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考虑温度变化与水浸泡作用的混凝土与岩石疲劳破坏的非线性力学分析

作　者: 邵伟
导　师: 陈有亮
学　校: 上海理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土岩石水浸泡高温高频疲劳疲劳损伤
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要对受雨水浸泡、循环荷载作用的混凝土、含裂纹体岩石及高温后岩石的疲劳变形和破坏机理进行了试验研究，探讨了水浸泡、疲劳荷载作用对混凝土力学性能的影响，分析了含裂纹体岩石材料的破坏机理，研究了含裂纹体岩石材料的高频疲劳特性，建立了水浸泡混凝土损伤本构模型以及高温条件下岩石疲劳破坏的准则和模型。在实际工程中，许多混凝土结构经常在水环境下工作，混凝土中含有大量的孔隙，包括混凝土成型时残留下来的气泡，水泥石中的毛细管孔腔和凝胶孔，以及水泥石和集料接触处的孔穴等。在水压力的作用下，水将渗透到混凝土的孔隙和裂缝中。受各种荷载的影响，混凝土中的孔隙水会对孔壁产生水压力，进而影响混凝土的力学性能。在实际工程领域，周期载荷作用下混凝土和岩石的疲劳损伤特性与工程的长期稳定性密切相关。由于受到往复行驶车辆的循环荷载的作用，高速铁路和公路桥梁的柱墩下方混凝土和岩体的破坏具有突发性，因此，有必要对混凝土和岩石的疲劳破坏机理及疲劳损伤等问题进行深入研究。因此，本文主要就以下四个方面的内容进行了研究：(1)多孔多相的饱和混凝土中，孔隙自由水对混凝土的力学特性有显著的影响。本文基于损伤力学基本原理建立了单轴压缩条件下水饱和混凝土的弹塑性损伤本构模型，并结合太沙基“有效应力原理”，认为材料的损伤是由本体有效应力和结构有效应力引起的，根据应力平衡条件得出了两种有效应力下的应力关系方程，并在此基础上建立了水饱和混凝土的单轴压缩损伤演化方程。(2)对圆柱形混凝土试件进行了高频疲劳等幅恒加载试验及变幅步进试验。对试件的高频疲劳破坏机理进行了分析，建立了混凝土的轴向压缩非线性疲劳损伤累积模型。然后对混凝土加速寿命试验结果进行了可靠性统计分析，建立考虑失效概率p ’的P S N疲劳方程。(3)以高强度白水泥为模拟材料，对含裂纹体岩石进行了单轴压缩试验以及高频疲劳单轴压缩试验研究，推导出单轴压缩条件下试件应力强度因子的解析表达式，分析了裂纹表面摩擦系数对试件应力强度因子的影响，并得到了含裂纹体岩石材料的S-lgN曲线和考虑裂纹相互作用的疲劳方程。(4)对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行试验研究，研究了花岗岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量、应力-应变曲线等随温度的变化规律，并通过回归分析，得到了相应的回归公式；并建立了高温后花岗岩高频疲劳损伤模型，分析了高温后花岗岩在高频疲劳荷载作用下的损伤发展和疲劳裂纹扩展规律，建立了高温后花岗岩的损伤演化方程；且通过对经历不同高温后花岗岩进行高频疲劳试验，研究了高温作用对花岗岩高频疲劳寿命的影响。经高频疲劳试验数据分析，所建模型可以较好地反映岩石的疲劳损伤演化规律。依据试验研究成果，总结雨水浸泡和循环荷载作用下的混凝土和不同温度影响下岩石疲劳变形、弱化和破坏的规律。这一问题的研究对解决目前正在建设的高速铁路路基工程中的许多现实问题有重要指导作用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-28
  §1.1 研究背景  12
  §1.2 研究意义  12
  §1.3 水浸泡混凝土力学性能研究概况  12-18
    §1.3.1 水浸泡混凝土中的孔隙水压力  12-13
    §1.3.2 孔隙水压对混凝土抗压强度影响  13
    §1.3.3 混凝土损伤本构模型  13-18
  §1.4 混凝土疲劳性能研究概况  18-22
    §1.4.1 疲劳的基本概念  18-21
    §1.4.2 混凝土疲劳试验研究  21-22
  §1.5 岩石断裂力学性能研究概况  22-25
    §1.5.1 断裂力学概述  22-23
    §1.5.2 应力强度因子理论、断裂韧性及断裂判据  23-25
  §1.6 高温后岩石力学性能研究概况  25
  §1.7 岩石高频疲劳性能研究概况  25-26
  §1.8 研究内容  26-28
第二章水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型  28-37
  §2.1 引言  28
  §2.2 试验设计  28
  §2.3 机理分析  28-30
  §2.4 损伤本构模型  30-36
    §2.4.1 损伤本构模型  30-31
    §2.4.2 损伤演化方程  31-35
    §2.4.3 干燥和水饱和状态下应力-应变曲线及其比较  35-36
  §2.5 本章小结  36-37
第三章混凝土高频疲劳试验研究  37-48
  §3.1 引言  37
  §3.2 高频疲劳等幅恒加试验及变幅步进试验  37-38
    §3.2.1 静载试验  37
    §3.2.2 高频疲劳试验加载装置简介  37-38
    §3.2.3 试验方案  38
  §3.3 试验结果  38-40
  §3.4 试验现象的分析比较  40-41
    §3.4.1 疲劳破坏形态  40-41
    §3.4.2 疲劳破坏裂纹扩展过程  41
  §3.5 混凝土高频疲劳试验的非线性累积损伤模型  41-43
  §3.6 混凝土高频和低频疲劳曲线的 Basquin 方程拟合  43-44
  §3.7 混凝土的高频修正系数  44-45
    §3.7.1 修正系数的定义  44
    §3.7.2 高频疲劳试验结果修正  44-45
  §3.8 疲劳曲线与疲劳方程  45-47
    §3.8.1 疲劳曲线  45-46
    §3.8.2 考虑失效概率的 P S N疲劳方程  46-47
  §3.9 本章小结  47-48
第四章含裂纹体岩石材料的破坏机理及高频疲劳特性试验研究  48-63
  §4.1 引言  48
  §4.2 岩石材料的制备  48-49
  §4.3 抗压强度试验结果  49-53
  §4.4 应力强度因子的解析表达式与数值分析  53-56
    §4.4.1 应力强度因子计算  53-55
    §4.4.2 数值分析  55
    §4.4.3 摩擦系数对裂纹应力强度因子的影响  55-56
  §4.5 高频疲劳试验  56-61
    §4.5.1 单轴抗压试验及结果  56-57
    §4.5.2 试验设备及方案  57-58
    §4.5.3 高频疲劳试验结果  58
    §4.5.4 高频疲劳寿命方程  58-61
  §4.6 本章小结  61-63
第五章高温后花岗岩单轴压缩力学性能及高频疲劳损伤试验研究  63-82
  §5.1 引言  63
  §5.2 实验概况  63-65
    §5.2.1 试件制作  63
    §5.2.2 加热设备  63
    §5.2.3 试验设备  63-65
  §5.3 单轴压缩试验结果与分析  65-73
    §5.3.1 机理分析  68-69
    §5.3.2 应力-应变曲线随温度的变化规律  69
    §5.3.3 峰值应力随温度的变化规律  69-70
    §5.3.4 峰值应变随温度的变化规律  70-72
    §5.3.5 弹性模量随温度的变化规律  72-73
  §5.4 高频疲劳试验方案  73-74
  §5.5 高频疲劳损伤模型与疲劳裂纹扩展规律  74-79
    §5.5.1 损伤变量  74-75
    §5.5.2 损伤演化方程  75-77
    §5.5.3 疲劳裂纹扩展规律  77-79
  §5.6 高频疲劳试验结果分析  79-81
  §5.7 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-84
  §6.1 主要结论  82-83
  §6.2 展望  83-84
参考文献  84-90
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  90-91
致谢  91

考虑温度变化与水浸泡作用的混凝土与岩石疲劳破坏的非线性力学分析

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