基于刚度下降的混凝土梁疲劳累积损伤模型的研究

通过疲劳试验，引入剩余刚度和累积损伤值的概念，研究钢筋混凝土梁由于疲劳累积损伤而造成的刚度衰减规律。结果表明：荷载循环初期刚度衰减较快，且不稳定，这一阶段约占疲劳寿命的5％～10％；材料物理性能的变化规律基本稳定后，刚度衰减速率基本为一定值，剩余刚度与循环次数之间基本呈线性关系，这一阶段约占疲劳寿命的80％～90％；接近疲劳寿命时，刚度急剧下降，直至疲劳破坏，这一阶段约占疲劳寿命的3％～5％；在疲劳破坏时，混凝土梁的剩余刚度降为初始刚度的70％。基于钢筋混凝土梁疲劳的第二阶段约占疲劳寿命的85％，且在此阶段剩余刚度与循环次数之间基本呈线性关系，建立了钢筋混凝土梁累积损伤值D与循环寿命比N／Nf之间关系的数学模型。在工程应用中，可以以累积损伤值D-1作为失效判据，通过少量循环的疲劳试验确定混凝土梁刚度衰减速率k的大小，然后由D=3．317k（N／Bo）来预测钢筋混凝土梁的疲劳寿命。     

爆破施工对隧道二衬结构影响的试验研究

为了研究隧道爆破振动施工对隧道混凝土二衬结构的影响,结合湖南省张家界老木峪2号隧道对自制不同强度的混凝土试块在不同龄期、不同爆心距的条件下进行爆破振动试验。首先通过正交试验判断出爆破振动对各因素影响程度的大小,然后采用压力试验机测出不同强度混凝土试块的极限荷载,最后通过混凝土试块抗压强度的变化规律分析其对二衬结构的影响。试验结果表明:混凝土强度是抵抗爆破振动的主要因素,在Ⅳ级围岩台阶法施工情况下,24 h龄期时距爆破中心60 m处的C45强度混凝土受爆破影响最小。爆心距15 m处,C30,C35,C40和C45的混凝土强度折减比分别为21.1%,16.8%,13.2%和1.0%,远大于爆心距60 m处C30,C35,C40和C45的混凝土强度折减比4.1%,3.1%,2.2%和2.1%。     

动荷载与水耦合作用下无砟轨道混凝土层间裂纹扩展研究

随着高速铁路的大范围应用,无砟轨道在列车荷载与水耦合作用下的水致损伤问题备受关注。为研究列车荷载与水耦合作用下无砟轨道层间裂纹扩展现象,运用有限元软件进行无砟轨道层间裂纹扩展分析,开展动荷载与水耦合作用下的混凝土层间裂纹扩展试验。研究结果表明:裂纹尖端疲劳寿命与列车速度呈二次方关系,随列车轴重增加,裂纹尖端疲劳寿命显著降低;裂纹尖端剪应力随裂纹深度增大呈高次方增长;裂纹扩展初期尖端多呈一定弧度,裂纹局部会伴有压溃现象;混凝土层间裂纹沿界面扩展时为折线形,并可能会产生裂纹分叉,最终导致裂纹面掉块现象发生。     

循环荷载下重载铁路路基累积动应变分析

研究目的:基于山东东营某重载铁路路基工程,以重载铁路路基为研究对象,通过一系列循环振动三轴试验,探究在氯盐侵蚀和循环振动荷载双重因素耦合作用下重载铁路路基的累积动应变发展变化规律,进一步揭示路基土体变形影响因素及其规律。研究结论:(1)循环振动荷载作用下,土体累积动应变随着循环振动次数的增加而不断增大;(2)不同的动应力比下,累积变形曲线呈现出稳定型、临界型和破坏型三种类型;(3)干密度越大,土体抵抗变形的能力越强,累积动应变发展速率越小,临界动应力比越大;(4)土体的累积动应变发展速率随含水率、含盐量和振动频率的增大而不断加快;(5)围压和含水率均可以改变土体累积动应变的发展类型,随着围压的增加,路基的变形速率降低;(6)该研究成果可为重载铁路路基设计与施工提供参考。     

基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特性

为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性,基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验,系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。结果表明：当应力上限低于屈服临界动应力值时,泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程,岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位;低频AE信号产生于静载阶段,而高频AE信号主要出现在循环加载阶段,且随加载频率的增大,超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大;红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主,但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大,且随着动应力幅值减小或加载频率的增大,剪切裂纹所占比例减小;在裂隙自愈合效应下,泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复,且随着放置时间的增加,声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。     

U71 Mn 50 kg·m-1普通碳素钢钢轨疲劳裂纹扩展速率试验研究

根据室内对U71Mn50kg·m-1普通碳素钢钢轨按三点弯曲标准进行的试验,测定该钢轨的疲劳裂纹扩展速率,即裂纹扩展深度a及其对应的循环次数N值。利用中值法求得裂纹扩展深度对循环次数的微分值。根据断裂理论求得相应的裂纹前沿应力强度因子幅度ΔK。根据Paris公式,对以上两值取自然对数进行线性回归分析,确定该公式中U71Mn50kg·m-1普通碳素钢钢轨疲劳裂纹扩展速率的两个材料常数C为3 8771×10-12,m为3 6343。     

活性粉末混凝土的疲劳性能试验研究

通过等幅单向压缩荷载作用下的活性粉末混凝土疲劳试验,研究活性粉末混凝土的疲劳特性。研究表明：循环荷载作用下,活性粉末混凝土的疲劳破坏表现为形成单一临界疲劳主裂纹的破坏形态;活性粉末混凝土的宏观疲劳损伤过程按宏观疲劳裂纹演变模式分为裂纹潜伏、裂纹稳定扩展和失稳破坏3个阶段,且各阶段分别占疲劳总寿命的15%,75%和10%,相应的纵向变形发展也呈此3阶段规律;活性粉末混凝土的疲劳寿命服从两参数Weibull分布,疲劳极限强度可取为其静极限轴心抗压强度的57%;活性粉末混凝土疲劳变形模量的衰减可分为平稳缓慢衰减和急剧不稳定衰减2个阶段,其比例分别为90%和10%;疲劳变形模量的极限值可以取作初始变形模量的0.5倍。     

重载铁路路基低液限粉土动力变形特性试验研究

低液限粉土是朔黄重载铁路路基的主要填料,通过一系列室内循环动三轴试验,研究循环荷载频率、动应力比、固结度和饱和度(含水率)等参数对低液限粉土动力变形特性的影响。研究结果表明:低液限粉土填料的轴向累积应变-振次关系曲线分为稳定型和破坏型,轴向累积应变随动应力幅值增大而增大,动应力超过临界动应力值,累积应变明显增长直到破坏。累积应变随振动频率的增大而增大;随固结比的增大而减小;饱和度(含水率)越大,对应的累积塑性应变越大,到达破坏所需的破坏振动次数越低。建立"稳定型"和"破坏型"累积轴向应变-振次关系的经验公式:张勇经验公式和Monismith指数公式。研究结果对重载铁路路基动力稳定性分析评价具有参考价值。     

Q345qD桥梁钢对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

为采用断裂力学方法对既有钢桥焊接细节进行疲劳评估,对6.1,10.0和23.5 mm的Q345q D桥梁钢对接焊缝进行疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,基于两种数据处理方法得到了不同厚度、不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率参数。试验结果表明:在通常的应力强度因子幅值范围(10~70 MPa·m0.5)内,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加;本批次的Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展性能优于BS7910中给出的通用钢材疲劳裂纹扩展性能;Q345q D对接焊缝疲劳扩展门槛值随应力比增加而降低,并给出了门槛值随应力比变化的公式。     

高速铁路钢轨疲劳过程的超声非线性系数表征

在U71Mn钢轨截面上不同位置取9个带有燕尾状缺口的试件进行三点弯曲疲劳试验和超声波非线性检测,提取试件在不同疲劳加载循环次数下超声波的基波幅值和二次谐波幅值,据此计算钢轨疲劳过程的超声非线性系数,并用扫描电镜和金相显微镜观察对应试件表面的微观形貌,研究超声非线性系数与钢轨疲劳裂纹萌生和扩展的关系。结果表明:在钢轨疲劳过程中,超声非线性系数呈规律性变化;在试件疲劳的初期,超声非线性系数缓慢升高,当疲劳加载循环次数达到7万次以后超声非线性系数开始快速增长,对应的试件开始萌生裂纹,到9万次以后试件的裂纹开始生长,当疲劳加载循环次数达到11万次时超声非线性系数达到峰值,然后随着疲劳加载循环次数的继续增加,超声非线性系数开始呈降低趋势,并在13万次时裂纹已经生长为3mm长的宏观裂纹,这说明超声非线性系数对钢轨疲劳过程中裂纹的萌生和扩展的变化非常敏感,验证了超声非线性系数用于表征U71Mn钢轨疲劳损伤过程的有效性。     

车轮铸钢热疲劳裂纹损伤行为研究

确定了车轮铸钢循环温度范围与循环次数间幂指数关系。其热疲劳损伤有两种主要形式；在低循环上限温度，表面氧化轻微，形成少量表面氧化腐蚀坑；在高循环上限温度，表面氧化严重厚氧化膜剥落，大量的氧化腐蚀坑及微裂纹形成，并连接成细长主裂纹。表面氧化对热疲劳裂纹扩展有重要作用。     

基于颗粒流的含交叉裂纹类岩石水力致裂细观机理研究

针对目前岩石在水力耦合作用下交叉裂纹扩展机理认识不足的问题,采用颗粒流软件(PFC2D)的平直节理接触模型和流域法,模拟计算含交叉裂纹的类岩石三轴压缩水力致裂过程,分析双向水平主应力差和主、次裂纹倾角对水力裂纹起裂、扩展及贯通的影响规律,并揭示其细观断裂机理。研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合较好。当有或无水平主应力差时,水力裂纹沿着或偏离水平最大主应力方向扩展,与交叉裂纹贯通或不贯通,细观机理均为拉伸断裂。增加水平主应力差可明显降低临界水压力,易形成网状裂纹,有利于提高资源开采效率。     

恒载荷下实尺车轴的断裂力学评价

车轴的断裂力学评价对铁路车辆安全运行具有重要意义。为了确定适当的轴检周期,对损伤容限分析的需求日益增加。然而,很少有人研究有关车轴在循环旋转弯曲荷载作用下的理论裂纹扩展特性与检测结果之间对应关系。介绍用实尺车轴进行裂纹扩展试验的结果,其中包括车轴上可能产生和扩展的裂纹几何形状的重要信息。此外,还对实尺车轴的裂纹扩展进行了评价,并与小型拉伸试件的裂纹扩展进行了比较。     

循环荷载作用下超长桩动力特性研究

考虑桩基土体在动力作用下强度弱化的基础上,通过拟合数值模拟结果和试验结果,验证强度折减法在FLAC3D中实现的可能性。建立超长桩的动力数值模拟模型,从循环荷载的频率、荷载幅值、恒载部分、循环次数、桩土刚度比和桩长方面对超长桩的动力特性进行分析。研究结果表明:循环荷载频率越大,超长桩桩顶累积沉降越小;荷载幅值越大,对应的超长桩桩顶累积沉降越大;循环荷载的恒载部分对超长桩的动力沉降影响不大;桩顶沉降随循环荷载次数增加而逐渐增大,并随循环次数的增加逐渐趋于稳定;桩土刚度比越大,对应的超长桩桩顶累积沉降越大;桩长越长,对应的超长桩桩顶累积沉降越小。     

地铁荷载下隧道周围粉性土变形的影响因素

针对地铁循环荷载作用下饱和粉性土的变形特性,对上海地铁10号线国权路站附近的饱和粉性土进行GDS(Global Digital Systems)循环三轴试验。试验结果表明:动应力幅值和固结比一定,累积塑性应变随振动频率的增大而变小;固结比和振动频率一定时,累积塑性应变随动应力幅值的增大而增大;动应力幅值和振动频率一定时,累积塑性应变随固结比的增大而增大。通过正交表L_8(2~7)进行安排试验,同时借助编码技术对变量进行分析,得到隧道轴向变形的回归方程,并考虑动应力幅值、固结比和振动频率等因素对回归方程显著性和失拟性进行检验。研究结果表明:该方程是可信的,影响地铁隧道轴线变形的主要因素是动应力幅值,其次是频率和固结比。研究成果对地铁隧道设计具有参考价值。     

Q345qD桥梁钢疲劳裂纹扩展速率试验研究

为采用线弹性断裂力学方法对既有铁路钢桥进行疲劳评估,利用紧凑拉伸试样、基于柔度法的测量手段,对6.1,10.0和23.5mm厚的我国应用最广泛的Q345qD桥梁钢进行疲劳裂纹扩展速率试验,分别采用单试件数据点和成组(相同材料、厚度和应力比)数据点拟合,得到不同厚度、不同应力比下试件的疲劳裂纹扩展速率参数。试验结果表明:在通常的应力强度因子幅值范围(10~70 MPa·m1/2)内,基于单试件数据点拟合参数得到的疲劳裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点拟合参数得到的裂纹扩展速率;Q345qD桥梁钢的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,当应力比从0.1增加到0.5时,本批次钢材的疲劳裂纹扩展速率增幅为7%~25%,但随板厚增加的变化并不显著;本批次Q345qD桥梁钢的疲劳裂纹扩展性能优于HPS485W和14MnNbq桥梁钢及BS7910标准中给出的通用钢材疲劳裂纹扩展性能。     

重载铁路路基粗颗粒土循环振动试验与累积动应变研究

重载铁路路基核心层为粗粒土,其直接承受轨道结构传递的列车动载的往复作用,但目前对粗粒土填料在重载列车往复作用下累积动应变的研究较少。为探索粗粒土填料在暴雨等极端恶劣天气或路基浸水时的累积动应变变化规律,利用基于MTS精确控制的动三轴试验系统,进行不同围压、多组动应力幅值下饱和粗颗粒土(铁路路基A级填料)的振动试验。由此获得一系列粗颗粒土累积动应变与振动次数的关系曲线,揭示动应力比对累积动应变发展类型的影响,得出基于围压的临界动应力比表达式以及累积动应变与振动次数的拟合关系式,同时证明一定振动次数时试样动应力与累积动应变关系比较符合双曲线模型。试验结果可供重载铁路路基核心层的动力变形稳定性评价和基于动力变形控制的路基设计参考和利用。     

微风化花岗岩隧道围岩损伤破裂特征及爆破工艺研究

为解决微风化花岗岩的钻爆开挖问题,以漳武线新村隧道为研究对象,运用室内试验的方法,测试了爆破前后微风化花岗岩试样的超声波速度变化,分析了爆炸作用下围岩损伤破裂特征,并在此基础上进行了爆破工艺研究。结果表明：爆破产生的大量能量释放,使得岩体内部产生了损伤、裂纹和破碎,爆破后试样的超声波纵波初至时间明显增加,声波速度明显下降,初至后波幅振动频率明显增加;损伤因子曲线随着中心距离的增加呈“S”型单调递减函数变化,按照损伤因子的衰减速度,损伤区域可以划分为爆炸粉碎和破裂区、爆炸损伤扰动区、爆炸微扰动区;采用周边孔长短炮孔组合的爆破方式可以有效降低爆破冲击对围岩的损伤,其损伤范围约为超炮孔工况的0.5倍,有效保持了围岩完整性和整体性。     

CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆变形及力学特性动三轴试验研究

CA砂浆是板式无砟轨道的关键组成部分,起弹性垫层的作用。为研究CRTSⅡ型CA砂浆在围压和荷载幅值耦合作用下的变形及疲劳后力学特性,采用GDS三轴仪在5种荷载幅值(0.3,0.35,0.4,0.45,0.5 kN)和4种围压(0,200,400,600 kPa)作用下进行室内动三轴试验,得到累积应变及疲劳后峰值强度的变化规律,并对影响疲劳后峰值强度的荷载幅值和围压进行二元线性回归分析。结果表明:疲劳后的峰值强度随荷载幅值的增加而线性降低,随围压的增加而线性增加;围压增大,荷载幅值对峰值强度的影响减弱,荷载幅值增大,围压对峰值强度的影响作用增强;荷载幅值和围压二元线性回归分析的相关系数为0.973;同一围压下,累积应变随循环次数增加而增加,增长速度渐渐变缓;同一循环次数下,累积应变随荷载幅值的增加而增加,且随着围压增大,荷载幅值对累积应变的影响减弱。     

复杂环境下CFRP-高强混凝土界面性能有限元分析

利用ABAQUS有限元分析软件,对持续荷载与冻融循环耦合作用下以及持续荷载与干湿循环耦合作用下CFRP加固高强混凝土双面剪切试件的界面黏结性能试验进行有限元模拟,将模拟结果与已有试验结果进行对比。结果表明:有限元模拟的计算值与试验结果吻合较好,2种复杂环境均会造成黏结界面的损伤,随着冻融循环与干湿循环作用次数的增加,试件界面的极限荷载、极限端部黏结滑移均随之降低,持续荷载的施加使降低程度加剧。在验证模拟结果正确的基础上,进一步分析试件的破坏形态的变化规律,在冻融循环作用下,试件发生混凝土内部剪切破坏;随着干湿循环作用次数的增加,试件的破坏方式由混凝土内部剪切破坏逐渐转变为界面的黏结破坏。