混凝土疲劳损伤研究及寿命预测

• 作 者: 姚婵娟
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 混凝土 疲劳损伤 临界平面 塑性应变能密度 应变能密度

水泥混凝土路面是高等级公路最主要的结构形式之一,然而目前在我国随着混凝土路面建筑里程的逐年增加,路面过早损坏也变得越来越明显,主要是由于作用于其上的载荷反复作用而造成的疲劳破坏。因此,通过对混凝土构件疲劳性能的研究,准确识别出路面是否受损,确定损伤的位置和程度,预测其疲劳寿命显得尤为重要。本文采用有限元数值计算与理论相结合的研究方法,结合以往实验研究结果,从损伤力学理论出发研究混凝土的损伤特性,定义合适的损伤变量,由损伤累积法则求出构件的疲劳寿命。混凝土的疲劳破坏从本质上来说是疲劳裂纹从萌生、扩展到最终断裂的过程,同时也是能量耗散的过程,由此提出了基于临界平面的塑性应变能密度及总应变能密度疲劳寿命预测模型,并且分别利用两种模型预测了不同载荷状况下混凝土试件的疲劳寿命,通过与实验结果的比较分析,符合疲劳设计规范要求,得到了满意的结果。然后,利用基于临界平面的总应变能密度疲劳寿命预测模型,预估了路面在不同载荷方位作用下的使用寿命。另外,鉴于当今路段上越来越严重的超载现象,文中分别从标准载荷与超载两种情况给予了分析。根据计算结果结合混凝土疲劳损伤发展的三阶段规律,可以在适当时候对路面实施加固修补措施,从而为实际工程带来一定的指导意义。最后,从宏观断裂力学角度研究了疲劳裂纹扩展规律与裂纹尖端塑性应变能密度的关系,得出了适用于混凝土材料的基于裂纹尖端塑性应变能密度的裂纹扩展模型,并用该模型预测了混凝土中心裂纹平板的裂纹扩展寿命。