大體積橋塔既有裂紋在溫度疲勞荷載下擴展概率研究.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，會因外界環(huán)境因素變化的影響產(chǎn)生非線性溫度分布，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)擴展的可能性非常大。目前因為結(jié)構(gòu)設(shè)計中混凝土抗拉強度假設(shè)為零以及混凝土不受拉的通行結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，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。本文對帶預(yù)裂紋的混凝土拉壓循環(huán)疲勞特性進行了試驗研究與分析處理，并結(jié)合某斜拉橋大體積橋塔的溫度觀測與溫度應(yīng)力計算，對橋塔即有裂紋在溫度疲勞荷載下的擴展概率進行分析。在國家自然科學(xué)基金項目(50908184)資助下，全文作了如下研究工作:
　　 (1)在對混凝土拉壓疲勞試驗方法深入了解的基礎(chǔ)上，設(shè)計并進行了帶有預(yù)制裂紋混凝土試件的拉壓循環(huán)疲勞試驗，對疲勞試驗的結(jié)果進行了分析整理，作出了S-N、P-N、P-S-N疲勞曲線

3、。并使用極大似然法測定疲勞性能曲線，對試驗結(jié)果可靠性進行了驗證。將指數(shù)形式S-N表達式變形整理為更為直觀的疲勞應(yīng)力S與疲勞壽命對數(shù)值lgN之間一次、二次、三次多項式形式，確立帶預(yù)裂紋混凝土疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的對應(yīng)關(guān)系。并采用Goodman直線與Gerber二次拋物曲線形式，給出了帶預(yù)制裂紋C50混凝土的等壽命疲勞圖。
　　 (2)由試驗過程中測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，將帶預(yù)制裂紋混凝土裂紋開展劃分為四個

4、階段，對各個階段的開裂機理進行分析，得出了骨料質(zhì)量(強度與形狀)對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，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展真實情況的問題，同時得出可以忽略初始裂紋深、寬度的簡化公式，使試驗與分析結(jié)果更能適用于初始裂紋深度與寬度不確定的實際工程應(yīng)用。
　　 (4)使用割線法與最小二乘法得到疲勞裂紋擴展速率與應(yīng)力強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裂紋擴展模型中重要疲勞參數(shù)C、m值的取值范圍。
　　 (5)針對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，對系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)暮喕?，建立能反映溫度場和溫度?yīng)力的主要影響因素和內(nèi)在規(guī)律、即滿足實際需要又切實可行的分析模型。進行了第三類邊界條件與第一類邊界條件的分析比對，選用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件對橋塔進行溫度應(yīng)力分析。
　　 (6)使用ABAQUS有限元分析軟件，按為期四個月的橋塔實

6、測外界自然環(huán)境為基礎(chǔ)，對所選橋塔節(jié)段進行了溫度場與溫度應(yīng)力場分布的計算，并由有限元分析得到的溫度場與溫度應(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裂紋擴展模型，引入隨機變量過