环境和疲劳荷载作用下开裂混凝土寿命预测研究进展

混凝土是一种准脆性材料,大量混凝土结构在设计使用寿命期间会不可避免地出现裂缝并带着裂缝工作。裂缝的存在会直接影响到混凝土结构使用寿命,特别是在侵蚀性环境因素或疲劳荷载作用下。本文对钢筋混凝土裂缝扩展过程进行了分析,对不同侵蚀环境作用下开裂混凝土结构劣化机制、寿命预测研究方法及预测模型等进行了系统的梳理和对比。阐述了疲劳裂纹扩展理论在开裂混凝土结构疲劳寿命预测中的应用现状与优势,并归纳了基于该理论的部分寿命预测方法及预测模型。此外,还对侵蚀环境与疲劳荷载耦合作用下开裂混凝土结构寿命预测方法进行了总结与讨论,指出了现有开裂混凝土结构寿命预测研究尚存在的问题,并对今后的研究方向提出了建议。

疲劳荷载下水泥砂浆中氯离子渗透行为研究

为了探讨疲劳荷载作用下混凝土中氯离子的传输行为,自行设计装置开展了砂浆疲劳和氯盐共同作用试验,运用比裂缝面积表征试件损伤,分析了不同疲劳荷载水平下的砂浆损伤和氯离子传输性能,探讨了砂浆损伤与氯离子传输的相关性。研究表明:当疲劳上限小于0.4倍试件强度时,氯离子扩散系数增长缓慢;当疲劳上限大于0.4倍试件强度时,氯离子扩散系数增长加快,且随着疲劳荷载水平的增大,砂浆损伤不断增加。

疲劳荷载对蒸养混凝土电阻率的影响研究

地铁工程中,预制混凝土构件主要承受弯曲疲劳荷载,导致混凝土产生疲劳损伤,进而影响混凝土的绝缘性能(电阻率)。通过电阻率的变化也可以表征疲劳荷载作用下混凝土的损伤程度。为研究弯曲疲劳荷载对蒸养混凝土电阻率的影响,测试不同加载频率、荷载幅值与饱水度下混凝土电阻率的变化,同时结合超声波测试技术探究电阻率与疲劳损伤变量之间的关系,分析疲劳荷载对混凝土毛细吸水作用下电阻率的影响。试验结果表明,对混凝土疲劳加载36万次后,不同工况下混凝土的电阻率降低30%左右,且混凝土的电阻率在疲劳加载过程中均呈现出先快速下降而后缓慢下降的两阶段变化趋势;当疲劳加载频率较高时(15 Hz),高饱水度混凝土的电阻率较其余工况短时间内迅速下降,这可能是高加载频率与高饱水度共同作用下,形成的较大孔隙水压力加速了微裂纹的形成及扩展;基于麦克斯韦两相电导理论推导建立混凝土电阻率与疲劳损伤变量之间的关系模型,该模型与试验数据拟合效果较好,表明电阻率法可用于混凝土疲劳损伤的定量评估。此外,疲劳荷载作用后,混凝土的毛细吸水质量与相对电阻率(混凝土毛细吸水后与毛细吸水试验前的电阻率之比)降低幅度均有明显增加。

疲劳荷载特性对8.8级M24高强度螺栓疲劳裂纹扩展机理影响探析

为研究常幅疲劳荷载特性对高强度螺栓疲劳裂纹扩展的影响,针对钢结构端板连接用8.8级M24高强度螺栓在不同应力比/应力幅作用下常幅疲劳试验所得到的24个试件断口形貌进行定量分析,并采用ABAQUS软件数值模拟高强度螺栓应力集中情况,探讨含初始裂纹高强度螺栓裂纹尖端应力强度因子与荷载特性、预制裂纹形状之间的关系。结果表明:在轴向受拉疲劳荷载作用下,螺母与螺栓啮合第1圈螺纹处为疲劳断裂最不利位置;试件断口稳定扩展区面积与应力比/应力幅呈负相关,快速扩展区面积与应力比/应力幅呈正相关;裂纹尖端应力强度因子随应力比/应力幅的增大而增大;预制半椭圆形裂纹短/长轴之比(a/c)越大,应力强度因子扩展有限元(XFEM)解与解析解误差越大。

疲劳荷载作用下纳米SiO_(2)改性路面混凝土抗冻性及孔结构研究

为提高混凝土路面在疲劳荷载作用下的抗冻性,通过室内疲劳加载及冻融循环交替试验模拟混凝土路面在车辆荷载作用下的冻融破坏;同时设计抗弯拉试验测试纳米SiO_(2)改性路面混凝土在冻融后的剩余弯拉强度,采用压汞法测试混凝土细观孔结构,借助电子显微镜观察混凝土孔隙在疲劳荷载作用下的变化规律,研究纳米SiO_(2)掺量、疲劳荷载作用次数等对路面混凝土抗冻性的影响。结果表明:在疲劳荷载作用下,掺加适量纳米SiO_(2)能明显提高混凝土路面抗冻性,且随荷载作用次数增加,纳米SiO_(2)改善效果越显著,纳米SiO_(2)掺量为2%时,抗冻性最好;疲劳荷载会破坏混凝土孔结构稳定性,造成孔隙贯通,加速混凝土试件的冻融损伤;纳米SiO_(2)能够填充混凝土孔隙,降低空隙率,改善混凝土孔径分布,有效减缓疲劳荷载引起的孔结构失稳、孔隙贯通现象,进而提高混凝土路面抗冻性。

动态疲劳荷载下航空发动机叶片材料可靠性度量

为了提高航空发动机运行的安全性和稳定性,需要度量航空发动机叶片材料的可靠性。提出动态疲劳荷载下航空发动机叶片材料可靠性度量方法,首先结合UG软件和ANSYS Workbench软件建立航空发动机叶片的有限元模型;其次利用有限元模型分析了航空发动机叶片在动态疲劳荷载下产生的疲劳损伤,包括温度荷载、气动荷载和离心荷载;最后,根据疲劳累积损伤度量航空发动机叶片材料的可靠性。实验结果表明,所提方法具有较高的应力、损伤分析精度,可靠性度量结果与实际相符。

大跨多线公铁两用斜拉桥索锚结构疲劳荷载效应

为研究公铁两用斜拉桥索锚结构的疲劳荷载效应,分析多车道公路和多线铁路疲劳荷载谱,讨论疲劳荷载效应组合方法,借助有限元分析软件和MATLAB数据处理平台,确定大跨度公铁两用桥梁索锚结构的疲劳荷载效应,结合同类桥梁样本点参数,回归给出荷载效应值与主跨跨径的定量关系。研究结果表明:根据实际交通量确定的公路和铁路疲劳荷载效应,且可保守取两线客货共线铁路疲劳荷载效应的10%作为公路疲劳荷载效应;各类荷载效应可以选用Miner线性累积损伤等效和BS5400提及的线性叠加的方式进行组合,其中,线性叠加组合值最为保守,组合系数可结合疲劳车(汽车、客货共线列车、客运专线列车)单独作用得到的荷载效应比值确定;随着斜拉桥跨径的增大,拉索疲劳索力幅呈增大趋势,可综合线性方程P_1=2.385L+188.381、二次多项式方程P_2=0.001 1L^2+0.887L+602.456以及指数函数方程P_4=640.623e^(0.001 4L),为公铁两用(铁路)斜拉桥索锚结构初步预测疲劳荷载效应幅值范围,选择合理的公铁两用(铁路)斜拉桥索锚结构类型。

基于WIM的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型研究

为研究钢-混组合梁桥疲劳荷载模型,采用动态称重系统(WIM)获取山东地区高速公路10个月的交通荷载数据,建立有限元模型分析车型、总重对疲劳评估结果的影响规律,基于等效损伤理论对疲劳荷载模型进行推导。研究结果表明:外侧车道存在42.0%的疲劳致伤车辆,其中二轴货车比例最高、六轴货车次之,五轴货车最少;交通荷载总重呈多峰分布特点,峰值集中于30kN、130kN、350kN,超载车辆占比不足1%;提出的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型推导方法可行,建立了总重315kN的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型,供同类型桥梁疲劳评估时参考使用。

硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用下混凝土劣化特性

通过硫酸盐腐蚀与疲劳荷载叠加试验,测试了腐蚀疲劳破坏过程中道路混凝土的抗弯拉强度、相对动弹性模量以及饱和面干吸水率,分析了不同腐蚀阶段水化产物的微观结构,同时引入叠加效应系数K对硫酸盐腐蚀与疲劳荷载损伤叠加效应进行表征.结果表明:由于受到疲劳荷载的作用,硫酸盐溶液中的道路混凝土无强度增长,且腐蚀疲劳因子随着时间的增加而迅速降低;硫酸盐腐蚀膨胀产物引起的微裂纹与疲劳荷载产生的裂缝是道路混凝土腐蚀疲劳损伤的主要原因;通过K值的计算,表明了腐蚀损伤和疲劳损伤之间存在相互促进效应.

广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究

通过对广州市内环线恒福路段交通情况的实地调查 ,依据等效疲劳损伤原理 ,将实测的车辆荷载频值谱简化为由疲劳荷载模型车辆组成的实用频值谱 ,得到了由日常运营车辆组成的荷载频值谱 .根据车辆组成的荷载频值谱 ,建立了广州市高架桥疲劳荷载车辆模型 .所建立的疲劳荷载车辆模型 ,可供广州市其他高架桥梁疲劳损伤验算或疲劳设计时参考 .

疲劳荷载作用下混凝土硫酸盐腐蚀寿命预测

在已有水泥混凝土硫酸盐腐蚀模型的基础上,引入疲劳荷载影响的硫酸根离子有效扩散系数,分析不同参数对疲劳荷载作用下水泥混凝土硫酸盐腐蚀寿命的影响;通过大量的均匀设计计算,回归出疲劳荷载作用下道路混凝土受硫酸盐腐蚀寿命的计算公式,可为疲劳荷载作用与硫酸盐腐蚀工况下的水泥混凝土材料设计及寿命预估提供参考.

城市道路桥梁的疲劳荷载谱

我国针对公路及城市道路桥梁疲劳设计的车辆荷载谱还是个空白,本文以上海市内环线中山路3号桥地面道路桥梁为例,对城市道路桥梁的疲劳荷载作了研讨.在1994年和1995年两次交通调查的基础上,得到了由18类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱.依据等效的疲劳损伤原理,将实测的车辆荷载频值谱简化成由6类模型车辆组成的具有实用性的荷载频值谱.所建立的模型车辆荷载频值谱,对于日常车辆交通构成与本文状况相类似的其它城市道路桥梁的疲劳损伤度验算,可作为参考.

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。

疲劳荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化规律及计算公式

对承受疲劳荷载反复作用的钢筋混凝土结构而言,疲劳是一种重要的损伤形式,如何判断和描述其损伤程度是结构损伤与寿命评估领域的一大难题。结构刚度会随损伤发展而逐渐发生不可逆的退化,刚度退化与疲劳损伤之间存在一定的内在关联,且刚度测试简单易行,开展了一系列的疲劳试验研究刚度退化规律和计算方法。通过疲劳试验观测,钢筋混凝土梁刚度退化呈现出非常明显的三阶段规律,刚度退化曲线符合"S"型形态。根据刚度退化规律对试验数据进行拟合,得到可用于计算钢筋混凝土梁刚度退化程度的公式,该公式与10根试验梁的试验结果吻合度较好,能够实现对刚度退化的描述。利用钢筋混凝土梁刚度退化计算公式,可以预测结构在服役过程中的变形发展情况,也可以进行结构疲劳损伤、性能退化程度判定及剩余寿命预测。

钢桥疲劳荷载效应监测数据概率建模与疲劳可靠性分析方法

疲劳荷载效应的概率模型是钢桥疲劳极限状态方程的关键内容。针对钢桥疲劳荷载效应监测数据的多峰分布特征,提出基于高斯混合模型的监测数据概率建模方法。首先,构造疲劳荷载效应观测数据的完整似然函数,在此基础上采用Expectation Maximum算法对高斯混合模型的权重、均值及方差等参数进行迭代估计。同时,采用信息统计学中的AIC和BIC准则来确定高斯混合模型的最优高斯分量数,以此来兼顾概率模型的准确性和简洁性。研究发现,高斯混合模型可以较好地描述日等效应力范围和循环次数的多峰分布特征。最后,采用荷载效应的高斯混合模型建立钢桥疲劳极限状态方程,在此基础上分析润扬大桥钢箱梁3个焊缝细节的疲劳可靠度。

疲劳荷载下钢纤维高强混凝土梁裂缝宽度的计算方法

通过8根钢纤维高强混凝土梁的疲劳试验,分析钢纤维体积率、钢纤维类型和钢纤维掺入层厚对钢纤维高强混凝土梁裂缝宽度和裂缝间距的影响。结果表明,在高强混凝土梁中掺加钢纤维能有效限制裂缝的发展,静载作用下,掺入钢纤维的高强混凝土梁裂缝宽度减小39%～133%;疲劳荷载作用下,裂缝宽度减小35%～121%,裂缝间距减小28%～67%。最后探讨静载及疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土梁裂缝宽度的计算方法,结合试验数据提出疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土梁裂缝宽度的计算公式。

公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头的疲劳荷载

为评定公轨两用钢桁桥下层轨道横梁与焊接整体节点连接头在交通荷载作用下的疲劳损伤累积,对该细节在桥梁设计寿命内车辆荷载所产生的疲劳荷载谱的计算方法进行了研究。在对桥梁的车辆荷载进行分析的基础上,参照各国相关规范,建立了代表桥梁设计寿命内真实运营状况的疲劳荷载模型,并通过全桥三维有限元分析模拟计算该连接细节所承受的荷载历程。依据疲劳损伤累积理论,确定了公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头验证性疲劳试验的试验荷载。结果表明:该连接细节的疲劳损伤荷载基本不受上层汽车的影响,主要取决于轻轨,可以通过直接将轻轨计算结果乘以一定的提高系数得出。

多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化

基于材料疲劳损伤和损伤累积的非线性模型,将混凝土损伤弹模和钢筋损伤剩余面积引入到截面刚度计算中,推导了预应力混凝土梁在多级变幅疲劳荷载下的刚度退化模型。结合遗传算法进行了参数拟合,提出了疲劳刚度损伤退化预测的神经网络方法,编制了相应的Matlab计算程序。通过预应力混凝土梁多级变幅疲劳试验对模型参数和结果进行了拟合、修正和验证。结果表明:多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化存在类似混凝土损伤发展的三阶段规律,混凝土材料应采用能体现损伤发展三阶段规律的损伤模型;刚度退化模型各参数物理意义明确,理论分析结果与试验结果偏差普遍在5%以下;基于遗传算法进行参数拟合方法和基于神经网络预测方法的结果具有较高精度,可以为预应力混凝土梁的疲劳耐久性评估提供一定的参考。

疲劳荷载作用下道路混凝土硫酸盐侵蚀及防护

目的解决疲劳荷载作用下道路工程结构混凝土硫酸盐侵蚀破坏严重的问题。方法采用自主研发的腐蚀疲劳试验装置,通过化学分析及强度测试,研究荷载类型(交变荷载和持续荷载)、硫酸盐种类(Na2SO4和Mg SO4)、硫酸盐浓度(5%和10%(均为质量分数)的Na2SO4)、应力水平(20%、40%和60%)、水灰比(0.35、0.38)对道路混凝土腐蚀龄期为180 d时的硫酸根离子分布及强度变化的影响规律;同时,采用硅烷对混凝土进行表面涂覆,对其抗疲劳腐蚀性能进行测试。结果承受腐蚀疲劳的道路混凝土表层的硫酸根离子侵入速度是承受持续荷载的试件的1.43倍。在腐蚀疲劳作用下,当硫酸盐浓度提高1倍时,混凝土表层硫酸根离子侵蚀速度提高近1倍;应力水平由0.2提高至0.6时,表层硫酸根离子质量分数由2.51%提高至4.62%;水灰比由0.38降至0.35时,表层硫酸根离子扩散速度降低17%。由于硫酸镁腐蚀生成的Mg(OH)2溶解度很低,混凝土表层硫酸镁腐蚀速度是硫酸钠的70%。此外,涂覆硅烷的混凝土抗弯拉系数较未涂覆试件提高了近40%。结论疲劳荷载加剧了混凝土中硫酸盐的侵蚀。在腐蚀疲劳环境中,可采用适当降低水灰比、硅烷涂覆表面的方法提高混凝土抗硫酸根离子侵蚀能力,延长混凝土服役周期。

疲劳荷载下混凝土梁弯曲损伤指标的探究

混凝土疲劳损伤的计算方法比较复杂,本文经推导及实验验证得出了混凝土的割线模量损伤与塑性应变呈直线关系,同时证明了使用切线模量与割线模量计算得到的损伤是相同的,由此定义了随塑性应变而变化的混凝土弹性模量的疲劳损伤指标为简单的直线方程。将此损伤指标应用于混凝土梁,推导了疲劳荷载下弯曲损伤指标。