預應力混凝土梁超載疲勞剛度退化試驗研究.pdf

1、預應力混凝土橋是我國橋梁的主要橋型之一，高等級公路上的預應力混凝土橋常年承受反復荷載的作用，疲勞和其他因素相互作用引起橋梁結構剛度退化和變形增大的現(xiàn)象日漸普遍，預應力混凝土梁的開裂及過量下?lián)系炔『σ沧兊迷絹碓酵怀?。本文依托國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目“大跨徑混凝土橋梁長期變形和開裂控制技術”（2008AA11Z102）以及國家自然科學基金項目“大跨度跨海預應力混凝土梁橋的疲勞損傷與耐久性機理研究”(51178042)的項目，

2、針對預應力混凝土梁在超載疲勞作用下的剛度退化和撓度增大問題開展了研究，主要研究內容和創(chuàng)新點如下:
　　(1)回顧了預應力混凝土梁橋的發(fā)展歷史，對預應力混凝土梁橋長期過量下?lián)虾烷_裂病害的成因以及機理進行了簡要的分析，闡述了研究預應力混凝土梁橋超載疲勞問題的必要性?？偨Y了疲勞問題研究的一般方法，并對預應力混凝土梁疲勞研究現(xiàn)狀進行了綜述，說明了本文研究的意義。
　　(2)開展了預應力混凝土試驗梁的多級變幅超載疲勞試驗，研究了預應力

3、混凝土梁在疲勞荷載循環(huán)作用下混凝土和鋼筋的應變增長情況、疲勞裂縫的產(chǎn)生和開展情況以及試驗梁疲勞撓度的增長情況。試驗結果表明:在低于開裂荷載水平或適度超載的疲勞荷載循環(huán)作用下，預應力混凝土梁中混凝土和鋼筋的應變呈現(xiàn)出兩階段發(fā)展的規(guī)律，且應變的增長速率隨著加載水平和應力比的增大而增大;在低于開裂荷載水平的疲勞荷載循環(huán)作用下，預應力混凝土梁也可能會在最大彎矩位置出現(xiàn)疲勞裂縫，并且裂縫的開展與加載水平及應力比有一定關系;疲勞撓度的發(fā)展過程與混凝

4、土應變發(fā)展過程基本一致，也分為兩個階段，且疲勞撓度增長速率也隨著加載水平的提高以及應力比的增大而增大;對于疲勞損傷后的預應力混凝土試驗梁，其剛度在彈性階段內較無疲勞損傷的試驗梁降低了20％～30％左右，且經(jīng)歷的疲勞荷載循環(huán)水平越高，剛度降低程度越大，到極限荷載附近時，疲勞試驗梁剛度平均降低約50％左右，且其極限承載力也有一定程度的降低。
　　(3)從損傷力學的角度，推導了基于不可逆熱力學為基礎的耗散原理的混凝土材料損傷演化的兩階段

5、模型，并通過已有的混凝土材料疲勞試驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行了擬合和驗證，結果表明該模型能較好的反映運營狀態(tài)下的混凝土疲勞損傷發(fā)展歷程。同時，還以斷裂力學為基礎推導了裂紋尖端附近區(qū)域的應力場和位移場，闡述了鋼筋疲勞裂紋產(chǎn)生和擴展的三個階段的特點及裂紋形成的機理，分析了鋼筋疲勞裂紋擴展的階段特性并總結了幾種裂紋擴展速率表達式。此外，還總結和推導了五種典型的疲勞損傷累積理論，分析和闡述了各疲勞損傷累積理論的特點，為預應力混凝土梁疲勞剛度退化分析提

6、供了理論上的基礎。
　　(4)建立了基于截面剛度損傷的預應力混凝土梁疲勞剛度退化模型，并采用損傷彈性模量來對混凝土進行損傷計量以及采用損傷剩余面積來對鋼筋和預應力鋼束進行損傷計量，而后進行了預應力混凝土梁疲勞剛度退化的全過程分析，并編制了相應的計算分析程序，結果表明:在考慮了有效剛度修正、疲勞開裂修正和超載修正后的模型計算結果與試驗結果吻合程度較好，誤差普遍在5％以內，能夠較好的反映預應力混凝土梁疲勞剛度退化的演化過程。
　

7、　(5)基于疲勞剛度退化的全過程分析方法，提出了預應力混凝土梁疲勞撓度的預測計算方法，并同時建立了兩種人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行對比分析，結果表明:基于疲勞剛度退化全過程分析的疲勞撓度預測計算方法，其誤差隨著有效樣本的增加而逐漸減小，并且誤差較穩(wěn)定，得到的撓度增長曲線也比較符合試驗結果;采用神經(jīng)網(wǎng)絡對預應力混凝土梁疲勞撓度進行預測的方法，其在有效樣本數(shù)較少時預測誤差較大，不過隨著樣本數(shù)目的增多其精度會逐漸提高，但其計算得到的撓度增長曲線受選擇

8、的傳遞函數(shù)形式和隱層神經(jīng)元的數(shù)目影響，同時穩(wěn)定性相對較差，一般要進行多次重復訓練才能獲取較好的訓練結果。
　　(6)對一座4×20m的公路預應力混凝土連續(xù)梁橋進行了疲勞以及收縮徐變引起的長期撓度的計算分析，結果表明:在開始運營的一年內，因疲勞引起的撓度增長大于收縮徐變引起的撓度增長。此后，疲勞發(fā)展進入第二階段，由于疲勞引起的撓度增量穩(wěn)定緩慢增長，而此時收縮徐變仍處于快速發(fā)展期，收縮徐變引起的撓度增量仍增長較快且逐漸超過了疲勞引起的