多级疲劳载荷作用下的应力-强度干涉模型

为了评估多级疲劳载荷作用下的结构可靠性,假设结构初始强度为服从任意分布的随机变量,根据等损伤比剩余强度模型推导出多级疲劳载荷作用下的剩余强度表达式。利用通用生成函数法对剩余强度和疲劳载荷构成函数的概率特征进行计算,从而建立多级疲劳载荷作用下的应力-强度干涉模型。并利用45#钢疲劳试验数据对该模型的有效性进行验证。结果表明,该模型能够有效地评估多级疲劳载荷作用下的结构可靠度。     

多级等幅疲劳加载下RPC的损伤累积及剩余寿命预测

为了进行活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)结构的疲劳寿命分析,对轴向循环压缩荷载作用下RPC的损伤累积行为进行了试验,利用残余塑性应变定义了RPC的疲劳损伤,给出了损伤演化方程.基于等效损伤准则,导出了反映RPC非线性损伤累积的力学模型,利用模型进行了RPC的剩余疲劳寿命预测.结果表明,理论损伤累积模型能较好地预测RPC的剩余疲劳寿命.     

Fatigue behavior and cumulative damage rule of concrete under cyclic compression with constant confined stress

Fatigue is one of the main destructing forms ofsuch civil engineering structures as concrete bridges,concrete pavements, concrete crane beams, concretesleepers, concrete offshore platforms, etc. These struc-tures may be subjected to uniaxial and biaxial compres-sion fatigue loading caused by vehicles, crane vibra-tions, wind, and/or waves. Many studies have beencarried out to characterize the fatigue behavior of con-crete under uniaxial stress states[1 ~3]. Literature on thebehavior of concret…     

基于疲劳累积损伤的输电塔结构剩余寿命估算

建立了风力作用下输电塔结构剩余寿命的估算方法。由于输电线塔体系存在高度的非线性,因此本方法基于疲劳累积损伤的基础理论,通过分析模拟风荷载作用下的三塔两线有限元模型,获取结构构件实时累积损伤,然后依据实时累积损伤对输电塔结构服役期间每年度对应的剩余寿命进行估算。仿真分析表明,该方法可有效解决输电线塔结构的剩余寿命估算问题。     

混凝土抗压疲劳剩余强度损伤模型

目的建立混凝土抗压疲劳剩余强度随疲劳次数衰减的模型,揭示混凝土疲劳剩余强度衰减规律．方法基于连续体损伤力学理论,采用应变能量释放率空间的边界面模型,通过极限断裂面的不断移动来模拟疲劳过程中损伤阂值的变化情况．结果建立了累积损伤与相应循环损伤能量释放率之间的函数关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,在高周疲劳过程里损伤模量表达式中D是变量,且与剩余强度有关．利用模型编制计算机程序,绘出了不同最大应力水平下混凝土疲劳剩余抗压强度的衰减曲线．结论变量D反映出混凝土疲劳剩余衰减的特性,模型的计算结果能较好反映试验结果的变化规律．     

Fatigue properties of RPC under cyclic loads of single-stage and multi-level amplitude

Fatigue properties of Reactive Powder Concrete (RPC) under axial compression of single-stage and multi-level amplitude in cycles were studied. The tests reveal the fatigue life, the strain and residual life of the RPC samples. Through the analysis of the test results under cyclic loads of single amplitude, the S-N curve of RPC and the evolution rule of macro-damage of RPC were presented, which can be divided into latency stage, stable development stage and instability development stage according to the evolution pattern of the fatigue crack. Accordingly, the development of longitudinal deformation presents the similar three-stage-model, and the proportion of each stage is 15%, 75%, and 10%. According to test results, the fatigue strength reduction factor is 0.564. We brought forward an empirical formula to predict the life of RPC via total longitudinal strain and got the evolving rule for the residual strength of the RPC. The analysis of the test results under cyclic loads of multi-level amplitude shows that the strain under this loading pattern experiences three stages. The characteristic value for the residual strain was obtained. The irreversible damage and non-linear evolution of RPC was described by the development of the residual plastic strain.     

定侧压混凝土双轴变幅拉-压疲劳累积损伤研究

为了调查混凝土在双轴拉-压交变荷载作用下的疲劳性能和累积损伤规律,利用改造的MTS疲劳试验机对变截面棱柱体混凝土试件进行了定侧压下轴心拉-压单级等幅和多级高-低、低-高变幅疲劳试验．总结了实测等幅与变幅疲劳应变与变形模量的衰减规律,基于疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了两阶段的损伤演化方程,依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳累积损伤模型,并给出了利用本文模型进行疲劳损伤分析和剩余寿命预测的方法．模型预测的剩余寿命与实际试验结果的对比验证了模型的精度与有效性．     

基于累积损伤的结构系统时变刚度可靠性分析

基于累计损伤的结构系统时变刚度可靠性分析,对设计寿命期内结构系统刚度可靠性指标的影响非常重要.根据疲劳载荷造成的累积损伤对材料极限应力的影响,结合材料强度与弹性模量之间的关系,给出了结构构件在基于累积损伤下剩余弹性模量的表达式,并导出了在外载作用下刚度失效时安全余量的具体表达式.采用改进的一次二阶矩方法求解可靠性指标,用改进的分枝限界法寻找主要失效模式,然后用PNET法计算结构系统可靠性.数值算例表明,结构系统在设计寿命内虽然满足了系统疲劳可靠性的要求,但随着使用寿命的增加,结构系统刚度可靠性下降,当疲劳载荷循环次数大于一定值时,结构系统结构刚度可靠性不能满足设计要求.因此,该方法为设计人员综合考虑结构系统可靠性提供理论依据.     

温湿度变化环境下木构件长期强度衰减模型

为了研究长期温湿度变化环境对木构件持续荷载效应的影响,将温湿度的长期变化视为木构件的外部荷载,在已有强度损伤累积模型基础上,采用miner线性损伤累积理论,通过数值分析方法建立了同时考虑日温湿度变化和年温湿度变化的长期荷载作用下木构件的强度损伤累积模型,并积分得到了材料强度衰减模型.结果表明:以年为时间单位的长期强度损伤累积模型保留了Gerhards模型的指数形式,大大提高了计算效率;材料强度衰减模型反映长期荷载作用下木构件强度的时变规律,便于采用抗力理论对历史建筑木结构进行剩余寿命预测;应用本文建立的模型对某历史建筑木桁架进行的剩余寿命预测验证了该模型的可行性和合理性.     

金属结构的疲劳损伤有限元分析研究

金属材料的疲劳损伤是工程界早已发现的问题，金属结构的疲劳破损问题正日益突出，为了较好地预测金属结构和构件的剩余疲劳强度与疲劳寿命，必须建立疲劳损伤有限元分析模型，来完整描绘其应力场、应变场以及损伤场的变化全过程．针对金属材料的特点，从损伤力学的基本原理出发，通过切实可行的疲劳损伤演化规律实现损伤理论与有限元软件的结合，建立适用于金属结构的疲劳损伤有限元分析模型，最后通过疲劳试验结果与理论计算比较，对模型进行了分析与评价。     

剩余强度衰减的混凝土结构疲劳可靠性分析

混凝土结构疲劳破坏是实际工程中主要存在的一个问题,它的疲劳破坏机理比静力承载能力的破坏机理复杂,而且影响因素较多,大量实验数据显示,混凝土结构的疲劳强度是随机的,需运用概率理论和可靠度理论相结合对其进行分析。本文基于随机有限元法,利用ANSYS有限元分析软件,以混凝土重力坝在低周地震荷载工况为例建立三维有限元模型,进行随机疲劳可靠度分析,计算结果表明:采用剩余强度衰减模型进行疲劳可靠性分析在工程结构抗疲劳设计中具有适用性。     

高速铁路隧道基底软岩动力累积损伤特性

利用相似材料模拟高速铁路隧道基底软岩,采用荷载控制和非对称正弦波循环加载方式对软岩试件进行动三轴疲劳与损伤检测综合试验。通过试验结果分析,建立了软岩3参数多项式疲劳寿命计算模型和4参数多项式累积损伤参量计算模型,获得了软岩疲劳损伤特性,即：软岩疲劳破坏表现为端部拉-剪复合破坏和中部压-剪复合破坏两种模式;疲劳破坏全过程表现为初始微孔隙压密、裂纹发生与稳定扩展以及损伤裂纹加速发展3个发展阶段;软岩疲劳寿命主要取决于本身强度和动应力水平,强度愈高、动力应力水平愈低,其疲劳寿命就越长;当动应力水平相同时,软岩疲劳寿命与其弹性模量呈线性增长关系。     

服役期间混凝土的损伤累积对结构可靠度的影响分析

在对Miner准则进行修正的基础上,建立起损伤动态干涉模型,并应用蒙特卡罗法求解动态可靠度,以此作为股役期间混凝土结构疲劳损伤的评定标准。     

钢砼组合结构PBH剪力键的疲劳性能

为了研究钢箱-砼组合结构中PBH剪力键在反复荷载作用下的疲劳性能,设计制作了PBH剪力键试验模型,进行了24万次疲劳推出试验。在疲劳破坏形态和试验滑移及应变数据分析的基础上,利用数值工具开展肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数的PBH剪力键疲劳寿命影响因素分析。研究表明：PBH剪力键的疲劳破坏形态与静载破坏相似,表观表现为混凝土面多处斜向劈裂裂缝、内部榫孔混凝土压碎、穿入钢筋局部屈服;疲劳破坏演化过程分为疲劳损伤开始、发展、破坏3个阶段,其中疲劳发展阶段占整个疲劳阶段的91.7%,结构刚度在疲劳损伤开始和发展阶段退化较慢,在疲劳破坏阶段退化较快;肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数对PBH剪力键疲劳寿命影响均有明显影响,其中穿入钢筋直径对疲劳寿命的影响尤为突出。     

周期性疲劳载荷作用下的应力-强度干涉模型

为了评估周期性疲劳载荷作用下的结构可靠度,设结构初始强度为服从任意分布的随机变量,推导出周期性疲劳载荷作用下的结构剩余强度表达式。利用通用生成函数法对结构剩余强度和疲劳载荷构成函数的概率特征进行计算,从而建立了周期性疲劳载荷作用下的应力-强度干涉模型。利用45#钢疲劳试验数据对提出模型的有效性进行验证和分析。结果表明,该模型能够有效地评估周期性疲劳载荷作用下的结构可靠度。     

Experimental and theoretical research on residual strength of plain concrete under compressive fatigue loading

To investigate the residual strength of concrete under fatigue loading, experiments were conducted to determine the functional relation between residual strength and the number of cycles. 80 100mm × 100mm × 100mm specimens of plain concrete were tested under uniaxial compressive fatigue loading. Based on probabili- ty distribution of the residual strength of concrete under fatigue loading, the empirical expressions of the residual strength corresponding to the number of cycles were obtained. There is a good correlation between residual strength and residual secant elastic modulus. Thus the relationship between residual secant elastic modulus and the number of cycles is established. A damage variable based on the longitudinal maximum strain is defined, and a good linearity relationship between residual strength and damage is found out.     

基于基因表达式编程的NSM FRP-混凝土粘结强度预测模型

纤维增强复合材料（fiber-reinforced polymer,FRP）已被广泛应用于混凝土加固工程中。FRP与混凝土界面间的粘结性能是影响加固效果的重要因素之一,为准确预测FRP嵌入式加固（near-surface-mounted,NSM）NSM FRP-混凝土的粘结强度,运用基因表达式编程（gene expression programming,GEP）方法,选取混凝土抗压强度、粘结长度、槽深宽比、FRP轴向刚度、FRP抗拉强度及环氧树脂抗拉强度等6个参数作为粘结强度的影响因素,建立了NSM FRP与混凝土粘结强度的预测模型,提出了具体的计算公式。通过比较粘结强度预测值与实验值,发现二者较为接近,说明该模型具有一定的可靠性。对该模型进行敏感性分析,发现其可以反映粘结强度与单因素之间的内在关系,即粘结强度随着粘结长度、混凝土抗压强度、槽深宽比及FRP轴向刚度等因素的增大而增大。将该GEP模型与经验模型及小波神经网络模型进行比较,并选取6个统计指标对模型进行评价。结果表明,GEP模型与小波神经网络模型的精度较高,各项误差指标均较小,决定系数分别为0.793和0.787。总体而言,GEP模型的精度略优于小波神经网络模型,二者的精度均远高于经验模型。     

基于有限元法的搅拌捏合机搅拌轴疲劳分析

以有限元法为基础,在建立搅拌轴有限元力学模型的基础上,先借助有限元软件ANSYS静力分析找出搅拌轴上的危险点,再通过ANSYS-Fatigue模块对这些点进行疲劳寿命分析。通过对危险点螺棱与轴的过渡部分进行疲劳寿命分析,得到疲劳累积系数0.6,表明该搅拌轴在使用年限内满足疲劳强度要求。     

水稳碎石材料细观修复行为及最佳修复时机

为了探究水稳碎石(CSM)材料的细观修复行为及最佳修复时机,基于损伤-愈合模型对其修复效果影响因素进行了分析。首先,基于离散元法(DEM)建立CSM的二维半圆弯曲(SCB)数值试件,引入损伤因子模拟材料的局部损伤与愈合效应,进而构建细观尺度的损伤-愈合数值模型。其次,通过虚拟SCB疲劳试验实现不同程度的荷载损伤,基于愈合变量来表征损伤修复过程,模拟局部损伤愈合行为。然后,基于损伤-愈合模型开展不同损伤状态下的修复效果评估,分析初始损伤状态、愈合程度对修复效果的影响规律,并进一步研究了CSM材料的最佳修复时机。结果表明：所提出的损伤-愈合模型能够再现CSM材料在细观尺度上的损伤与愈合行为,初始损伤状态和愈合程度对修复效果的影响具有非线性,在70%～85%的疲劳寿命阶段,局部损伤修复对结构强度的提升作用较为显著。基于对损伤修复效果的数值分析,推荐将70%～85%的疲劳寿命作为CSM材料的最佳修复时机,此外,选择强度优良、数量充足的愈合剂可以最大程度地提升局部损伤修复效果。     

基于模型试验的FRP加固钢筋砼梁抗弯疲劳性能预测

为了解决循环荷载作用下纤维增强复合塑料（FRP）加固钢筋砼桥梁构件疲劳性能问题,根据FRP抗弯加固钢筋混凝土梁的疲劳试验资料,建立FRP加固梁式构件疲劳寿命预测模型、钢筋峰值应变累积并模型和构件挠度累积模型,并与既有相关模型的预测精度进行比较.研究结果表明：以钢筋峰值应变和挠度作为基于变形的疲劳性能指标,不仅可以与传统的基于应力的指标相似的精度预测FRP加固构件承受的循环荷载次数,还可与结构监测系统信息结合,实现疲劳失效预警.