预应力混凝土梁超载疲劳刚度退化试验研究

【摘要】预应力混凝土桥是我国桥梁的主要桥型之一,高等级公路上的预应力混凝土桥常年承受反复荷载的作用,疲劳和其他因素相互作用引起桥梁结构刚度退化和变形增大的现象日渐普遍,预应力混凝土梁的开裂及过量下挠等病害也变得越来越突出。本文依托国家高技术研究发展计划(863计划)项目“大跨径混凝土桥梁长期变形和开裂控制技术”(2008AA11Z102)以及国家自然科学基金项目“大跨度跨海预应力混凝土梁桥的疲劳损伤与耐久性机理研究”(51178042)的项目,针对预应力混凝土梁在超载疲劳作用下的刚度退化和挠度增大问题开展了研究,主要研究内容和创新点如下：(1)回顾了预应力混凝土梁桥的发展历史,对预应力混凝土梁桥长期过量下挠和开裂病害的成因以及机理进行了简要的分析,阐述了研究预应力混凝土梁桥超载疲劳问题的必要性。总结了疲劳问题研究的一般方法,并对预应力混凝土梁疲劳研究现状进行了综述,说明了本文研究的意义。(2)开展了预应力混凝土试验梁的多级变幅超载疲劳试验,研究了预应力混凝土梁在疲劳荷载循环作用下混凝土和钢筋的应变增长情况、疲劳裂缝的产生和开展情况以及试验梁疲劳挠度的增长情况。试验结果表明：在低于开裂荷载水平或适度超载的疲劳荷载循环作用下,预应力混凝土梁中混凝土和钢筋的应变呈现出两阶段发展的规律,且应变的增长速率随着加载水平和应力比的增大而增大；在低于开裂荷载水平的疲劳荷载循环作用下,预应力混凝土梁也可能会在最大弯矩位置出现疲劳裂缝,并且裂缝的开展与加载水平及应力比有一定关系；疲劳挠度的发展过程与混凝土应变发展过程基本一致,也分为两个阶段,且疲劳挠度增长速率也随着加载水平的提高以及应力比的增大而增大；对于疲劳损伤后的预应力混凝土试验梁,其刚度在弹性阶段内较无疲劳损伤的试验梁降低了20%-30%左右,且经历的疲劳荷载循环水平越高,刚度降低程度越大,到极限荷载附近时,疲劳试验梁刚度平均降低约50%左右,且其极限承载力也有一定程度的降低。(3)从损伤力学的角度,推导了基于不可逆热力学为基础的耗散原理的混凝土材料损伤演化的两阶段模型,并通过已有的混凝土材料疲劳试验数据对模型参数进行了拟合和验证,结果表明该模型能较好的反映运营状态下的混凝土疲劳损伤发展历程。同时,还以断裂力学为基础推导了裂纹尖端附近区域的应力场和位移场,阐述了钢筋疲劳裂纹产生和扩展的三个阶段的特点及裂纹形成的机理,分析了钢筋疲劳裂纹扩展的阶段特性并总结了几种裂纹扩展速率表达式。此外,还总结和推导了五种典型的疲劳损伤累积理论,分析和阐述了各疲劳损伤累积理论的特点,为预应力混凝土梁疲劳刚度退化分析提供了理论上的基础。(4)建立了基于截面刚度损伤的预应力混凝土梁疲劳刚度退化模型,并采用损伤弹性模量来对混凝土进行损伤计量以及采用损伤剩余面积来对钢筋和预应力钢束进行损伤计量,而后进行了预应力混凝土梁疲劳刚度退化的全过程分析,并编制了相应的计算分析程序,结果表明：在考虑了有效刚度修正、疲劳开裂修正和超载修正后的模型计算结果与试验结果吻合程度较好,误差普遍在5%以内,能够较好的反映预应力混凝土梁疲劳刚度退化的演化过程。(5)基于疲劳刚度退化的全过程分析方法,提出了预应力混凝土梁疲劳挠度的预测计算方法,并同时建立了两种人工神经网络模型进行对比分析,结果表明：基于疲劳刚度退化全过程分析的疲劳挠度预测计算方法,其误差随着有效样本的增加而逐渐减小,并且误差较稳定,得到的挠度增长曲线也比较符合试验结果;采用神经网络对预应力混凝土梁疲劳挠度进行预测的方法,其在有效样本数较少时预测误差较大,不过随着样本数目的增多其精度会逐渐提高,但其计算得到的挠度增长曲线受选择的传递函数形式和隐层神经元的数目影响,同时稳定性相对较差,一般要进行多次重复训练才能获取较好的训练结果。(6)对一座4×20m的公路预应力混凝土连续梁桥进行了疲劳以及收缩徐变引起的长期挠度的计算分析,结果表明：在开始运营的一年内,因疲劳引起的挠度增长大于收缩徐变引起的挠度增长。此后,疲劳发展进入第二阶段,由于疲劳引起的挠度增量稳定缓慢增长,而此时收缩徐变仍处于快速发展期,收缩徐变引起的挠度增量仍增长较快且逐渐超过了疲劳引起的挠度增量。由此推断,对于预应力混凝土梁桥长期挠度的增长,在最初的一年左右是疲劳起主导作用,其后由于收缩徐变引起的长期挠度增量增加,并逐渐占据主导地位。而超载会显著的增大疲劳挠度。(7)根据基于截面刚度损伤的预应力混凝土梁疲劳刚度退化分析模型,构建了预应力混凝土梁疲劳挠度的功能函数,并在对各变量进行统计特性分析的基础上,进行了预应力混凝土试验梁疲劳挠度的时变可靠性分析,讨论了疲劳挠度可靠度指标随荷载循环降低的关系。
【作者】肖赟；
【导师】雷俊卿；
【作者基本信息】北京交通大学，桥梁与隧道工程，2014，博士
【关键词】预应力混凝土梁桥；疲劳；超载；刚度退化；疲劳挠度；可靠度；

【参考文献】
[1]李春雪.多胺桥联聚倍半硅氧烷的合成及性能研究[D].鲁东大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[2]李春艳.基于TRIZ的小型立体车库系列产品创新设计与研究[D].山东建筑大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[3]徐建可.星形胶质细胞条件培养液对缺氧损伤神经元的影响[D].新乡医学院,神经病学,2012,硕士.
[4]奥琪玛.1994年以来蒙古国外交政策的调整及对蒙中双边贸易的影响[D].外交学院,世界经济,2014,硕士.
[5]高燕.视觉强化输入对我国中学生英语现在完成时习得的影响[D].湖南师范大学,课程与教学论,2014,硕士.
[6]侯亚东.基于小波系数的高速列车监测数据特征分析[D].西南交通大学,检测技术与自动化装置,2014,硕士.
[7]吕阳.我国行政管理体制改革的困境及路径选择[D].长春工业大学,行政管理,2013,硕士.
[8]陈茂丽.地西他滨联合化疗逆转白血病细胞系多药耐药机制研究[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[9]李琦.创业投资与公司绩效[D].浙江大学,金融（专业学位）,2013,硕士.
[10]杨洪,王广河,杨杰.在数字电视系统中开展数据广播业务[J].广播与电视技术.2002(09)
[11]邓斌.常用广义逆的正则逆表示及应用[D].华东师范大学,计算数学,2004,硕士.
[12]王敏华.高压直流输电系统的次同步振荡分析与控制器设计[D].西南交通大学,检测技术与自动化装置,2014,硕士.
[13]官瑞敏.基于多尺度分割的自然场景下的符号识别[D].复旦大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[14]王妍.欧盟东扩：中东欧候选国家入盟谈判解析[D].吉林大学,世界史,2004,硕士.
[15]穆琳.3.0T核磁共振弥散加权序列在鉴别乳腺良恶性病变的应用研究[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[16]阿斯根.卟啉基共轭微孔聚合物的合成及性能研究[D].吉林大学,有机化学,2014,硕士.
[17]宋世杰.基于序列模式挖掘的误用入侵检测系统及其关键技术研究[D].国防科学技术大学,2005.
[18]李海泉.人民币升值背景下中国通货膨胀率影响因素的实证研究[D].天津财经大学,统计学,2012,硕士.
[19]李烨.水基3Y-ZrO_2膏体制备及烧结工艺研究[D].兰州理工大学,材料学,2014,硕士.
[20]张晓琳.婴儿同伴合作行为的发生及其影响因素的研究[D].辽宁师范大学,发展与教育心理学,2011,硕士.
[21]赵旭.日常生活中身体形态的伦理分析[D].河北师范大学,伦理学,2013,硕士.
[22]张玉刚.白山煤矸石电厂脱硝工程进度控制研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[23]叶亚男.TiN_(0.3)对难熔化合物烧结界面显微结构与性能的影响[D].燕山大学,材料学,2013,硕士.
[24]齐乐.包商银行存货质押风险控制研究[D].内蒙古大学,工商管理,2013,硕士.
[25]郑利峰.氨络合物体系电积镍的阴阳极机理研究[D].浙江工业大学,材料学,2004,硕士.
[26]覃意.基于半静态调度的LTE-A下行VoIP优化策略[D].北京交通大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[27]唐伟.SAP-HR系统在钢铁企业中的应用研究[D].燕山大学,计算机技术,2013,硕士.
[28]刘君.网络经济时代企业组织创新研究[D].华中师范大学,行政管理,2003,硕士.
[29]尤立剑.同型产乙酸菌的分离纯化及生理生态研究[D].哈尔滨工业大学,微生物学,2013,硕士.
[30]龚博闻.豫南某支线机场改扩建项目经济效果评价[D].西安建筑科技大学,项目管理,2013,硕士.
[31]胡强.基于FPGA的紫外放电目标探测算法研究与实现[D].南京理工大学,光学工程,2013,硕士.
[32]吴加珂.框—墙连接和砌块嵌固对填充墙平面外性能影响[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2013,硕士.
[33]衣少雷.血管紧张素1-9和小窝蛋白-1对心房重构影响及相关机制研究[D].山东大学,内科学,2014,博士.
[34]朱东照.服务创新促进通信设计企业转型[J].浙江经济.2006(19)
[35]杨丽怀.基于熵权理论的房地产开发企业资本结构优化研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[36]刘伟.大学生对农民工、白领阶层的内隐态度比较研究[D].华东师范大学,基础心理学,2013,硕士.
[37]孟庆波.金融业呼叫中心建设技术分析[J].金融电子化,2003,04:60-63.
[38]陆锡都.基于DSP光伏并网逆变器的控制策略研究[D].电子科技大学,机械电子工程,2012,硕士.
[39]袁国旺.玉溪红塔集团核心竞争力的分析及策略研究[D].重庆大学,机械工程,2003,硕士.
[40]凌宏惠.宋代筆記語音資料研究[D].湖南师范大学,汉语言文字学,2014,硕士.
[41]薛林平,兰棋.上海兰心大戏院建筑研究[J].华中建筑,2014,03:177-182.
[42]邹文秀.中英招生广告中元话语对比分析[D].华中师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[43]敬姣.对外汉语成语教学中的文化因素研究[D].湖南师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[44]陈玉秀.民营上市公司不同类型政治关联的经济后果研究[D].云南财经大学,会计学,2014,硕士.
[45]石远.miR-7-5p靶向REGγ抑制人乳腺癌细胞增殖及促进细胞凋亡研究[D].重庆医科大学,外科学,2014,博士.
[46]牛钊.基于C/S和B/S混合模式的城市公共交通非接触式IC卡收费系统的研究及实现[D].西安理工大学,电气工程,2003,硕士.
[47]陈旭,何大平,木士春.掺氮石墨烯研究[J].化学进展,2013,08:1292-1301.
[48]道日纳.论我国刑事证据开示制度的确立[D].中国政法大学,法律,2003,硕士.
[49]阮洪文（NGUYENHONGVAN）.越南重点经济区发展研究[D].华东师范大学,人文地理学,2014,博士.
[50]王智新.创新、企业生产率与国际市场进入模式选择[D].西北大学,世界经济,2014,博士.