混凝土橋梁基于殘余應(yīng)變監(jiān)測的疲勞狀況評(píng)估模式研究.pdf

1、混凝土橋梁往往不可避免地存在某些細(xì)小結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷大多以微觀裂紋形式出現(xiàn)，在長時(shí)間的結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)，由于環(huán)境的侵蝕、材料的老化及自然災(zāi)害，加之交通荷載的反復(fù)疲勞作用，因這些細(xì)小缺陷引起的疲勞損傷不斷累積，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)整體抵抗自然災(zāi)害，甚至正常服役荷載的能力逐漸下降。限于研究手段和測試技術(shù)，以往的橋梁結(jié)構(gòu)疲勞分析只能局限于構(gòu)件或細(xì)節(jié)表面已出現(xiàn)肉眼可見的疲勞裂紋，距離疲勞損傷早期（裂紋萌生）的發(fā)現(xiàn)和分析尚有很大差距。近年來，橋梁長期監(jiān)測技

2、術(shù)取得了較大進(jìn)展，如何充分利用橋梁在線營運(yùn)監(jiān)測的手段和技術(shù)優(yōu)勢，盡早發(fā)現(xiàn)疲勞損傷和跟蹤其損傷累積演化過程，是橋梁界值得探索的課題。目前，在該領(lǐng)域還沒有較為系統(tǒng)的研究成果。鑒于此，本文利用斷裂與損傷力學(xué)的相關(guān)理論與知識(shí)，從研究鋼筋混凝土橋梁的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律出發(fā)，獲取能表征疲勞損傷的特征因子，同時(shí)，在大量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，挖掘出疲勞特征參量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)服役混凝土橋梁疲勞損傷的安全狀態(tài)評(píng)估。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　①通

3、過對(duì)鋼筋混凝土材料的裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析，在恢復(fù)力模型的基礎(chǔ)上，提出了融入殘余應(yīng)力影響因子的修正Paris公式，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。分析結(jié)果表明:考慮殘余應(yīng)力影響之后的作用效果明顯不同于未考慮的情況，其對(duì)裂紋擴(kuò)展影響較大，更符合實(shí)際。
　?、诟鶕?jù)混凝土疲勞損傷微觀機(jī)理分析，結(jié)合疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展與不穩(wěn)定擴(kuò)展這兩個(gè)斷裂判據(jù)，在相應(yīng)假設(shè)的基礎(chǔ)上，獲取了殘余應(yīng)變的計(jì)算模型;同時(shí)，為了使該模型的適用范圍更廣，尤其是對(duì)服役的鋼筋混凝土橋梁，對(duì)其

4、進(jìn)行了實(shí)時(shí)殘余應(yīng)變計(jì)算模型的研究。經(jīng)驗(yàn)證，該模型能滿足實(shí)際情況需求，且不受加載歷程的影響;此外，通過累積殘余應(yīng)變的多少來劃分疲勞損傷狀況等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了混凝土橋梁的實(shí)時(shí)疲勞安全狀況評(píng)估。
　?、弁ㄟ^對(duì)鋼筋混凝土梁的非線性數(shù)值模擬分析，獲取了循環(huán)荷載作用下梁在不同階段的發(fā)展變化狀況，特別是塑性變形情況。同時(shí)，根據(jù)鋼筋混凝土梁在單級(jí)和多級(jí)荷載作用下的疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)融入殘余應(yīng)力影響的應(yīng)力強(qiáng)度因子較常規(guī)的應(yīng)力強(qiáng)度因子能更好的表達(dá)出裂紋的擴(kuò)展速

5、率;此外，利用已提出的殘余應(yīng)變計(jì)算模型，計(jì)算出的殘余應(yīng)變與實(shí)測的殘余應(yīng)變初期吻合良好，后期略高于實(shí)測值，可見，利用殘余應(yīng)變?cè)u(píng)估循環(huán)荷載作用下服役橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞安全狀況可行，且偏于安全。
　?、転榱擞行蕹O(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常信息，壓縮減小數(shù)據(jù)量，以小波分析為手段，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)呈周期性變化的特點(diǎn)，提供了標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)塊（以天為周期）的獲取方法;此外，兼顧疲勞安全狀況評(píng)估對(duì)循環(huán)特征參數(shù)（峰值σimax及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)ni）的需求，在遵循計(jì)數(shù)原

6、則的基礎(chǔ)上，借鑒已有計(jì)數(shù)方法，提出了改進(jìn)的跨均值峰值計(jì)數(shù)法，并針對(duì)實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用分析。
　　⑤選取已構(gòu)建健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋—龍河大橋?yàn)橐劳?，利用其?shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，提取出當(dāng)前疲勞特征參數(shù)（峰值σimax及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)ni），同時(shí)，借助殘余應(yīng)變計(jì)算模型，獲取了龍河大橋典型截面相關(guān)位置目前的殘余應(yīng)變量值。該殘余應(yīng)變量值非常小，表明目前龍河大橋的疲勞安全狀況良好，這與大橋?qū)嶋H安全狀況相符。可見，基于殘余應(yīng)變的評(píng)