水工混凝土受压疲劳性能及累积损伤研究

水工混凝土论文 疲劳累积损伤论文 低周疲劳论文 S-N曲线论文 P-S-N曲线论文 γ-S-N曲线论
论文详情
受高应力循环荷载作用的水工建筑物,例如遭受高烈度地震的混凝土坝、大功率泄洪的泄洪建筑物、受迫于机组振动的混凝土机墩、受高速水流冲击的水垫塘等,其混凝土结构内部应力场会发生剧烈变化,极易引发疲劳损伤或破坏。水工混凝土是重要建筑物,一旦失事后果不堪设想。因此,研究水工混凝土疲劳特性,确保水工建筑物长周期安全稳定运行,是一个非常具有工程意义的课题。尤其是汶川地震后,也激起了众多学者对经受地震后的水工建筑物进行震损分析的浓厚兴趣。由于使用工况、使用环境以及配合比等的不同,水工混凝土的力学特性和疲劳性能,与普通混凝土相比有着自身独特的特点。国内外,有关水工混凝土疲劳损伤的研究报道很少。为此,本文在国家自然科学基金(编号:51009074)的资助下,针对水工混凝土开展了受压疲劳性能及累积损伤研究。本文的主要试验与理论研究工作包括以下几方面:(1)对120个水工混凝土试件开展了抗压试验、疲劳试验及低周疲劳试验。通过对试验数据的定性分析发现,水工混凝土抗压应力应变曲线较为平缓,韧性较好,有利于抗疲劳损伤;疲劳破坏与抗压破坏的损伤机理基本相同,只是在产生裂纹的数量、分布、走向等有所差异;在给定应力水平下的疲劳寿命非常离散,需借助可靠性原理进行分析处理;疲劳最大应变、疲劳变形模量、疲劳残余应变在疲劳过程中均呈三阶段发展规律。(2)应用概率统计方法对疲劳寿命数据进行分析处理发现,水工混凝土疲劳寿命既接受对数正态分布,也接受三参数Weibull分布,但无论是P-N图的拟合程度和柯尔莫哥洛夫检验的效果来看,均以三参数Weibull分布为佳,且随着应力水平降低,水工混凝土疲劳寿命离散性随之加大。(3)通过对疲劳寿命进行可靠性分析,得到了水工混凝土的S-N曲线和P-S-N曲线方程,及其相对应的疲劳极限强度;三参数Weibull分布和对数正态分布下的S-N曲线相差不大,而在高可靠度上却差别明显,对数正态分布相对保守,从材料自身特性和损伤机理分析,宜选用三参数Weibull分布下的S-N曲线和P-S-N曲线;通过对不同混凝土的疲劳特性进行归纳分析得出,水工混凝土的疲劳性能优于普通混凝土。(4)利用求解三参数Weibull分布置信限的方法,得到了水工混凝土疲劳寿命在不同应力水平下的三参数Weibull分布的置信限,进一步得到水工混凝土的γ-S-N曲线和γ-P-S-N曲线及其高置信度、高可靠度的疲劳极限强度和安全寿命,对水工结构疲劳可靠性设计有参考价值。(5)基于原始Miner准则,建立起疲劳累积损伤极限状态方程,并用蒙特卡罗法求解动态可靠度。通过算例发现,求解得到的动态可靠度,能合理评价水工建筑物疲劳累积损伤程度。(6)在三个假设的基础上,定义了描述混凝土在疲劳荷载作用下损伤与应变概率关系的P-D-ε曲线,证明了该曲线的一个重要性质,即其上任意一点疲劳应变的失效概率与相应损伤量的可靠度相等:通过对疲劳应变实测数据的分析处理,给定损伤量下的疲劳应变较好的服从三参数Weibull分布,得到了水工混凝土的P-D-ε曲线,可求得不同可靠度下的损伤阈值应变、极限应变以及给定疲劳应变的损伤量,可为疲劳损伤的定量评定提供理论基础。(7)基于抗压强度分布,通过原始S-N曲线方程,推导出一种新的疲劳寿命概率分布模型,并给出了求解该分布参数的方法;采用本文提出的新概率分布模型进行统计分析得出,低周疲劳寿命数据服从新的概率分布模型,并进一步得到水工混凝土低周疲劳S-N曲线方程。该方法充分利用了抗压强度的有关数据信息,所用试件少,精度较高,有一定的推广价值。(8)通过对疲劳过程中强度衰减变化的分析,提出了一个低周疲劳强度衰减模型和寿命预测方法,与实测的疲劳应变发展过程及Miner准则对比分析得出,本文提出的模型及方法适用于混凝土低周疲劳,能较好地反映出混凝土的低周疲劳损伤机理。(9)应用损伤力学理论,对疲劳变形模量试验数据进行分析处理,得到了低周疲劳变形模量发展规律公式,以及基于变形模量的累积损伤计算公式及其损伤破坏判据;综合以上研究成果,提出了一个水工结构受压低周疲劳累积损伤计算方法和流程,并对FLAC-3D软件进行二次开发,编制了基于有限元的水工结构低周疲劳累积损伤计算程序。通过算例表明,计算方法、流程及程序能够合理反映水工结构低周疲劳累积损伤过程和破坏形态。(10)应用未达到抗压强度前的应力应变曲线,提出了一个推求混凝土抗压强度和峰值应变的方法。经过试验验证,该方法适用于高应力循环荷载作用下的低周疲劳,并具有足够的精度,可进一步得到混凝土低周疲劳荷载下的真实应力水平,并在此基础上,得到了疲劳残余应变的发展规律公式,以及基于残余应变的疲劳失稳判据。通过对疲劳寿命的估算比较,残余应变发展规律公式及判据是较为合理的。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
第一章 绪论第12-35页
    1.1 引言第12-13页
    1.2 混凝土疲劳性能试验研究现状第13-22页
        1.2.1 受压疲劳试验第13-19页
        1.2.2 受拉疲劳试验第19-21页
        1.2.3 拉-压疲劳试验第21-22页
    1.3 概率理论和可靠度理论在混凝土疲劳问题中的应用研究现状第22-24页
    1.4 混凝土疲劳问题理论研究现状第24-31页
        1.4.1 混凝土疲劳损伤机理研究第24-25页
        1.4.2 混凝土疲劳损伤变量研究第25-28页
        1.4.3 混凝土疲劳累积损伤理论研究第28-29页
        1.4.4 基于连续介质损伤力学的疲劳损伤研究第29-30页
        1.4.5 基于断裂力学的疲劳损伤研究第30-31页
        1.4.6 混凝土疲劳本构模型研究第31页
    1.5 本文的研究内容第31-35页
第二章 水工混凝土疲劳试验第35-51页
    2.1 引言第35页
    2.2 试验概况第35-37页
        2.2.1 材料选配第35-36页
        2.2.2 试件制备第36页
        2.2.3 试验设备第36-37页
        2.2.4 试验方法第37页
    2.3 疲劳试验结果第37-46页
        2.3.1 抗压试验结果第37-38页
        2.3.2 疲劳寿命试验结果第38-40页
        2.3.3 疲劳试件破坏形态第40页
        2.3.4 疲劳最大应变试验结果第40-46页
    2.4 低周疲劳试验结果第46-50页
        2.4.1 抗压试验结果第46-47页
        2.4.2 低周疲劳寿命试验结果第47页
        2.4.3 低周疲劳变形模量试验结果第47-48页
        2.4.4 低周疲劳残余应变试验结果第48-50页
    2.5 本章小结第50-51页
第三章 基于可靠性的水工混凝土疲劳寿命分析第51-81页
    3.1 引言第51页
    3.2 疲劳寿命的概率模型第51-56页
        3.2.1 对数正态分布模型第52-53页
        3.2.2 Weibull分布模型第53-56页
    3.3 水工混凝土疲劳寿命的概率模型第56-61页
        3.3.1 水工混凝土疲劳寿命P-N图及其分布参数第56-60页
        3.3.2 分布检验第60-61页
    3.4 水工混凝土的S-N曲线和P-S-N曲线第61-65页
    3.5 三参数Weibull分布的置信限第65-67页
        3.5.1 秩分布第65-66页
        3.5.2 三参数Weibull分布的置信限第66-67页
    3.6 水工混凝土疲劳寿命三参数Weibull分布的置信限第67-71页
    3.7 水工混凝土的γ-S-N和γ-P-S-N曲线第71-73页
    3.8 基于可靠性的疲劳累积损伤分析第73-76页
        3.8.1 疲劳累积损伤极限方程的建立第73-74页
        3.8.2 疲劳累积损伤的动态可靠度第74页
        3.8.3 动态可靠度的计算第74-76页
    3.9 算例第76-79页
        3.9.1 算例1第76-78页
        3.9.2 算例2第78-79页
    3.10 本章小结第79-81页
第四章 基于最大应变的水工混凝土疲劳累积损伤分析第81-91页
    4.1 引言第81页
    4.2 混凝土的P-D-ε曲线第81-85页
        4.2.1 基本假设第81-82页
        4.2.2 混凝土的D-ε曲线第82-83页
        4.2.3 混凝土的P-D-ε曲线及其性质第83-85页
    4.3 水工混凝土的P-D-ε曲线第85-89页
        4.3.1 水工混凝土疲劳应变的概率分布第85-88页
        4.3.2 水工混凝的P-D-ε曲线第88-89页
    4.4 算例第89-90页
    4.5 本章小结第90-91页
第五章 水工混凝土低周疲劳的寿命及强度研究第91-101页
    5.1 引言第91页
    5.2 基于抗压强度分布的疲劳寿命概率模型研究第91-93页
    5.3 混凝土低周疲劳强度衰减模型和寿命预测方法第93-94页
    5.4 水工混凝土低周疲劳S-N曲线第94-96页
    5.5 水工混凝土低周疲劳强度衰减方程第96-99页
        5.5.1 讨论一第96-98页
        5.5.2 讨论二第98-99页
    5.6 算例第99-100页
    5.7 本章小结第100-101页
第六章 基于变形模量的水工混凝土低周疲劳累积损伤研究第101-118页
    6.1 引言第101页
    6.2 损伤变量和应变等效假设第101-102页
    6.3 低周疲劳变形模量及累积损伤发展规律分析第102-105页
    6.4 水工结构受压低周疲劳累积损伤计算方法第105-107页
    6.5 算例第107-117页
        6.5.1 工程简介第107-108页
        6.5.2 有关计算条件第108-109页
        6.5.3 建模第109页
        6.5.4 计算结果第109-117页
    6.6 本章小结第117-118页
第七章 基于抗压强度推测的水工混凝土低周疲劳残余应变研究第118-126页
    7.1 引言第118页
    7.2 基于应力应变曲线的混凝土抗压强度推算法第118-121页
        7.2.1 推求思路第118-119页
        7.2.2 推求方法第119-120页
        7.2.3 方法验证第120-121页
    7.3 低周疲劳残余应变分析第121-125页
    7.4 本章小结第125-126页
第八章 结论与展望第126-128页
    8.1 结论第126-127页
    8.2 展望第127-128页
致谢第128-129页
参考文献第129-142页
附录A (攻读博士学位其间发表论文目录)第142-143页
附录B (FLAC-3D软件计算受压低周疲劳累积损伤的命令流程序)第143-146页
附录C (疲劳试验和低周疲劳试验部分原始试验数据)第146-152页
    附录C-1 (疲劳最大应变试验数据)第146-150页
    附录C-2 (低周疲劳变形模量试验数据)第150-152页
    附录C-3 (低周疲劳残余应变试验数据)第152页
论文购买
论文编号ABS538239,这篇论文共152页
会员购买按0.30元/页下载,共需支付45.6
不是会员,注册会员
会员更优惠充值送钱
直接购买按0.5元/页下载,共需要支付76
只需这篇论文,无需注册!
直接网上支付,方便快捷!
相关论文

点击收藏 | 在线购卡 | 站内搜索 | 网站地图
版权所有 艾博士论文 Copyright(C) All Rights Reserved
版权申明:本文摘要目录由会员***投稿,艾博士论文编辑,如作者需要删除论文目录请通过QQ告知我们,承诺24小时内删除。
联系方式: QQ:277865656