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原文传递混凝土梁重载疲劳全过程分析与疲劳寿命研究

论文题名：	混凝土梁重载疲劳全过程分析与疲劳寿命研究
关键词：	高速公路桥梁;足尺钢筋混凝土梁;重载疲劳;剩余寿命
摘要：	近年来，交通运输业的不断发展和经营者对利益的过度追求导致重车荷载在高速公路运输中所占比例逐年上升，超载现象频发。钢筋混凝土简支梁桥在高速公路桥梁中占比较大，服役多年的钢筋混凝土简支梁桥在长期重车疲劳荷载作用下普遍存在着梁底开裂、露筋、下挠过大等病害。已知钢筋混凝土简支空心板梁疲劳研究的基础数据几乎均源于缩尺梁的疲劳试验，基于服役足尺混凝土简支空心板梁疲劳试验结果的研究却鲜有所见。本文基于某高速公路实测重载交通数据，对服役于该高速公路23年的钢筋混凝土简支空心板梁进行疲劳试验，并对该梁的剩余疲劳寿命及相关疲劳问题进行试验和理论研究，具体内容如下：　　（1）采用统计调查法得到该高速公路2188252辆重车荷载的类型、数量和总重，并确定各典型车辆的轴重、轴距等主要数据，以此数据为基础，使用本文依据EM-GMM模型和M-R法原理并基于Matlab程序和Visual Basic语言开发出的“随机荷载转换器”计算出适用于服役足尺混凝土简支空心板梁疲劳试验加载的等效疲劳荷载谱。　　（2）开展服役足尺钢筋混凝土空心板梁静力和疲劳试验，得到该梁的承载力限值及疲劳应变、挠度等疲劳相关数据，拟合出服役足尺钢筋混凝土试验梁的疲劳S-N曲线。本文基于由实测重载交通量转换得到的随机疲劳试验荷载谱分析不同循环次数下试验梁的挠度和应变等数据，计算出试验梁的等效恒幅疲劳应力谱并根据疲劳S-N曲线预测出试验梁在实际车辆荷载下的疲劳寿命。区别于传统交通量预测，本文从钢筋混凝土梁疲劳分析的角度出发针对高速公路重载疲劳车的远景交通量进行预测，进而求出该服役混凝土空心板梁在重载交通下的疲劳破坏时间。　　（3）基于本文提出的协同损伤准则提出混凝土的疲劳本构模型，基于Miner线性准则建立钢筋的疲劳本构模型。采用C#语言编写“混凝土疲劳本构参数计算”程序，通过该程序计算出混凝土经历任意次疲劳荷载后的本构参数，将其输入有限元分析软件ABAQUS中对钢筋混凝土空心板梁进行全过程数值模拟分析，并用钢筋混凝土空心板梁疲劳试验结果进行验证，证明了该协同损伤理论的可行性。基于该协同损伤理论结合失效判断准则对钢筋混凝土空心板梁进行数值模拟，可求出任意次疲劳荷载后该混凝土梁的全过程疲劳状态，以方便实际工程中对混凝土梁当前的疲劳状况进行掌握判断并预测其疲劳寿命。　　（4）基于损伤演化模型理论对足尺钢筋混凝土空心板梁的疲劳刚度进行研究。在热力学理论基础上推导出疲劳塑性流动损伤演化方程，根据经典的损伤演化方程推导出适用于钢筋混凝土空心板梁发展特性的两阶段刚度损伤演化参数模型。基于混凝土空心板梁疲劳试验结果拟合出钢筋混凝土空心板梁的刚度与疲劳次数之间的关系表达式，进而拟合出用刚度表示的钢筋混凝土空心板梁疲劳损伤度方程。提出的刚度损伤演化模型可方便实际工程中通过易于测量的混凝土梁刚度来推断混凝土梁当前的疲劳损伤度及其疲劳寿命。
作者：	屈浩
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	苏权科
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2021