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原文传递结构损伤时空多尺度模拟及其在桥梁疲劳分析中的应用

论文题名：	结构损伤时空多尺度模拟及其在桥梁疲劳分析中的应用
关键词：	桥梁结构;疲劳损伤;时空多尺度;数值模拟;双尺度裂纹模型;可靠性区间
摘要：	在大跨桥梁结构中,局部细节缺陷与整体结构尺度的显著差异,使得传统单一尺度上的疲劳损伤分析,难以准确描述局部细节下疲劳损伤跨尺度演化规律与桥梁结构整体劣化之间的联系。应对此类工程结构安全性分析的需要,本文致力于在多尺度框架下寻求解决大型土木工程尤其是桥梁结构中的多尺度疲劳损伤分析问题。　　论文研究主要从如下两个方面进行:发展结构损伤时空多尺度分析的一般性数值模拟方法,和结构疲劳累积过程这一类的损伤时空多尺度模拟问题的解析方法。围绕这两人目标,建立了结构损伤时空多尺度数值模拟算法,将该算法应用到含局部细节缺陷构件的动力分析中去;研究了双尺度裂纹模型中的尺度转换效应:结合最小变量原理,通过对桥梁结构疲劳累积过程计算的差异分析,比较了传统疲劳裂纹扩展公式;并将理论研究结果应用到润扬桥缆索中钢丝的疲劳裂纹跨尺度扩展过程的分析。　　本文主要研究工作和成果如下: 　　基于时空多尺度上的物理一致性,建立了结构损伤时空多尺度边值问题的基本方程,提出了结构时空多尺度数值模拟的算法流程。并以一简单构件损伤数值分析为例,验证了算法的合理性及可行性。研究发现,在局部缺陷部位存在复杂的变形状态,整体构件上所施加的载荷对于局部细小缺陷周围的应力变形有显著的不利影响,当整体上仍处于线弹性变形阶段,缺陷区域的响应与损伤演化呈现非线性特征。　　研究了基于应变能密度理论的双尺度裂纹模型中的尺度转变效应。计算结果显示,双尺度裂纹模型对于相关尺度参数具有高度敏感性;该模型可在一定程度上描述裂纹从微观到宏观尺度的过渡阶段以及尺度转变效应。在所定义的三个尺度参数中,材料刚度比与特征长度比的增加会促进疲劳裂纹的进一步扩展,而内在约束力与外载荷关系比的增加则会减缓疲劳裂纹的扩展。　　基于最小变量原理,研究了疲劳裂纹跨尺度扩展历程中的安全可靠性区间问题。通过对铝2024-T3材料试件预制裂纹的疲劳加速试验数据进行提取分析,研究了疲劳裂纹长度以及疲劳裂纹扩展速率在不同积分区间上的安全可靠性。相关计算结果表明,由最小变量原理而得到的疲劳裂纹安全可靠性区间与实际工程经验评估所得到的疲劳裂纹安全稳定区间基本吻合。　　以最小变量原理为中介,通过对桥梁结构中疲劳累积过程计算的差异分析,比较了分别基于应力强度因子理论与应变能密度理论的传统疲劳裂纹扩展公式。通过研究发现,传统的疲劳裂纹扩展经验公式有着不可避免的内在缺陷。体现在传统的疲劳经验参数C与n,B与m都受指定材料及应力状态的影响。尽管如此,相比较于仅仅将应力幅值包含在内的基于应力强度因子理论的疲劳公式,综合考虑应力幅值,平均应力以及应变等因素的基于应变能密度理论的疲劳裂纹扩展公式,相对更加安全可靠。　　研究了润扬大桥斜拉桥缆索中钢丝的疲劳裂纹跨尺度扩展进程。研究发现,应针对不同部位缆索所受作用力的差异,对缆索进行定期维护和更换;缆索的拉紧与松弛在不同工况下对于缆索中钢丝的疲劳裂纹扩展历程有着显著的影响:在交通载荷作用下,拉紧缆索则增大钢丝中裂纹的扩展速率,松弛缆索则会减缓钢丝中裂纹的扩展速率;当无交通载荷作用时,情况则相反。因此,应趋利而避害,在适当的工况下选择合理的维护方式。同时,研究了初始裂纹长度对于钢丝的疲劳裂纹扩展过程的影响,而这种影响体现在一般疲劳试验测试数据所呈现的相对分散性上。
作者：	汤可可
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李兆霞;Lee,James D.
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文