冲击载荷下疲劳损伤力学及锻锤基础的疲劳损伤分析

疲劳失效是发生在工程领域中的一类十分普遍的物理现象，用连续损伤力学理论研究岩土工程结构的冲击疲劳损伤过程不论对损伤力学研究发展还是岩土工程理论进步都有重要创新意义。由于土具有结构性，所以国内外有很多学者在土的本构模型中都引入了“损伤”的概念。但是，在循环载荷作用下，将土的破坏视为疲劳损伤破坏的文章尚不多见。 本文根据锻锤基础及其地基土所承受的重复冲击载荷的特性，将连续损伤力学理论应用于锻锤基础系统的疲劳损伤研究，对连续损伤力学理论提出了“冲击疲劳损伤的观念”，给出了“单次冲击载荷造成的微损伤累积与多次循环重复的冲击载荷作用导致的宏观损伤演变相耦合并用临界疲劳损伤条件确定冲击疲劳失效寿命的冲击疲劳损伤理论研究模式”。并以此对锻锤基础系统进行了冲击疲劳损伤分析。主要成果内容如下： 1、在热力学框架下，应用连续介质力学损伤理论，将损伤应变能释放率与赵锡宏教授建议的损伤能量指标ι相结合，构造出了基于修正剑桥模型的弹塑性损伤总耗散势，同时也推导了在应变空间和应力空间的弹塑性损伤本构方程及损伤演变方程。 2、本文在前人实验数据基础上将M．van Eekelen对循环载荷作用下定义的土介质的状态记忆参数，发展定义为“疲劳参数”κ，提出了“疲劳损伤劣化”的概念，推导了不同型式的疲劳损伤演变方程及疲劳损伤的寿命方程。定义了能直接代表土抗疲劳性能的“土介质抗疲劳特性参数κ”，对比分析了几种典型土的疲劳损伤的劣化特性和疲劳劣化本构理论模型。分析、讨论了疲劳参数等多种因素对土疲劳劣化的机理和对土疲劳损伤寿命的影响。指出了土体的剪切循环疲劳损伤寿命随介质的抗疲劳特性参数呈指数增长模式。且对冻土在循环载荷下的疲劳损伤特性作了初步的模型分析与研究。 3、将冲击疲劳损伤理论研究模式应用于锻锤基础的双自由度动力分析模型和地基土的两维动力损伤有限元模型，提出了一种研究长期重复冲击载荷引起锻锤基础系统疲劳损伤增长和冲击疲劳损伤寿命估计的方法。该方法通过定义，引入锻锤基础系统中减振器与基础块的损伤状态寿命因子，分别估计出锻锤基础系统的减振器和基础块的冲击疲劳损伤寿命上、下限。通过分析发现，长期的重复冲击载荷会引起锻锤基础系统发生疲劳微损伤累积，累积的疲劳微损伤导致宏观损伤的疲劳演变，又引起锻锤基础的动力响应随宏观损伤发展而增大，动力响应的增大又加剧基础系统的损伤发展。 4、编制了在冲击载荷作用下三维各向异性动力损伤过程的有限元数值计算模拟程序，对锻锤基础系统在长期重复冲击载荷下的冲击疲劳损伤过程分别进行了两维和三维的疲劳损伤试验数值模拟。分别得到了锻锤基础系统在不同寿命阶段(总锻打次数下)基础竖向位移振幅、地基土内最大损伤点在单次冲击载荷中的微损伤平均累积的机理和演变规律以及多次循环重复冲击载荷作用下以宏观平均累积损伤表示的冲击疲劳损伤变量D与锻打次数N的关系曲线。按基础振幅不超过允许振幅的规范设计条件得到了地基土的冲击疲劳损伤-寿命曲线，通过数值拟合，给出了一种估计2吨模锻锤基础地基土的冲击疲劳损伤变量D的表达式。