結(jié)構(gòu)損傷時空多尺度模擬及其在橋梁疲勞分析中的應(yīng)用.pdf

1、在大跨橋梁結(jié)構(gòu)中,局部細(xì)節(jié)缺陷與整體結(jié)構(gòu)尺度的顯著差異,使得傳統(tǒng)單一尺度上的疲勞損傷分析,難以準(zhǔn)確描述局部細(xì)節(jié)下疲勞損傷跨尺度演化規(guī)律與橋梁結(jié)構(gòu)整體劣化之間的聯(lián)系。應(yīng)對此類工程結(jié)構(gòu)安全性分析的需要,本文致力于在多尺度框架下尋求解決大型土木工程尤其是橋梁結(jié)構(gòu)中的多尺度疲勞損傷分析問題。
　　 論文研究主要從如下兩個方面進(jìn)行:發(fā)展結(jié)構(gòu)損傷時空多尺度分析的一般性數(shù)值模擬方法,和結(jié)構(gòu)疲勞累積過程這一類的損傷時空多尺度模擬問題的解析方法。

2、圍繞這兩人目標(biāo),建立了結(jié)構(gòu)損傷時空多尺度數(shù)值模擬算法,將該算法應(yīng)用到含局部細(xì)節(jié)缺陷構(gòu)件的動力分析中去;研究了雙尺度裂紋模型中的尺度轉(zhuǎn)換效應(yīng):結(jié)合最小變量原理,通過對橋梁結(jié)構(gòu)疲勞累積過程計算的差異分析,比較了傳統(tǒng)疲勞裂紋擴(kuò)展公式;并將理論研究結(jié)果應(yīng)用到潤揚(yáng)橋纜索中鋼絲的疲勞裂紋跨尺度擴(kuò)展過程的分析。
　　 本文主要研究工作和成果如下:
　　 基于時空多尺度上的物理一致性,建立了結(jié)構(gòu)損傷時空多尺度邊值問題的基本方程,提出了結(jié)

3、構(gòu)時空多尺度數(shù)值模擬的算法流程。并以一簡單構(gòu)件損傷數(shù)值分析為例,驗證了算法的合理性及可行性。研究發(fā)現(xiàn),在局部缺陷部位存在復(fù)雜的變形狀態(tài),整體構(gòu)件上所施加的載荷對于局部細(xì)小缺陷周圍的應(yīng)力變形有顯著的不利影響,當(dāng)整體上仍處于線彈性變形階段,缺陷區(qū)域的響應(yīng)與損傷演化呈現(xiàn)非線性特征。
　　 研究了基于應(yīng)變能密度理論的雙尺度裂紋模型中的尺度轉(zhuǎn)變效應(yīng)。計算結(jié)果顯示,雙尺度裂紋模型對于相關(guān)尺度參數(shù)具有高度敏感性;該模型可在一定程度上描述裂紋從

4、微觀到宏觀尺度的過渡階段以及尺度轉(zhuǎn)變效應(yīng)。在所定義的三個尺度參數(shù)中,材料剛度比與特征長度比的增加會促進(jìn)疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,而內(nèi)在約束力與外載荷關(guān)系比的增加則會減緩疲勞裂紋的擴(kuò)展。
　　 基于最小變量原理,研究了疲勞裂紋跨尺度擴(kuò)展歷程中的安全可靠性區(qū)間問題。通過對鋁2024-T3材料試件預(yù)制裂紋的疲勞加速試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析,研究了疲勞裂紋長度以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率在不同積分區(qū)間上的安全可靠性。相關(guān)計算結(jié)果表明,由最小變量原理而得

5、到的疲勞裂紋安全可靠性區(qū)間與實際工程經(jīng)驗評估所得到的疲勞裂紋安全穩(wěn)定區(qū)間基本吻合。
　　 以最小變量原理為中介,通過對橋梁結(jié)構(gòu)中疲勞累積過程計算的差異分析,比較了分別基于應(yīng)力強(qiáng)度因子理論與應(yīng)變能密度理論的傳統(tǒng)疲勞裂紋擴(kuò)展公式。通過研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的疲勞裂紋擴(kuò)展經(jīng)驗公式有著不可避免的內(nèi)在缺陷。體現(xiàn)在傳統(tǒng)的疲勞經(jīng)驗參數(shù)C與n,B與m都受指定材料及應(yīng)力狀態(tài)的影響。盡管如此,相比較于僅僅將應(yīng)力幅值包含在內(nèi)的基于應(yīng)力強(qiáng)度因子理論的疲勞公式,

6、綜合考慮應(yīng)力幅值,平均應(yīng)力以及應(yīng)變等因素的基于應(yīng)變能密度理論的疲勞裂紋擴(kuò)展公式,相對更加安全可靠。
　　 研究了潤揚(yáng)大橋斜拉橋纜索中鋼絲的疲勞裂紋跨尺度擴(kuò)展進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)針對不同部位纜索所受作用力的差異,對纜索進(jìn)行定期維護(hù)和更換;纜索的拉緊與松弛在不同工況下對于纜索中鋼絲的疲勞裂紋擴(kuò)展歷程有著顯著的影響:在交通載荷作用下,拉緊纜索則增大鋼絲中裂紋的擴(kuò)展速率,松弛纜索則會減緩鋼絲中裂紋的擴(kuò)展速率;當(dāng)無交通載荷作用時,情況則相反