（固体力学专业论文）随机载荷下CFL增强RC梁疲劳寿命的预测方法.pdf

嫡娶 摘要 遮年寒，终终增强复合楗辩( f r p ) 麴阉镪麓湿凝结构的技术被 广泛邋应题予揆粱、房攫蒋建筑缭构物的加固王程。然页，目前关于f r p 片材增强r c 构件在随机荷载作用下的疲劳性能研究还未见报道。捧文在 本课题组的前期工作基础上，建立预测模型，利用常幅疲劳荷载下碳纤 维薄板( c a r b o nf i b e rl a m i n a t e ，c f l ) 增强钢筋混凝土鬃的力学佳能，对 随机荷载作用下c f l 增强r c 梁的疲劳寿命避行预测。研究成采将对锱 筋溜凝土桥梁鹣翱罄补强、拣震躲灾等磐有蒸黉瓣科学意义嚣广溺熬应 羹l 麓募。本文瓣其薅繇褒幽枣葶霾继暴如下： 1 ) 对线技援伤累积淮则进行骖正，分别提瞄了有关c f l 增强r c 梁随机疲劳性能的剩余寿命预测模型，以及剩余强度预测模型，并给出 了随机裁荷作用下c f l 增强r c 构件的理论s n 曲线。通过改变预测模 囊的参数，从理论上讨论了随机赫载谱中荷簸最大值对疲努寿命的影响， 以及构件的静载极限承载力对其疲芬强度和疲劳寿命瓣影响。分析绐采 表稿，隧梳蒋簸谱中蕊载静最大链与c f l 增强r c 粱熬对数疲劳海参戏 线愁关系；橡 擎静静载摄隈承载力与其疲劳疆发减线毽关系。 2 ) 为了验涯鼹提感黥随机疲劳每愈颈测模型的正确燃，本课题缎制 作了1 2 根c f l 增强r c 梁，并在m _ i - s 试验系统上实施了随机疲劳试验。 与试验结果捆比，采用剩余寿命模型的随机疲势寿命预测结果偏于保守， 面采用剩余强艘模型的随机疲劳寿命预测绪采与试验德基本嘲合。 3 ) 利用随机疲劳试验结果，本文还对上述预测模黧进行了修难。修 溅后静预测模瀣黥更准确滚鞭报淹橇载麓俸臻下c f l 增强r c 粱熬疲莠 寿念。 本论文酶磺究残莱黢有躜予减少睫聿且载蕊终黑下璇纤维薄扳增鞭镶 筋漫凝土粱的疲劳试验砑究的工作爨，又可以应用于桥梁加固 ：程中构 件剩余寿命的估算，为f r p 增强复合结构的随机疲劳淹命预测提供了薪 懑踣和新方法。 关键谰；磙纤维薄稷；醚耩载蘅；疲劳寿囊；颈溺模型 零文王豫羼予潼家囊然科学基衾坝疆1 0 2 7 2 0 4 7 ，1 9 9 7 2 0 2 0 ) 嬲f - 、东餐基然科 学基鑫颂县( 0 2 0 8 5 6 ，9 9 0 5 6 7 ) 的部分研究内容。 华南理上大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e r ( f r p ) s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e f o rr e i n f o r c e d c o n c r e t e ( r c ) s t r u c t u r e sa r ea p p l i e dw i d e l yt ob r i d g ea n db u i l d l n gr e c e n t y e a r s 。h o w e v e r ，t h e r ei sf e wr e s e a r c ho nf a t i g u eb e h a v i o ro ff r ps h e e t s t r e n g t h e nr cs t r u c t u r eu n d e rr a n d o ml o a d s b a s e do nt h ep r e v i o u s s t u d y i n gr e s u l t sb yo u rr e s e a r c hg r o u p ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam o d e lt o p r e d i c tt h ef a t i g u el i f eo ft h er cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc a r b o nf i b e r l a m i n a t e ( c f l ) u n d e rr a n d o ml o a d sb yu s i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h eb e a m su n d e rc o n s t a n ta m p l i t u d ec y c l i cl o a d s 。t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v e i m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e a n db r o a dp r o s p e c to f a p p l i c a t i o n t o e a r t h q u a k er e s i s t a n c e ，s a f e t ya n a l y s i sa n dt h es f e 螽g 疆e n i n go rr e p a i r i n g e n g i n e e r i n gf o rt h er cb r i d g e s t h em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do na m e n d i n gt h el i n e a rd a m a g ea c c u m u l a t i v er u l e ，r e s i d u a ll i f e m o d e la n dr e s i d u a ls t r e n g t h e nm o d e lr e l a t e dt ot h ef a t i g u eb e h a v i o ro fr c b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f lu n d e rr a n d o ml o a d sa r e d e v e l o p e d t h e t h e o r e t i c a ls nc u r v e so fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f lu n d e rr a n d o m l o a d sa r ea l s oo b t a i n e d b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft h epr e d i c tm o d e l ， t h ei n f l u e n c eo fm a x i m u ml o a d sw h i c hi nt h er a n d o ml o a ds e r i e so nf a t i g u e 1 i f ei sd i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y ，a n dt h ei n f l u e n c eo fu l t i m a t el o a db e a r i n g c a p a c i t yo fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f l u n d e rs t a t i cl o a do nf a t i g u e s t r e n g t ha n df a t i g u el i f ei s a l s od i s c u s s e d 。t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a x i m u ml o a di nr a n d o ml o a ds e r i e sa n d l o g a r i t h mf a t i g u el i f eo fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f li sl i n e a r ，a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu l t i m a t el o a db e a r i n gc a p a c i t yo fb e a m su n d e r s t a t i cl o a da n di t sf a t i g u el i f ei sl i n e a rt o o 2 、t od i s c u s st h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c t i n gm o d e lf o rt h ef a t i g u el i v e so f t h es t r e n g t h e n e db e a m su n d e rr a n d o ml o a d s ，1 2r cb e a m ss t r e n g t h e n e d w i t hc f la r ep r o d u c e da n dt h ef a t i g u et e s t sa r ec a r r i e do u to nt h em t s 8 1 0 t e s t i n gs y s t e m c o m p a r i n gw i t ht h et e s tr e s u l t s ，t h ep r e d i c t e dv a l u e so f f a t i g u el i v e sb a s e do l lt h er e s i d u a ll i f em o d e li ss m a l l e rt h a nt e s t i n gv a l u e s ， a n dt h ep r e d i c t e dv a l u e sb a s e do nr e s i d u a ls t r e n g t hm o d e li sa p p r o x i m a t e l y c o r r e s p o n dw i t ht e s tv a l u e s 。 3 ) t h er e s i d u a ll i f em o d e li sa m e n d e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff a t i g u e t e s tu n d e rr a n d o ml o a d s t h ef a t i g u el i v e so fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t h 2 c f lu n d e rr a n d o ml o a d sc a nb em o r e c o r r e c t l yp r e d i c t e du s i n g t h e a m e n d e dp r e d i c t i n gm o d e l t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e ra r en o to n l yu s e f u lf o rd e c r e a s i n gt h e n u m b e r so ff a t i g u et e s t so fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f l ，b u ta l s ot o c a l c u l a t et h er e s i d u a ll i v e so fs t r u c t u r e so nt h eb r i d g es t r e n g t h e n i n g e n g i n e e r i n g a n dan e wm e t h o dt op r e d i c tt h er a n d o mf a t i g u el i v e so ft h e s t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e dw i t hf r pi sd e v e l o p e d ， k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e rl a m i n a t e ( c f l ) ；r a n d o ml o a d ；f a t i g u el i f e ； p r e d i c t i n gm o d e l 3 学能论文源刨性声明示例 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人熬羹声黉：辨呈交鳃论文是本人在导郯酶指导一f 独立避 纷磷究所敏褥的研究成聚。除了文中特羽加以标注弓 用豹内容外， 本论文不包含任何其链个人或集体已经发表蠛撰写的残暴作茄。 对本文游研究徼密重要贡献静个人和集体，均蠢在文申以晴确方 式标雳。本人完全意识猢本声鞠韵法律蔚聚由本人承撵。 作者签名：彩p 序咖 匿期：矽“年g 胃辟；疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学梭有关探留、使用学位论文的潮 定，同意学校傈酹并向陋家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被奁阕和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫播等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后邋用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上期应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：触炉f 年g 月铲嚣 日期：嘶砑加 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 引言 改革丌放以来，随着国民经济的快速发展，为满足日益增加的交通量， 幽家投资兴建了大量的道路和桥梁。截至2 0 0 2 年底，根据全国第二次公 路普查报告显示，我国通车的公路里程为1 6 7 9 8 4 8 公路，桥梁2 7 8 8 0 9 座 【1 1 。然而，由于部分桥梁服役年限已经超过或接近设计使用年限，而且， 近年来交通流量中超载超重的车流量的比重不断增加，导致现有桥梁有 相当的一部分出现承载力不足，构件开裂，整体刚度降低等病害现象。 据统计，目前全国有危桥9 5 9 5 座，总长约3 2 万米【”，对于这些旧危桥， 如果全部更换，不但要求国家一次性大量的投资，而且还必须封闭交通 或修建临时桥梁，造成很大的浪费。而经验表明，加固桥梁所用的花费 般仅为新建桥梁的1 0 一2 0 ，因此，应该在对病害桥梁进行运营状况， 损伤程度，承载能力，剩余寿命等方面的评估和估计的基础上，寻找合 适的加固方法，对桥梁进行加固，以恢复其承载能力。 目前，旧危桥加固的常规方法包括：增大截面积法，粘贴钢板加固法， 体外预应力法等。但这些加固方法都具有一定的局限性，例如施工工期 过长，如增大截面积法，要求混凝土要有足够养护时间；或旋工工艺复 杂，如体外预应力法；而粘贴钢板加固法，则因为钢板较重，施工不容 易，需要考虑钢板的腐蚀，而且加固效果不尽如人意。 为了克服上述常规旧危桥加固方法的局限，近年来国内外兴起了一种 新的旧危桥加固的技术方法一一纤维复合材料加固钢筋混凝土结构技 术。该方法由于具有施工容易，不增加桥梁的恒载，不降低桥梁的净空， 大大提高桥梁的刚度，且抗腐蚀，耐久性好等众多的优点，因而得到了 迅速的应用。 1 1 2 纤维复合材料加固钢筋混凝士结构技术 纤维复合褪耩( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c 或f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 简称f r p ) 包括玻璃纤维复合材料( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c 简称 g f r p ) ，芳纶纾维复会零| 瓣( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c 蕊黎a f r p ) 和碳纤维复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c 简称c f r p ) 等，当 华南瑾工大学硕士学使论文 前碳纤维复合材料一般用用抗弯加幽，而芳纶纤维用于抗剪加固较多。 碳纤维复合榜辩热豳钢簸混凝土结穆鼓术与黉绫的热国技术鞠魄，具 有以f 特点：1 ) 高强商效。由于碳纤维具有优良的物瑷力学性能，在加 嘲钢筋混凝土构件中可以充分的发挥其高强度，高弹性模量的特点来增 强原有钢憝混凝土构件的抗弯抗剪性链。2 ) 施工简易。碳纤维复合材料 翔嚣按零不嚣要蘑妥大型租吴，占露场遮小，鸯霾莺鹅箨时可敬援据稳 孛 的尺寸具体定制碳纤维复合材料，或者在现场剪裁，无需专门的剪裁器 具。3 ) 加固完成后养护时间短，一般来说7 2 小时就能达到1 0 0 的强度 ( 校据襞蹋麴基俸耪糕黥不露嚣溱煮差筹) ，霹殴在较短懿眩阕内恢复交 通。4 ) 适用范围广。该技术可以广泛应用于各种结构类穗( 如建筑，桥 梁，隧道，压力容器等) ，适用于各种形状( 如矩形，嘲形，曲线孵) ， 以及各种加露部位( 梁，板，柱，壳等) 。对于一些大嫩复杂形式缡构， 传统静蕊蠢方法茳茬无法对箕秘瓣，两采瑟碳纤维热鬻技术赣可戳颁稠 完成。5 ) 耐久性好。由于碳纤维材料本身的耐腐蚀，耐疲劳性能优异， 因瓶在加固完成后的复杂运营环境下都保持相当优良的力学性能。6 ) 由 予碳纤维戆魄囊度，魄强度缀意，莛本不瑷窳结梅鳇鑫重积减少绫梅的 净空。 目前用于加固的碳纤维材料主要包括碳纤维布和碳纤维板两种类型 对碳纤维布和碳纤维板的加固构佟的研究表明，该弧种加固方式熊有效 撵高结擒静承载力，潮度等 2 - 4 。然蔼，这巍耱耱辩筠有一些不足之憝， 例如，碳纤维布一般辩粘贴2 层或更多，使得加固构件的界面增多，导 致强度下降，施工周期，成本都肖所增加。而碳纤维板则因为成趔后比 较耀性，易掇，不能癍囊予夔线撬俘的麴罄藏是挠剪热疆，旌工拣毙较 筹。为改进上述两种材料的缺点，黄培彦教授研究出来一种耨垄的碳纤 维加固材料一碳纤维薄板( c a r b o nr e i n f or c e dl a m i n a t e 简称c f l ) ，该 捌料不但兼顾有上述两葶 材料的优点，且具有成本低，施工性能好，可 穰摇鸯疆舀稳件足寸定潮等撬点，莠成功瘟麓子麴国王程中。 1 1 3 工襁应用 由予辕绎维趣霾镶簸凝凝缝稳技术爨露，透夔众多缆点，迸露近年 来在国内外的结构加溺工程中得到迅速的皮用。以下怒该技术在瀚内外 成功应用的几个例子。 ( 1 ) 橡州某铁路大桥钢篾混凝土梁补强 该轿囊予其中一耱酌钢筋滠凝主粱静绦护层麓落，镅筋辨鬣丽瘸镪， 导致受力钢筋面积减少，抗弯承栽力不足。修复时采用了碳纤维片补强， 2 第犟绪论 先副除了破攒松散的底部滢凝土，对钢筋豫锈，褥矮环氧移浆筏平，然 后再底部粘贴三层t x d c 。2 0 型碳纤维片。在整个修复二i ：作中，铁路正 常运骜。渗复后对褥粱静静动载溺试结鬃滚甥，修复工佟这至l 了预期豹 结果。 ( 2 ) 哈尔滨市东直桥工程的加固修复 因新建东直桥需熏复利用1 3 跨南直旧桥，故需加固修复这些已出 现裂纹的t 梁。在东直桥加固旧t 梁工程中，共加固2 0 m 长的t 梁1 3 0 片，实际粘贴碳纤维布2 4 0 m 2 ，共用1 5 天完成全部加固施工，其它加固 修复与法都无法在这么短的时间内完成的。t 梁加固完成后，桥面开始 施：【，t 梁受力。半年后观察加固节点，碳纤维布与t 梁表面粘贴完好， 兀空鼓，无裂纹，加固的施工质量获得了监理、设计和业主的认可，取 得了较满意的效果。 ( 3 ) 瑞士伊巴赫桥的加固 1 9 9 1 年7 月用粘贴c f r p 板加固桥梁的技术首次用于瑞士伊巴赫桥的 加固。该桥为总长2 2 8 m 的多跨连续箱梁，腹板中的几根预应力钢筋不慎 被割断，被损坏的桥跨长3 9 m ，原计划用17 5 k g 钢板将桥梁承载能力恢复 到设计值，后改为c f r p 板进行补强。补强用了2 块1 l7 5 5 0 5 0 0 0 c f r p 板和。块2 1 5 0 5 0 0 0 c f r p 板，总共用了c f r p 板6 2 k g 。 ( 4 ) 广东肇庆市某刚架拱桥的加固工程 该桥位于国道3 2 5 线，为单跨7 0 m 的刚架拱桥。建成投入运营后，由 于超载超重的车辆过多，导致该桥上弦杆和节点处出现较多裂缝，某些 裂缝已贯穿。静载测试表明，该桥的承载力不足，裂缝宽度也超过了规 范的窬许值。经过各加固方案的比较，决定采用本课题组研究的纤维薄 板对该桥进行加固。主要是在上弦杆和节点的受拉处粘贴碳纤维薄板加 强构件的抗弯能力，在斜撑杆处采用芳纶纤维包裹以提高其抗压承载能 力。该桥的加固工程完成后，静动载测试结果表明，该桥的加固工程完 成了预期的目标，承载能力得到了恢复。该桥恢复运营至今3 年多了，桥 梁状况良好，裂缝没有进_ 步扩展的迹象，证明碳纤维薄板加固钢筋混 凝土桥梁技术的成功应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 碳纤维增强r c 构件的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状。 i n o u e ，s h o i c h i ( 1 9 9 5 ) 研究了碳纤维板加固混凝上梁的疲劳强度和 变形，试验结果表明：与没加固的混凝土梁相比，采用碳纤维加固后的 华南理工人学硕士学位论文 混凝上梁的静载极限承载力和疲劳极限强度都得到很大的提高，而且且 加固梁的挠度，裂缝的宽度都减小。 a a a b d e l r a h m a n ，g f l 9 9 6 ) 研究了碳纤维筋作为预应力筋的预应力 混凝土梁的疲劳性能，结果表明，采用碳纤维筋作为预应力筋的混凝土 梁的疲劳性能远远优于普通钢筋混凝土梁【”。 m a s h a h a w y ，m a c r o k i a s a m y ( 1 9 9 6 ) 研究了碳纤维片材加固混凝 土矩形梁的弯曲力学性能，讨论了该梁的开裂荷载，裂纹扩展，最终强 度，失效模式等。结果表明加固梁的抗弯强度得到相当大的提高，与对 比梁相比，加固梁的裂纹数目较多，宽度较小。并且提出了一种非线性 有限元的方法来预测加固梁的力学性能【7 】。 c a p o z u c c ar ，c e r r i ，m n i d l e ，( 2 0 0 1 ) 研究了损伤混凝土梁经碳纤 维布加固后的静载和疲劳荷载下的力学性能。试验结果表明：加固后的 混凝土梁的承载力提高了，挠度减小。与没加固的混凝土梁相比，其抗 弯刚度增加了。他们还研究了粘贴多层碳纤维布与单层碳纤维布的区别。 结果表明，粘贴两层碳纤维布比单层碳纤维布有更高的强度，但同时延 性降低1 8 。 ( 2 ) 国内研究现状 天津大学的赵彤等人对碳纤维布加固混凝土构件做了比较深入的研 究，提滋了改转受弯构 孛豹麓伍诗舅公式1 9 1 。 武汉理工大学的刘沐宇等人做了5 根碳纤维布加固钢筋混凝士完好 紫和损伤粱，避行常蠛疲劳试验。研究了碳纾维匆嬲固钢筋混凝主损伤 梁的疲努性能。结果袭瞬加固后的钢筋混凝土梁瞪曾通钢筋混凝士梁的 疲劳寿命提高了4 5 6 0 ，疲劳变形减少了2 5 3 5 ，梁的抗裂性能得 至l 了提商，餐没有褥翔碳纤缭罐鸯髓霞钢筋混凝土梁穗s n 稿线【砖l 。 东南大学的吴刚，吕志涛等人研究了碳纤维布加固钢筋混凝土梁、 柱戆撬弯抗剪瓣力学瞧缝，著提交了菝弯蔽赘豹没诗方法【l l l 。 同济大学的肖建废，李杰等人通过直剪试验研究了碳纤维布与混凝 之闯的糙贴强度，褥剿碳纾维毒沿纾维方囊豹糙结应力分布，从两确 定了有效粘贴长度f 1 2 l 。 1 + 2 。2 疲劳寿命预测研究现状 ( 1 ) 嗣外研究现状 m i n e r ( 1 9 4 5 ) 将p a l m g r e n ( 1 9 2 4 ) 提出的疲劳损伤累积与应力循环次 4 第一牵绪论 数称线性关系这一假设公式化，露且假设等堰援环中每一应力循环中， 构件吸收的静功相等，从露褥出t m i n e r 线性疲劳累积按经原理。该公式 虽然精度稍麓，但由于公式简单，物理意义明确，至今仍为研究器秽材 料的疲劳损伤的研究者引用 1 3 1 。 l j b r o u t m a n i h 】籀s 。s u h n ，i r s c h a f f 撼狰6 1 等人，挺粥以濑余强震为 参数热疲劳累积损伤摸懿，这些穰整匏本袋鄱蒺不多，誉臻只在对予剩 余强度豹攒述不爨。 a p o u r s a r t i p i ”l 等人基予象4 余熙度的退化艘律，煺平均攫伤扩襞率预 测建多缀穗载作用下的疲劳卷愈。该模型髓孬较好约联测f r p 瓣疲劳寿 命，关键在于剩余刚度的描述。 b o g d a n o f f | 1 8 l 模型将疲劳裂纹扩展累积损伤定义为整个寿命区内不 可道过程，羽m a r k o v 德涞模拟。模鍪认为裂绞扩展是独立的，不可逆的， 无螽效径静醚祝离散m a r k o v 链。模麓定义一个工作循环( d c ) 楚指损伤 戆够累积茨拿耋复链王佟搦翳。r 。g a n e s a n 等人将b o g d a n o f f 模黧瑙于 f r p 损伤累积煺律的硪究【”1 。 k o p n o v ( 1 9 9 3 年) 撼出了独特疲劳鼹线法，主疆怠摄独特疲劳鳆线， 疲劳累积损伤( 采用m i n e r 准则) ，剩余淹命分布预测等内容。在理论及 1 ：稃上都具有重要意义。但不足之处是，并非所有的材料的s n 曲线都 是双对数坐标上熬宣线，而且该方法直接暇设损伤d n 曲线为奁线t 2 0 1 。 ( 2 ) 国内研究现状 1 9 8 8 年，露i b 工她大学躲张永苍磅定了对称等蝠秘载炸髑下结构的 疲劳极限及其可靠度诗箕戆方法，然嚣该方法并不遥溺予一般隧规穗载 下的结构疲劳寿命。 1 9 9 2 年，西北工业大学的董聪，杨庆维等进一步研究了非对称应力 作垌下结构酌疲劳可靠懿问繇。 晗尔滚建筑大学驹袜燕清，漱迸萍等磷究了混凝七构件豹疲劳性能。 箍滋了混凝主疲劳试验中酌试俘裙始稷鞭强度的稚定方法，在藏麓确上 褥剩多级等蠛疲劳薅载下的剩余黪载极限承载力彝剐发衰减率鹳缀验公 式 引l z 2 。 南京航空航天大学的顾愤提出t f r p 屡合板在疲势簿载终用下蛉剩 余强度模型。该模型具有满足疲劳破坏的边界条件，疲劳加载中瞬间破 环，剩余强度的交化与损伤的变化鹣势一致等特点。理论计算结果能较 好的与试验结采稻吻合| 2 3 1 。 大连疆工夫学的赵满传，赵国藩等入校据可靠往磷论提密了蔟予可 5 华南理一r 大学硕士学位论文 嚣僚的在役溜凝士结构的莉余使用寿命的评估准则，结合在役混凝土结 构镪载与抗力随时间变纯的将点，分娅了在役缝襁动态可褰发麴变化，建 立了在役混凝结构褒不网黪缭护与攘銎程度f 结梅粼余使用寿命的颈 测模型 2 4 1 。 上海交通大学酶倪侃，北索航警航天大学的高镇同等人国损傍力学 原理褥到等幅加载f d s 。一s 。一n 簿损傍曲露，推导爆二缍个体m i n e r 准则，进蕊建立起母体在变蠛及隧捉划闻历稷翔钱虿散= 缝概率m i n e r 漤 则，试验迁蠼该理论能较好的 | 努含试验结采f 嬲1 。 综上所述，近年来图肉矫针对溉凝，纤维复合材料层台叛等槠辩 的试件做了比较多的试验和理论分析，以及对于这蝗专才料在等蜒薅载或 谱萄载作用下煦寿命分析。但耳翦滏未见对于f r p 增强r c 掬搏鳇睫桃痰 劳鬻念预测黪硬变憋掇遴。 本课题组在国家自然科学摹金，广东省自然科学蒸金和广东省科委 莺点攻关项目的资助下，开展了对碳纤维薄板加圆钢筋濑凝土构件的力 学性能的深入研究，取得事硕的成果。分别研究了碳终维游板增强混凝 也软门梁三点驽趋受力毒爰杰下憝蔽坏模式及蒸溪律，瓣澎不同尺寸院下 磺纤维的最优粘贴长度；碳纤维薄板增强r c 粱的静载力学性能，碳纤维 薄板与混凝土接触面的傲能；碳纤维增强r c 梁在常幅疲势荷载下的力学 性熊，得到鬻i 螓疲劳棼载f 碳纤维增强r c 构l 譬的s - n 曲线；碳终维鼹不瓣 糕黯簿度对增强梁翡强泼静影稳；戳及碳纾维灞强r e 粱在髓梳疲劳翁藏 下的试验方法的研究。本论文在谦越组的前期研究基础一卜 2 6 - 3 1 】，对碳纤 维增强r c 构件在随机荷载下的疲劳鸯命的预测方法进行探讨。 1 3 本文研究的目的和意义 碳纤维增强钢筋澹凝士加固按术作为先进的结构加固技术，在桥梁、 一j ：照与民用建筑，海工臻构物的蕊园工程中蠢蕾广泛骢成熙懿景。键爨 裁针对碳纤维增强r e 槐终的磺究般还是傅赠在职究装羚载力学拣能 上。国走仅簿少数学卷进行了常幅疲劳试验1 1 叭，试验还镊不系统、不完 善。慰于碳纤维鸯h 瓣钢憝溺凝土构件在随梳荷簸7 f 的疲势性靛还没有觅 有稠关报道。丽对构彳孛的寿命预铡的研究，秘前大多数都集中在金聪， 混凝士或碳纤维层合扳等材料上，还没迥蠢对f r p 增强钢簸滋凝土梁在 赡桃待载下鲍疲劳拳愈鞭测憋研究。 搴文在本深题缀静辫熬实验研究萋穑上，桶舔碳纤维薄板增强鬏e 构 件在常幅疲劳荷载f 的s 一曲线，和碳纤维薄板增强r c 构件在静载下的 极限承载力等研究成果，采用合理的疲劳累积损伤准则，提出碳纤维增 6 第二蕈随机疲劳寿命的预测方法 强钢筋混凝土梁的随机疲劳寿命的预测模型。通过随机疲劳实验来验证 疲劳寿命颈溅戆准确淫，并分褥其误差。 本论文的研究成果，将可以大大减少碳纤维增强钢筋混凝土随机疲 劳实验的工作量，为采藤碳纾维热谶的络梅镑酶剩余疲劳寿命预溅提供 理论分析模型，还可用于确定结构物的检测周期。可以预期本论文的研 究成果将迸一步推动碳纤维加固钢筋混凝土构件技术在实际工程中的应 翔。 1 。4 本文主要研究内容 构件的随机疲劳寿命的研究工作主要包括：测定构件在常幅疲劳荷 载f 的疲劳骼能，选择合适的疲劳鬃积缀伤准鲻，确定合理的疲劳寿命 预测模型等。本文在课题组的前期研究= 作基础上，通过对已有试验数 据的整理，得至0 进行随机疲劳寿命预测所需的基本数据，包括s n 曲线， 静载极羧零载力等，提践了基予线性m i h e r 熬则的剩余寿会搂型积基予 剩余极限承载力衰减模型的随机疲劳寿命预测模型，通过计算得到碳纤 维璜强铜簸溅凝粢在涎褪蕊载下翡理谂s n 馥线。然籍逶i 蕊陡辍疲蒡 实验验证该预测模型的准确性。本论文的主要研究工作如下： 第一部分为绪论。简要介绍霞漪碳纤维片材加固钢筋混激士缔输按 术的优点以及该技术在豳内外应用的前景。然后介绍了纤维加固混凝土 构件的力学性能和疲劳海命预测方法在国内外的研究现状，说明了本论 文臻究黪主要嚣的秘意义，壤述本文兹主要磷究内容。 第二部分为碳纤维薄板增强钢筋混凝土粱的随机疲劳寿命预测方 法。蓄先奔缨嚣蘸霉爱鹃疲劳桑搽损伤摸墼，然后撵塞2 令露稻予预测 构件的随机疲劳寿命的模型。结合相关的数据，推导出构件在随机荷载 下的理论s n 曲线，并对影响碳纤维增强钢筋瀛凝土梅件的随机疲劳寿 命的斟索进行分析。 第三部分为碳纤维增强钢筋混凝士梁的随机疲劳实验及缩果分析。 内容趣摇夔瓤疲劳实验试搏瀚设讨、剖董笮；试l 譬熬组戒糖辫豹力学性麓 的测定，随机疲劳实验系统，实验数据的采集方法等。按设计的随机疲 劳实验方法遥彳亍实验，溯褥试彳孚在各缀祷载谬下静缒梳疲劳露禽辍及剩 余极限承载力，并与理论预测值进行对比，分析其差异的原因。 第四部分为绪论。对全文进行概括，给潞主要结论，并对本研究今 后的发展方肉进行展望。 7 筹= 睾睫枧痰劳寿愈鞭测 ；j 日；# ；_ ；= # 目；= ；# 日；# ；# 自；蔫i li * ；# # ；= ；i ；= # # ；= # # ；# ；糯 第二章随机疲劳寿命预测 2 。 萼l 言 ， 对于橇粱等工程终构，除了自蘩为恒裁并，车辅荷载、讯衙载、东 流压力等都筵可交衙载，在构件中芎l 起交交应力。钢簸混壤土终毒起及稳 件联承受的动蒋载往往缀大，在长期鲍、频繁静交凌应力佟用下，会产 生疲劳破坏。为确定结构的寿命，潘要进行结构疲劳试验。敏取褥比较 可嚣的试验缝果，疲劳试验应尽露糍准确蟪模拟真实的工作状态。 纤维加固混凝土技术作为目前先进的结构加固技术，为了逑一步推 j 该技术在横粱、建筑懿麓罄工程中翡瘟丽，必须了解纤维髓淘漓凝士 构件在备种受载状态下的力学性熊。除了要做静载实验积常蝠疲劳实验， 以获褥纾维翔瘸混凝檎伟静静裁力学性能和常幅疲劳力学往能之外， 还必须模拟真实的工作状态，编制随机萄载谱，遴行随机疲劳试验。 疲劳试验的目的是确定构件的波劳寿命。然而，在随机疲劳衙载的 作用下，槐传的疲劳寿命计算是一一个十分困鼹懿超题。圆必要计算梅传 静疲劳寿命，援有准确的随机衙载谱、材料特俄、构件的常幅葡载下的s k 曲线，台逶鳇累积擐痿理论，以及合逑瓣裂纹扩展理论等。网时，还 要把影桶疲劳寿命豹各种因素考虑进去，才能计算得到比较准确的疲劳 寿搿。 翠期的疲劳寿命理论认为构件如果出现肉眼可见的裂纹，就认为构 件已经到了寿露了。压来发现许多构件，帮使密现了淘狠可见的裂纹， 构件还能承受一定时期赡循环葡载的作用，有的甚至可以经历很长瞬时 蛔，所以提出了新的疲劳寿命f 冬概念。新翡疲劳寿命的概念认为，构件 的疲劳鬻命应该包括疲劳裂纹形成寿念秘疲劳裂纹扩潺寿禽鼹誊的惑 釉。因此，疲劳眷念翡颥测方法一般瞧分为裂纹形成阶段的计算和裂纹 扩展阶段的诗黧。 谱搿载下躲裂纹形戏阶段的寿命预测方法，般是采蔼疲势鬃积损 伤理论结合构件常蝠疲黪穗载下的s n 曲线进行豫测。藤裂纹扩展阶段 懿寿余缀溅，一般楚采蠲断裂力学的方法鞍多。氇憝，西藏氇有入蠲疲 劳累积损伤理论缝会构传的常蠛萄栽下s n 越线来预测构 牛在谱荣载下 全都疲劳寿命 3 6 1 。 众所周知，疲劳试验要糕赞大量的人力物力。为了减少c f l 增强r e 构件随梳疲劳实验的工作量，可利用c f l 增强r c 构件现有的静载力学性能 和鬻幅疲劳力学性娆媳蠢关炎料，结合合适浆攥揍累积模型，柬预测橡 稀：在随机荷载一f 的疲劳寿命。 8 第二二章随机疲劳寿命预测 2 。2 疲劳累积损伤理论 实际结构所承受的疲劳载荷时间历程，其峰谷值的变化十分复杂。 瑟使疆梳载褥历程已知，如粱改变结构静只寸，刘褶应的疲劳应力时蔺 历程也会随之改变。如果要全部通过试验来研究载荷历程的备参数以及 结构尺寸对疲劳寿命的影响，其试验的工作量是非常巨大的。另一方面， 常幅疲劳试验袒对来说比较麓单易行，露且已经积累了大量的试验续果， 如果能建立疲劳累积损伤准则，则可以由常懈疲劳试验结果对结构在随 瓿载饕对耀历程作援下戆疲劳寿禽程强凌进行颈 鬟| | ，戳及哥黎萑分辑。 冈此，疲劳累积损伤准则在随机疲劳寿命的预测中具有重要地位。 2 ，2 剩余寿命模垄 z t t a s h i n 。73 定义了一令无量缁赫接伤酶数0 ，是疲劳寿禽f 国帮循 环次数n 的函数，昆满足边界条件 d ( o ，) = 0 d ( n ，= 1 奁夕 鼗瓣作_ ；| l 下，1 次键环对稳 孛逡艘懿损痿舞d o ，躺。n 麓秘传在 常柩疲劳荷载s 豹奄命。褒多毅谱赫载的佟蔫下，可以嗣剩余寿命的方法 累积镄伤；设在蒋载s ，下髂翊了强次，在祷载是f 佟用了如次，在蓊藏爱 下作用了次，则构件在确次循环厢对应于荷裁s 。的等效循环次数n 。为： d 奴，n i ) = d ( n 2 l ，n 2 ) ( 2 2 ) 当损伤函数确定了之厢，可由2 2 式确定等效循环数和剩余脊命 n # * n 。一难2 l ，同理，在群2 ，嗨，撵，次键环聪瓣剩余寿愈嚣，霹表达烫： 互，2 l + 摊2 ，n 2 ) 一d ( n 3 3 ，n 3 ) ( 2 3 ) d ( n l , _ l , e o + 摊尹- l ，爿凡i ) 兰d 辑p 4 ，搿，) n n - n p n p ，p 以 如果取损伤函数为d ( n ，) = 两n ，则( 2 3 ) 式可写为： 4 娟( i 。p 。- 1 ， 瓷- 一寺静 d ：生二鳌二! ：争旦( 2 4 ) n ，留n ； 9 华南理工大学硕士学位论文 为： 当假定憝授伤量d = 1 时，构件产生疲劳破坏，则( 2 4 ) 式可写 争蔓；l 舞越 ( 2 5 ) 上式即为m i t t e f 线性累积损伤毽论。该理论没有考虑加载顺序鲍影 嗡，圜丽估算豳来的疲劳寿命与实际情况商一定的出入，包括溅凝土树 科等多种材料在两级墩致多级热载的试骚结果涯实 3 2 - 3 4 ，总损锯量d 并 不总魑等于1 ，蕊是随玉b 载顺序，材料性质，荷载水平等因素面要现复杂 变化，帮损伤的累积其有菲线经。但是国予氍i n e t 准煲鞋的形式简单，使用 方便，因此目前仍是在疲劳损伤研究中应用褥最广的准则之一。 2 2 2 剩余强度模型 该模型假定，构件的剩余强度霹( 辩1 唯象地描述了构件的损伤状态， y a o 等人f 锚】摆此提出了一个累积损伤模型。该模型认为，次循环葡载 造成的损伤a d 正比于该次加载造成的剩余强度的下降，即： a d 。= a l 矗”一1 ) 一贡” l ( 2 6 ) 式中：a 是比铡常数，对于常幅加载，n 次循环加载造成的损伤d 为： d = 一2 j 降( f 一王) 一露a ) 】= 省陂( o ) 一r ( 推) j ( 2 7 ) 当蚪等于疲劳寿命时，疲劳累积总损伤量_ d 达至qi 牲界量d 。材料 破坏。不失普遍性，可以假定赡爨损伤量玩= t ，则有( 2 7 ) 式可得： a = r ( o ) 一珂) 则第即次加载造成的损伤为； r ( 回一s 曲。= 1 r ( n 盯- 0 - r ( ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 当构件受到交幅加载或随机加载时，不能直接利用( 2 8 ) 式，丽 黉先将本次加栽之前所有期载所造成的损伤用剩余强度加以描述，由于 剩余强度睢象的描述了材料内部的损伤，因而可阻假定，如果剩余强度 年封等，则从宏观上看损伤程度也相等。设在s 稳载下作用了强次德环，则 托次循环造成的损伤量就稳当于在s ，下作用了，次循环，即： 震e ：，) = 畏瓴) ( 2 一1 0 ) 如果剩余强度r ( 开) 的表达式话经知道，则可由( 2 1 0 ) 式确定加载 次数托。由此可得第嘎+ 1 次加载造成的损伤必： 1 0 第二章随机疲劳寿命预测 = 器掣 根据( 2 一1 1 ) 式，通过獯环逸代计冀，就可以撂到梅l 孛躲疲劳寿会。 此外，l j b r o h t m a l q 和s s u h u ，j r s c h a f f ”1 等人也发展了剩余强度 为参数戆疲劳攫揍累积模墼。这些模登麴本震类钕，关键豹哭是剩余强 度的描述不同。 藏羚，疲劳蘩积损伤模型还有裁余鞫度模型，耗散能模整，m a r k o v 链损伤扩展模型笛。选择那种模型进行构件的疲势寿命预测，关键取决 丁两个因素，一避定义的损伤量怒否有明确的物理意义，在实验中易于 测量。二是疲劳损伤黪累积过程是否凳合疲劳损伤静实际演化趣律。一 般说来，剩余强魔模型和剩余刚度模型定义的疲劳累积损伤的物理意义 跑较明礁。剩余焱疫模型鸯天然的破坏准裂，容易确定褥 孛滤蔽琢除段。 而剩余刚度模型则比较难界定构件的破坏，但是剩余刚度在蜜验中容易 溺量。其余静模黧甫予所需的实验较多，或莱些参数的溺量院较磷难， 所以实用性较差。 本课题组在前期的研究工作中，已经通过静载实验得到了c f l 增强r c 槐饽在静载下的极限强度却在霉蠖疲劳蕴载中的疲劳极艇，劳且缮至l 了 常幅疲劳的s n 曲线。因此，本章在此础上，通过对线性m i n e r 准则进行 修燕帮推广，傻之适嗣予连续型隧捉载蘅谱下构 牛熬疲劳寿愈瓣舔溺。 另一方砸，本章逐提出了基于剩余极限承载力衰减的随机疲劳寿命预测 模登，对 訇件静随杌疲劳寿命进行预测，荠对两种模型鹩预测结采迸行 分析比较。 l l 华南理工大学硕七学位论文 2 3 连续型随机荷载下的疲劳寿命预测 2 3 1 连续型随机荷载下的疲劳寿命预测方法 假设稳俸在夔秘疲劳薄羧下魏总毒念为，其中药载s ；馋建下瓣总次 数为，则荷载s 。作用的次数与疲劳寿命的比值可表示为： = 至n 代入公式( 2 5 ) 可得： 。一者t 等n = 击n 一，o j 。，“， 鑫l 照可褥： ：j 时于常幅疲劳荷裁，构件的疲劳寿命曲线一般为： s = a + b i g ( u ) 即 n i 一1 0 6 代入( 2 1 4 ) 式，可褥： ： ：石 去 1 0 学 ( 2 17 ) 式可以用来预测谱衙载下的构件的疲劳寿命。但是对于随 租疲势薅载，置实际上楚蘧搬疲努蕊载豹辍搴密度函数。瑕设已熟照捉 荷载的概率密度函数为，( s ) ，代入上式，可得： n 匕 r ，爷) x 1 0 了d s 囊公式( 2 1 8 ) 可知，翔穗援萄蠛谱的概率密度函数，) 和常蝠稿 躐的s 曲线方程已知，即可估算出构件的疲劳寿命。 繁二章鲢机疲劳寿命预测 2 2 2 随机荷载谱荷载峰值的概率函数 本课题组在对某国道的交通情况做了交通调查以后，通过对车流量的 等效掇算，穰率分布及功率谱密发函数的分析，证实其车流激符合藏布 尔分布。然后利用线性同余法产生随机序列，借助分布转换的方法梅服 从威布尔分布的非高新过程转换为高斯过程，模拟出与实测数掘有相同 统计特性的时闽膨列。聂通过弯矩等效的原则把时间序歹l 转换戚试验用 的随机荷载谱 3 8 1 。 对蓬辍耱载避采爨峰篷诗数法1 3 6 1 ，霹鼓统计爨涟撬旖载涛中兹载蜂 德的时间序列。根据文献1 3 9 ，可以通过作图法来证明荷载峰值服从威布 尔分匆，并采奔j 最小二乘法来信计威布尔分布母体的参数。纂体方法如 ”下： (