详情

原文传递 PVA纤维水泥基复合材料的多目标优化与工作状态分析

论文题名：	PVA纤维水泥基复合材料的多目标优化与工作状态分析
关键词：	水泥基复合材料;聚乙烯醇;桥面连接板;多目标优化;工作状态
摘要：	水泥基复合材料在使用周期内需要满足多项功能要求，待考察的性能目标涉及多种类别。当性能目标的数量增加时，配合比设计工作的难度也随之增加，一般不存在一组特定的配合比设计方案使得所有工程性能指标同时达到最高水平，为此需要借助合理的方法实现面向多重目标的配合比优化设计。另一方面，对水泥基复合材料在特定条件下的工作状态进行合理的分析是洞悉其本质特征和性能发展规律的关键立足点。聚乙烯醇（PVA）纤维是改善水泥基复合材料性能的常用纤维类型，本文以PVA纤维水泥基复合材料为研究对象，总结了与之相关的试验研究成果、工程应用现状以及存在的问题，结合试验测试、统计分析和数值模拟等手段对其工程性能、配合比优化设计和工作状态进行了以下研究工作：　　针对PVA纤维水泥基复合材料的五项较为典型的工程性能：流动性能、抗压性能、抗弯性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能进行了重点研究。配合比方案按照正交试验方法进行设计，具体的试验研究方案参考相关规范和已有文献制定，以流动扩展度、抗压强度、抗弯强度、电通量和最大冻融循环次数作为性能指标，并通过信噪比分析和方差分析研究了配合比设计因素对工程性能的影响规律和影响程度，在此基础上获得针对各项工程性能的最优配合比设计方案、总结各个配合比设计因素的合理取值范围。　　针对多因素多性能目标的PVA纤维水泥基复合材料配合比优化设计问题进行了研究。引入主成分分析法来解决多性能目标优化设计问题，力图从最客观的角度将其转化为单性能目标问题，建立起所有工程性能指标之间的平衡关系使之融合为统一的主性能指标，再通过正交试验的研究方法分析配合比设计因素对主性能的影响。最后，分别通过基于主成分分析的正交试验方法以及效用概念和主成分分析相结合的方法预测了PVA纤维水泥基复合材料的最优配合比设计方案，并通过附加试验验证了预测结果。　　针对PVA纤维水泥基复合材料工作状态理论的具体内容和关键要素进行了阐述：定义了PVA纤维水泥基复合材料的工作状态并对工作状态的表征方式进行了分类；解释了工作状态的分析方法，基本思路为：以量变质变定律对试件和构件工作状态必然呈现的突变特征进行判别，进而以所揭示的工作状态特征点来确定各种性能指标；建立了基于不同数值化响应类型的工作状态模式，以揭示整体工作状态特征在研究载体局部的反映。　　针对受冻融循环影响的PVA纤维水泥基复合材料试件的工作状态进行了分析。首先根据快速水冻水融试验采集到的数据，得到了PVA纤维水泥基复合材料试件的动弹性模量、抗弯强度和内部应变等响应信息和特征参数随冻融循环次数增加的变化规律。继而，引入Mann-Kendall（M-K）检验方法来识别PVA纤维水泥基复合材料试件在冻融过程中的工作状态特征点并予以验证，在此基础上对试件工作状态进行了阶段划分、分析了不同的阶段性特征、构建了一种三水准抗冻性能评价体系。最后通过信噪比分析和方差分析研究了配合比设计因素对冻融失效指标的影响。　　针对PVA-CBC桥面连接板在单调反复荷载作用下的工作状态进行了分析。首先前面临的问题是试验数据的不连续，为此采用响应模拟插值法将其扩充为空间连续数据，再转换为广义应变能密度来表征连接板的工作状态。然后，引入M-K检验方法来识别整个加载周期内连接板的工作状态特征点，进而揭示连接板的屈服行为和初始失效行为。最后结合基于应变和位移的连接板工作状态模式、关键截面的应变场特性和内力发展规律验证工作状态特征点的合理性。
作者：	钟俊飞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王宗林;周广春
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020