大體積橋塔既有裂紋在溫度疲勞荷載下擴(kuò)展概率研究.pdf

1、混凝土導(dǎo)熱性能極差，體積龐大的混凝土橋塔暴露于自然環(huán)境中時(shí)，會(huì)因外界環(huán)境因素變化的影響產(chǎn)生非線(xiàn)性溫度分布，從而導(dǎo)致拉壓循環(huán)的溫度疲勞應(yīng)力，同時(shí)由于橋塔的結(jié)構(gòu)要求，常規(guī)的設(shè)置伸縮縫消散溫度應(yīng)力的方式難以奏效。而裂紋是混凝土不可避免的問(wèn)題，在裂紋尖端存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使混凝土抗疲勞性能大為劣化，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的可能性非常大。目前因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中混凝土抗拉強(qiáng)度假設(shè)為零以及混凝土不受拉的通行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，使得關(guān)于帶裂紋的混凝土拉壓循環(huán)疲勞性能研究

2、還鮮有涉足。本文對(duì)帶預(yù)裂紋的混凝土拉壓循環(huán)疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析處理，并結(jié)合某斜拉橋大體積橋塔的溫度觀(guān)測(cè)與溫度應(yīng)力計(jì)算，對(duì)橋塔即有裂紋在溫度疲勞荷載下的擴(kuò)展概率進(jìn)行分析。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50908184)資助下，全文作了如下研究工作:
　　 (1)在對(duì)混凝土拉壓疲勞試驗(yàn)方法深入了解的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了帶有預(yù)制裂紋混凝土試件的拉壓循環(huán)疲勞試驗(yàn)，對(duì)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析整理，作出了S-N、P-N、P-S-N疲勞曲線(xiàn)

3、。并使用極大似然法測(cè)定疲勞性能曲線(xiàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。將指數(shù)形式S-N表達(dá)式變形整理為更為直觀(guān)的疲勞應(yīng)力S與疲勞壽命對(duì)數(shù)值lgN之間一次、二次、三次多項(xiàng)式形式，確立帶預(yù)裂紋混凝土疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并采用Goodman直線(xiàn)與Gerber二次拋物曲線(xiàn)形式，給出了帶預(yù)制裂紋C50混凝土的等壽命疲勞圖。
　　 (2)由試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的試件變形量與疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的α-N關(guān)系曲線(xiàn)，將帶預(yù)制裂紋混凝土裂紋開(kāi)展劃分為四個(gè)

4、階段，對(duì)各個(gè)階段的開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析，得出了骨料質(zhì)量(強(qiáng)度與形狀)對(duì)帶裂紋混凝土疲勞壽命有著極為重要的意義。
　　 (3)提出潛行裂紋面和等效潛行裂紋假說(shuō)，解決了因混凝土材料自身的離散性，難以準(zhǔn)確把握不同位置處裂紋開(kāi)展真實(shí)情況的問(wèn)題，同時(shí)得出可以忽略初始裂紋深、寬度的簡(jiǎn)化公式，使試驗(yàn)與分析結(jié)果更能適用于初始裂紋深度與寬度不確定的實(shí)際工程應(yīng)用。
　　 (4)使用割線(xiàn)法與最小二乘法得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子變程之間的關(guān)

5、系，給出了混凝土在不同存活率下，Pairs裂紋擴(kuò)展模型中重要疲勞參數(shù)C、m值的取值范圍。
　　 (5)針對(duì)體積較大的混凝土橋塔溫度應(yīng)力分析，做了六條基本假定，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立能反映溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的主要影響因素和內(nèi)在規(guī)律、即滿(mǎn)足實(shí)際需要又切實(shí)可行的分析模型。進(jìn)行了第三類(lèi)邊界條件與第一類(lèi)邊界條件的分析比對(duì)，選用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件對(duì)橋塔進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。
　　 (6)使用ABAQUS有限元分析軟件，按為期四個(gè)月的橋塔實(shí)

6、測(cè)外界自然環(huán)境為基礎(chǔ)，對(duì)所選橋塔節(jié)段進(jìn)行了溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)分布的計(jì)算，并由有限元分析得到的溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力分布結(jié)果，并依此作出溫度疲勞荷載譜。
　　 (7)使用MATLAB軟件編輯了使用雨流法處理溫度應(yīng)力疲勞荷載譜的程序流，得到均值與幅值循環(huán)數(shù)分布，及均值幅值聯(lián)合概率密度圖。證明溫度疲勞荷載循環(huán)中的均值與幅值均近似服從正態(tài)分布，荷載均、幅值循環(huán)服從高斯分布。
　　 (8)利用Lin-Yang裂紋擴(kuò)展模型，引入隨機(jī)變量過(guò)