誤差隨著有效樣本的增加而逐漸減小，并且誤差較穩(wěn)定，得到的撓度增長曲線也比較符合試驗(yàn)結(jié)果;采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞撓度進(jìn)行預(yù)測的方法，其在有效樣本數(shù)較少時(shí)預(yù)測誤差較大，不過隨著樣本數(shù)目的增多其精度會(huì)逐漸提高，但其計(jì)算得到的撓度增長曲線受選擇

8、的傳遞函數(shù)形式和隱層神經(jīng)元的數(shù)目影響，同時(shí)穩(wěn)定性相對較差，一般要進(jìn)行多次重復(fù)訓(xùn)練才能獲取較好的訓(xùn)練結(jié)果。
　　(6)對一座4×20m的公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行了疲勞以及收縮徐變引起的長期撓度的計(jì)算分析，結(jié)果表明:在開始運(yùn)營的一年內(nèi)，因疲勞引起的撓度增長大于收縮徐變引起的撓度增長。此后，疲勞發(fā)展進(jìn)入第二階段，由于疲勞引起的撓度增量穩(wěn)定緩慢增長，而此時(shí)收縮徐變?nèi)蕴幱诳焖侔l(fā)展期，收縮徐變引起的撓度增量仍增長較快且逐漸超過了疲勞引起的