沥青混合料拉压疲劳损伤试验

为研究沥青路面结构实际处于拉压应力作用下的疲劳损伤特性,针对沥青混合料AC-13开展了连续式交变正弦波形加载的小梁拉压疲劳试验。依据损伤力学基本理论,采用唯象学方法分析了沥青混合料的拉压疲劳损伤特性。介绍了拉压疲劳试验方法及影响因素,根据疲劳试验结果得到了拉压疲劳方程;基于弹性模量定义的损伤变量,建立了拉压疲劳损伤模型,拟合疲劳试验结果确定了损伤参数,获得了考虑应力水平的拉压疲劳损伤演化方程。研究结果表明:疲劳损伤参数α、β随应力水平增大而增大,且近似呈线性关系;拉压疲劳损伤演化大致呈3阶段变化规律,即损伤萌生、损伤稳定增长和损伤失稳破坏阶段;应力水平越大的损伤演化曲线越靠下,随寿命比变化疲劳损伤演化速度越缓和。     

有黏结预应力CFRP板加固RC梁抗弯疲劳试验与理论分析

为研究有黏结预应力CFRP板加固混凝土梁的疲劳性能,共设计了6根构件,其中疲劳试验构件3根,静载试验构件3根。通过200万次疲劳加载过程中疲劳构件的钢筋、CFRP板和混凝土的应变及荷载-挠度曲线分析,研究了预应力水平、锚固方式对加固混凝土梁的疲劳性能的影响,试验结果表明:有黏结预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的疲劳性能以及疲劳后静力性能良好;预应力水平的提高可以降低试件在疲劳荷载作用下钢筋和梁顶混凝土的应力水平,延缓试件刚度退化;试验采取的两种锚具工作性能良好且差别不明显。通过对试验值进行回归分析,得到了有黏结预应力CFRP加固混凝土梁的疲劳刚度退化规律,并修正了适合有黏结预应力CFRP板加固混凝土构件的疲劳损伤累积计算公式,计算结果表明:该计算公式能够通过疲劳损伤累积规律反算构件的剩余疲劳寿命;有黏结预应力CFRP加固混凝土梁与钢筋混凝土梁的疲劳损伤累积规律存在明显不同,其疲劳损伤累积第1阶段小于疲劳寿命的1%,第1阶段历时更短且第2阶段疲劳损伤累积速率更低;疲劳损伤累积的第1阶段和第2阶段的曲线斜率均为常数并与钢筋最大初始应力有关;提高CFRP板预应力水平能够降低疲劳损伤累积,延长加固构件疲劳寿命。     

基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计

能模拟车辆荷载通过效应的疲劳模型试验是研究正交异性钢桥面板疲劳性能的有效手段。利用国内首台自主研发的桥面结构专用轮式滚动疲劳加载装置,以广东虎门二桥坭洲水道桥为依托工程,研究了基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计问题。首先,根据实桥交通需求分析,合理确定实桥疲劳荷载谱;其次,计算疲劳敏感部位热点在疲劳荷载谱各车型作用下的应力历程,采用雨流计数法计算应力谱,根据Miner疲劳损伤累积理论转化为每种车型通过1次的等效应力幅,结合交通量预测计算实桥各构造细节在设计寿命期内的疲劳累积损伤;最后,根据设备性能参数,分别计算橡胶轮双轴加载和钢轮单轴加载下试验模型各细节的等效应力幅,通过与实桥钢桥面板各细节的疲劳累计损伤等效,从而确定试验加载轴类型、加载水平以及对应各细节的等效作用次数。研究成果对改进正交异性钢桥面板疲劳试验设计有重要参考意义。     

基于有限元方法的复合钢混凝土桥梁热点应力分析研究

通过建立复合钢混凝土疲劳危险部位焊接构件的三维有限元模型,围绕桥梁交通荷载作用下局部热点应力和疲劳损伤累积进行分析,获得合适的在役钢-混凝土桥梁关键焊接构件的疲劳损伤评价方法。研究结果表明:采用大桥有限元模型进行动力特性分析,模型计算固有频率和实测值最大误差在10%以内,计算的动力特性和设计测试阶段特性相符;钢混凝土桥梁纵向加劲桁架细节热点应力区域出现在上下弦杆与对角撑、盖板连接处,与焊缝构件最大疲劳损伤位置一致,主梁框架热应力出现在靠近公路外侧梁腹板连接处;通过线性米勒准则获得的疲劳损伤累积呈线性变化,在高周疲劳损伤初期损伤率增长较慢,后期较快,适用于在役结构疲劳寿命评价。     

沥青混合料疲劳损伤模型参数实验研究

首先介绍疲劳累积损伤定律在沥青类材料中的应用,针对不同模型的特点及应用条件,采用Lemaitre疲劳累积损伤模型作为沥青混合料疲劳损伤模型,通过进行疲劳损伤实验设计,获得沥青类材料疲劳损伤特性参数,为计算材料疲劳损伤程度奠定了基础。     

高能摩擦副齿部啮合非线性冲击损伤新算法及疲劳寿命预测

重载车辆传动系统摩擦副在接合/分离过程中，摩擦片内齿与内毂外齿为啮合状态，由于动力输出的非平稳性，使得啮合齿部处于非线性高频冲击振动，其振动及冲击损伤特性将影响着传动系统的性能和使用寿命。为能正确预估高频冲击损伤对传动系统使用寿命的影响，对摩擦片齿部冲击碰撞应力变化规律和疲劳损伤理论的应用研究，提出了一种非线性冲击损伤计算的新算法。采用疲劳累积损伤原理和门槛值计算方法，分析了非线性冲击应力特性，引入了喷丸强化因子，并将代表当前损伤状态和应力状态对疲劳损伤发展影响的无量纲因子引进模型，得到了非线性冲击总损伤的数学模型。对摩擦副齿部进行了瞬态和稳态的应力试验测试，获得了1.5 mm齿侧间隙下10 s时间段的累积损伤值，利用新算法理论计算方法，推导了摩擦片全寿命周期总损伤值，获得了疲劳寿命预估值。经计算，其有效使用寿命周期为25.56 min。为对比不同边界条件下的损伤影响状态，对常用的不同齿侧间隙（0.75，1.25 mm）摩擦片齿部疲劳寿命进行了试验测试和总损伤值计算，分别获得了不同间隙条件下的使用寿命预估，其有效使用寿命分别为100.78，25.96 min。该方法能够通过实测应力状态，获得有效时间段累积损伤值，并通过计算，获得总损伤值及全寿命疲劳失效损伤的定量预估。该算法对摩擦片齿部高频冲击疲劳失效损伤的定量评价研究具有可操作的现实指导意义，也为进一步深入研究冲击碰撞损伤并准确量化研究奠定了理论基础。     

基于Corten-Dolan累积损伤准则的等效等幅疲劳应力幅值计算方法

利用Miner线性累积损伤准则和Corten-Dolan累积损伤准则,按照多级变幅荷载或随机荷载损伤度相等的原则,推导出了等效的等幅疲劳应力幅值计算公式,介绍了该公式应用于疲劳细节评估或疲劳寿命估算的方法。利用钢筋混凝土梁疲劳试验得到的S-N曲线和S-N方程,针对同批3根钢筋混凝土梁的随机疲劳试验结果,对该公式及方法进行了检验。结果表明,该公式计算结果具有较高的精度,与试验结果较接近且偏安全。该公式操作较方便,适合工程应用。     

基于疲劳应变演化的混凝土弯曲强度退化分析

为了研究混凝土在弯曲疲劳荷载作用下的强度退化规律,提出了基于疲劳应变演化的混凝土弯曲强度退化分析方法。基于疲劳应变三阶段演化规律及目前拟合方法的不足,构造了水平S形非线性应变演化模型,讨论了模型参数的物理含义、取值范围以及参数对模型曲线的影响;通过对常用损伤变量优缺点的分析,在应变空间上建立了疲劳损伤演化方程;结合混凝土疲劳强度退化的边界条件与同一损伤状态疲劳应变与弯曲强度必然存在唯一对应关系假定,建立了混凝土弯曲强度衰减方程式,整个过程都用玻璃纤维混凝土的试验数据进行了对比分析与验证。研究结果表明:水平S形非线性应变演化模型涵盖了疲劳应变演化规律的各种类型,具有适应性强、精度高的特点,适用于玻璃纤维混凝土疲劳应变演化的描述,也可在钢纤维混凝土以及各种再生混凝土疲劳应变分析中推广应用;基于疲劳应变演化模型建立的损伤演化曲线起初增长较快,中间线性增大,循环比超过0.9时急速增加,具有从左下角至右上角的水平S形变化规律,且与试验曲线吻合较好;弯曲强度衰减曲线起初下降较快,中间线性变化,循环比超过0.9时又迅速下降,衰减曲线为从左上角至右下角的S形曲线。     

定侧压混凝土双轴拉-压疲劳累积损伤试验研究

在对有限预应力混凝土桥梁结构进行损伤分析与剩余寿命估算时,为了解混凝土在双轴波动拉-压应力作用下的疲劳强度和损伤特性,通过室内小尺寸的变截面棱柱体试件的双轴疲劳试验,得到了定侧压下混凝土等幅和变幅重复荷载作用下的轴心拉-压疲劳方程和疲劳变形特性。由等幅疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了相应的损伤演化方程;依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳损伤模型。研究表明:极限疲劳割线模量衰减率可作为混凝土发生拉-压疲劳破坏的标志;用规范化的疲劳变形模量定义损伤变量,建立的损伤累积模型,用于疲劳损伤分析和剩余寿命预测时具有较高的精度。     

钢筋混凝土结构腐蚀疲劳劣化过程的动态寿命评估

为评估腐蚀条件下钢筋混凝土结构的疲劳寿命,采用预腐蚀的方法分级建立不同腐蚀率下钢筋混凝土结构的S～N曲线方程,然后在S～N曲线方程中再次考虑腐蚀率和应力水平的影响,建立lgN～lgS的一般线性关系,同时根据腐蚀率随时间的变化规律,按年限逐步计算结构在腐蚀及循环荷载作用下的时变疲劳累积损伤,最终根据Miner线性累积损伤理论动态预测结构的疲劳寿命。以某简支T梁为例进行腐蚀疲劳寿命评估,评估结果表明,钢筋混凝土结构在荷载及腐蚀环境共同作用下的性能和疲劳寿命会大大降低。     

后浇UHTCC加固既有混凝土复合梁的弯曲控裂性能

对不同厚度的既有普通混凝土梁体受弯一侧浇筑超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)制成定截面复合梁,通过四点弯曲试验对2种材料结合后的整体工作性能,以及UHTCC层作为外浇层对表面裂缝的分散和限制能力进行试验研究。通过平截面假定法和平衡方程,采用受约束的混凝土受拉本构模型,推导计算了复合梁整体受力过程中不同阶段的极限承载力。结果表明:通过纤维的桥联和应力传递作用,UHTCC层能有效控制裂缝的生成和扩展,并将上层混凝土中出现的单条宽裂缝分散成多条细密裂缝;UHTCC层的加入提高了复合梁的承载能力,限制了混凝土裂缝的开展,增强了整体延性;受拉一侧UHTCC所占的比例越大,复合梁中点挠度越大,极限弯曲强度越高;混凝土强度等级越高,UHTCC层对复合梁前期强度影响越小,但后期整体韧性改善依旧显著;极限承载力计算值与实测值符合较好。     

斜拉索腐蚀损伤下斜拉桥体系可靠度研究

拉索腐蚀疲劳累积损伤是威胁斜拉桥运营安全的关键因素,导致斜拉桥运营期的换索次数多且换索成本高。为了准确评定斜拉索腐蚀疲劳损伤对斜拉桥结构安全的影响,从结构体系可靠性角度探索拉索腐蚀疲劳损伤的概率传递模型。分析了斜拉索腐蚀疲劳损伤对结构体系可靠度的影响规律,从而为换索决策提供依据。研究结果表明,疲劳和疲劳腐蚀效应共同作用下的拉索在20 a服役期内的强度系数分别为0.928和0.751,斜拉索抗力退化将导致斜拉桥主要失效路径变化,主梁索间距为30 m的斜拉桥在服役期的13 a,主要失效模式从由主梁弯曲失效转移至斜拉索强度失效,导致后期的结构体系可靠指标快速下降。     

沥青混合料疲劳-蠕变交互作用损伤模型

为了研究沥青混合料在重复荷载作用下的疲劳特性并描述疲劳-蠕变损伤效应共同作用的过程,考虑沥青混合料具有的动态性质,从粘弹性损伤力学基本理论出发,基于应变等效假设,采用复数模量定义了损伤变量。通过分析沥青混合料在周期荷载作用下的损伤变化规律,运用疲劳-蠕变耦合损伤理论,建立了疲劳-蠕变损伤效应共同作用时的损伤演化方程,提出了体现温度及应力影响的损伤模型和疲劳寿命预测模型,并对损伤模型进行了分析。研究结果表明:构建的损伤模型满足热力学准则和物理条件;沥青混合料疲劳失效是由疲劳-蠕变损伤效应共同影响所致;利用提出的疲劳模型可以更好地预测不同温度和应力条件下的沥青混合料疲劳寿命。     

沥青路面轴载换算新方法

现规范沥青路面轴载换算是基于疲劳损伤等效建立的,采用的是线性疲劳损伤理论,这种换算方法无法考虑既有损伤对后续加载过程的影响,低估了荷载的作用,造成换算的不科学性,为了解决这个问题,论文通过沥青混合料疲劳试验,建立了沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程,据此,建立了基于非线性损伤理论的沥青路面轴载换算新方法。     

动荷载作用下钢结构涂装的累积损伤机理与量化模型

为研究动荷载作用下公路钢桥涂装层与基体间的协同变形和破坏机制,开发了钢结构涂装层试件的动荷载试验系统,研究了疲劳荷载作用下涂层的破坏模式、附着力、弹性厚度、应变等随循环加载次数的发展规律。结合涂层破坏模式和发展规律,构建了涂层疲劳累积损伤度的计算模型,提出了基于损伤度的涂层破坏分级方法,并结合试验结果进行了验证。结果表明:疲劳荷载将引起涂层的附着力下降、弹性厚度降低和应变松弛,进而导致涂层出现附着破坏、内聚破坏及其组合。涂层附着损伤度是涂层损伤的主要因素,且随加载次数持续增大,当加载次数较大时内聚损伤贡献突出。试验涂装体系在22万次应力循环后附着损伤度最大为0.34,内聚损伤度最大为0.27,总损伤度达0.61,属于严重损伤。提出的损伤度模型及破坏分级方法与试验规律吻合良好,可应用于公路钢桥涂装层受动荷载作用下的寿命预测。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。     

我国公路桥梁疲劳车辆模型研究

基于府店路荷载调查资料,探讨了我国疲劳车辆模型的建立方法。将疲劳车辆加载于常用跨径简支梁桥上,分析比较了各疲劳车辆的疲劳损伤。通过定义疲劳损伤率,评估了各疲劳车辆的等效精度。在我国疲劳设计车辆尚未建立的情况下,建立疲劳车辆的方法对我国公路桥梁的疲劳设计具有一定的指导意义。     

致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构方法

大多数在役钢桥的致损荷载信息缺失,根据不完备监测检测信息重构结构的疲劳损伤状态,是确保结构服役安全的基本前提。基于部分疲劳开裂信息反向重建等效致损荷载信息,提出了致损荷载信息缺失条件下的在役钢桥疲劳损伤状态重构方法。首先通过线性损伤累积理论和等效结构应力评估方法计算不同荷载工况下的疲劳敏感构造细节疲劳损伤累积;以钢桥服役期间疲劳损伤监测检测获得的疲劳裂纹检测结果为约束条件,将荷载工况的线性组合作为等效荷载历程,实现了在役钢桥结构的疲劳损伤状态重构;通过模型试验对所提出的疲劳损伤状态重构方法进行了验证。研究结果表明:基于疲劳裂纹损伤信息,在致损荷载信息缺失条件下重构得到的疲劳敏感构造细节损伤状态重构结果与试验结果吻合,证明了致损荷载信息缺失条件下实现疲劳损伤状态重构的可行性和所提出方法的有效性,为在役钢桥的实际疲劳损伤状态评估提供了新思路和新方法。     

混凝上倒T形盖梁疲劳过程模拟

引入一类双标量弹性疲劳损伤本构模型,对桥梁工程中常见的倒T形盖梁进行疲劳全过程分析。该模型采用受拉损伤内变量和受压损伤内变量来描述微观受拉和受压损伤机制对混凝土宏观力学性能劣化的影响,并根据有效应力空间的热力学原理确立了疲劳损伤的演化法则。通过将疲劳损伤本构模型与非线性有限元分析方法相结合,可以精细预测混凝土倒T形盖梁在疲劳荷载作用下的非线性行为,尤其是疲劳加载过程中裂缝的产生和扩展过程,为实际工程的疲劳分析和设计提供了依据。