發(fā)布時(shí)間：2015-02-02 10:49

 

【摘要】 最近幾十年，斜拉橋在我國(guó)取得了飛速的發(fā)展，其中混凝土斜拉橋占據(jù)較大比重。在外荷載、溫度荷載以及混凝土收縮徐變等因素作用下，混凝土斜拉橋索塔承受著拉索傳遞的巨大壓力，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有75%的索塔發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響斜拉橋的壽命甚至威脅人們的生命安全，因而索塔開(kāi)裂的行為引起越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。本文引入分形損傷理論對(duì)斜拉橋高大索塔進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，提出了基于裂縫分布狀態(tài)的高大索塔安全狀態(tài)評(píng)價(jià)模式。通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，分別從宏觀和細(xì)觀的角度，研究了裂縫的開(kāi)裂、擴(kuò)展及結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程，建立了一套以分形損傷為理論支撐的用于評(píng)價(jià)索塔開(kāi)裂后安全狀態(tài)的新方法，研究了索塔開(kāi)裂后裂縫分布分形維數(shù)與荷載等級(jí)之間的關(guān)系，為后期實(shí)橋應(yīng)用提供了理論與實(shí)踐指導(dǎo)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：①在研究智能移動(dòng)視頻掃描裝置監(jiān)測(cè)高大塔柱裂縫技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)各種濾波算法適用范圍和裂縫圖像特點(diǎn)的研究，提出中值濾波法，將進(jìn)行裂紋圖像的二值化與提取方法用于裂縫圖像分割，并采用圖像拼接技術(shù)、裂縫矢量化技術(shù)及裂縫圖像模擬重現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裂縫監(jiān)測(cè)信息處理。②把三維裂縫求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為兩個(gè)平面的裂縫求解問(wèn)題，即等效成一個(gè)無(wú)限大板中心裂紋受到無(wú)窮遠(yuǎn)處的單向拉伸力作用和一個(gè)無(wú)限大板在單邊裂縫受到拉伸荷載作用，采用雙懸臂梁理論計(jì)算裂縫寬度與深度的關(guān)系，推導(dǎo)了裂縫深度的計(jì)算公式，為研究三維裂縫問(wèn)題提供了新思路；根據(jù)裂紋分形模型建立混凝土開(kāi)展裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，結(jié)合斷裂力學(xué)理論，推導(dǎo)了應(yīng)力強(qiáng)度因子在直線型裂紋和裂紋不規(guī)則擴(kuò)展這兩種假設(shè)下的關(guān)系。③根據(jù)斜拉橋索塔的特點(diǎn)，基于子模型技術(shù)，采用FRANC3D軟件，模擬了索塔裂縫的萌生以及擴(kuò)展的過(guò)程，并計(jì)算了索塔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子與分形維數(shù)之間的關(guān)系、分形維數(shù)與荷載等級(jí)之間的關(guān)系；建立weibull隨機(jī)概率分布與材料裂縫分布之間的關(guān)系，結(jié)合斷裂損傷力學(xué)與分形理論來(lái)評(píng)價(jià)混凝土索塔表面開(kāi)裂的嚴(yán)重程度。④建立了基于離散元的顆粒流微觀數(shù)值模型，采用Fish語(yǔ)言編寫(xiě)程序，模擬混凝土材料的細(xì)觀破壞過(guò)程，并選取了三種不同半徑、不同數(shù)量團(tuán)簇研究混凝土開(kāi)裂性能，當(dāng)團(tuán)簇?cái)?shù)量越多，對(duì)材料性質(zhì)的提高越顯著；當(dāng)團(tuán)簇半徑越大、結(jié)構(gòu)體系越穩(wěn)定，則性質(zhì)增強(qiáng)效果好。團(tuán)簇材料的破損機(jī)理在于隨著團(tuán)簇半徑的增加，基質(zhì)所占比例減小，基質(zhì)中更容易產(chǎn)生微裂紋，結(jié)構(gòu)表面更容易破壞。⑤基于多尺度均勻化理論，采用有限元法建立了混凝土細(xì)觀-宏觀等效力學(xué)性能的多尺度模型，并以索塔表面為例建立有限元模型，對(duì)混凝土材料的宏觀整體與細(xì)觀局部化效應(yīng)進(jìn)行分析。⑥完成了索塔節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yàn)證了上述理論和方法的可靠性，研究了索塔開(kāi)裂后裂縫分布分形維數(shù)與荷載等級(jí)之間的關(guān)系，為后期實(shí)橋應(yīng)用提供了理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。 

第一章緒論

隨著土木交通行業(yè)的發(fā)展，跨越河、海的特大型橋梁也日趨增多，作為力學(xué)性能優(yōu)越、跨徑較大、外形優(yōu)雅輕盈的斜拉橋，越發(fā)受到橋梁設(shè)計(jì)師的青睞�，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已建或者在建跨徑超過(guò)的斜拉橋座，其中中國(guó)占據(jù)了六個(gè)席位，中國(guó)于年建成了在當(dāng)時(shí)世界上最大跨徑的斜拉橋蘇通大橋，是世界建橋史上的一座豐碑。但是之后俄羅斯于年月完成通車(chē)的跨東博斯魯斯海峽的俄羅斯島大橋，主跨跨徑和塔高都成功超越蘇通大橋成為全球斜拉橋之最，世界第一。圖1-1列舉了世界排名前四的斜拉橋，可以看出斜拉橋一般都是跨越了江河湖泊，不但地理位置惡劣而且其周?chē)h(huán)境也復(fù)雜，橋梁在運(yùn)營(yíng)若干年后出現(xiàn)裂縫后安全性能受到影響，而且橋梁還要承受風(fēng)、雨、地震等自然災(zāi)害的襲擊。索塔是斜拉橋主要承重構(gòu)件，它承受了斜拉索傳遞來(lái)的巨大索力，其安全性能至關(guān)重要，當(dāng)前階段橋梁超載現(xiàn)象非常之嚴(yán)重，當(dāng)混凝土多年后出現(xiàn)老化、腐蝕等現(xiàn)象后，索塔的安全性受到嚴(yán)重影響，甚至有可能導(dǎo)致橋梁的垮塌，以及隨著跨徑和塔高的增加。上述的自然風(fēng)險(xiǎn)和材料本身原因?qū)π崩瓨虻奈：?huì)增多，近幾年橋梁垮塌事故的發(fā)生，掠奪了無(wú)辜人的生命，導(dǎo)致了巨大經(jīng)濟(jì)損失，阻礙了交通的發(fā)展，并影響著社會(huì)和諧與穩(wěn)定。表列出國(guó)內(nèi)外橋梁倒塌實(shí)例。
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第二章基于分形原理的混凝土裂縫損傷與斷裂參數(shù)研究

2.1分形損傷力學(xué)的概述
斷裂力學(xué)是以固體中所存在宏觀斷裂為前提的，主要是通過(guò)對(duì)裂紋周?chē)膽?yīng)力、應(yīng)變分析，著重解決材料的失效問(wèn)題。但是像混凝土這樣的脆性材料結(jié)構(gòu)，在宏觀裂紋出現(xiàn)之前，已產(chǎn)生了微觀裂紋。出現(xiàn)和擴(kuò)展稱(chēng)為損傷。宏觀裂紋出現(xiàn)之前，損傷已經(jīng)影響了材料與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與壽命，損傷力學(xué)是近幾十年逐漸發(fā)展完善起來(lái)的學(xué)科。材料的最終宏觀斷裂破壞與其內(nèi)部微裂隙的發(fā)育和集聚有著密切的聯(lián)系，有關(guān)學(xué)者做了大量的實(shí)驗(yàn)分析。研究表明在比例加載下，無(wú)論什么材料宏觀裂紋頂端的損傷區(qū)形狀和范圍大小隨時(shí)間是以一個(gè)時(shí)空函數(shù)的相似比變化的。

2.2分形與斷裂概述
現(xiàn)實(shí)中很多材料的變形與破壞問(wèn)題涉及到時(shí)間尺度和長(zhǎng)度尺度的影響，其中許多發(fā)生在非平衡條件下的非線性過(guò)程。大量的工作是針對(duì)均勻介質(zhì)中平直裂紋尖端的擴(kuò)展，而實(shí)際材料是非均勻的，裂紋幾何形狀往往很復(fù)雜和非規(guī)則的。近幾年來(lái)，隨著非線性科學(xué)的發(fā)展，分形、符號(hào)動(dòng)力學(xué)、小波分析已廣泛應(yīng)用于材料的破壞和變形的研究中。分形作為一種新的手段可以定量的表述裂紋擴(kuò)展路徑和材料的破碎，，甚至是能量的耗散。當(dāng)考慮裂紋擴(kuò)展的不規(guī)則性，可以建立一系列的裂紋擴(kuò)展的分形模型，以更好地描述在動(dòng)、靜載荷下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。任何材料的斷裂表面在不同程度上存在粗糙性。在顯微鏡下看這些粗糙性就如坐在飛機(jī)上看地球表面的山川河流一樣。當(dāng)在斷裂表面利用真空鍍膜技術(shù)鍍上一層鎳，然后平行于斷面平面用細(xì)砂紙磨去一層并拋光。則凸出的部分被磨去之后在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)亮，稱(chēng)之為“島”。而沒(méi)有磨到的區(qū)域會(huì)發(fā)暗，稱(chēng)之為“湖”。這樣斷裂平面的粗糙程度就轉(zhuǎn)化為在圖象分析儀屏幕上展示的千姿百態(tài)形狀各異的“島”和“湖”。

第三章斜拉橋高大索塔裂縫成因分析及信息采集處理技術(shù)..........47
3.1混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的基本類(lèi)型......47
第四章混凝土索塔宏觀開(kāi)裂數(shù)值模擬研究.......70
4.1有限元分析理論.......70
第五章混凝土索塔裂縫的細(xì)觀離散元數(shù)值模擬研究.........98
5.1概述......98
5.2顆粒流的物理模型..........98

第七章基于分形理論的索塔節(jié)段開(kāi)裂模型試驗(yàn)研究

7.1索塔縮尺模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介
本試驗(yàn)以大沖橋的索塔節(jié)段縮尺模型試驗(yàn)為研究對(duì)象，目的主要是驗(yàn)證分形理論用于評(píng)價(jià)索塔安全性能的合理性問(wèn)題，通過(guò)理論分析、有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的手段，研究索塔錨固區(qū)的開(kāi)裂后裂縫分布狀態(tài)關(guān)系，提出應(yīng)用分形維數(shù)評(píng)價(jià)高大索塔安全性能的方法，為今后高大索塔開(kāi)裂后的安全性評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。斜拉橋索塔是主要的承重構(gòu)件，其承受了由拉索傳來(lái)的巨大索力影響，其安全性能不能忽視，當(dāng)高大索塔出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫時(shí)候，人為力量是無(wú)法判斷其可靠性能，只有通過(guò)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備或者長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)的檢測(cè)索塔的工作狀態(tài)和裂縫及分布狀態(tài)才能提供預(yù)警措施。因此，為了防止突發(fā)性事故的產(chǎn)生，需要對(duì)大跨徑斜拉橋的索塔進(jìn)行及時(shí)的安全性評(píng)價(jià)。

7.2試驗(yàn)方案實(shí)施
實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選好后，進(jìn)行反力梁的制作，之后進(jìn)行鋼筋的安裝與綁扎，埋設(shè)預(yù)應(yīng)力套管、墊塊，安裝支撐邊模板，澆筑混凝土。澆筑混凝土?xí)r在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣制作混凝土試塊兩組并按規(guī)范養(yǎng)護(hù)。制作鋪設(shè)模型長(zhǎng)邊底模時(shí)要保證其支撐穩(wěn)固，確保能承受上面的鋼筋、混凝土自重及其澆筑時(shí)的振動(dòng)荷載。安裝綁扎模型四邊鋼筋；按圖7-2所示位置準(zhǔn)確埋設(shè)拉索套管、千斤頂施力墊塊，并將其與鋼筋網(wǎng)焊接，確保其混凝土澆注振動(dòng)時(shí)不會(huì)引起偏移；按施工圖布置預(yù)應(yīng)力束的套管，應(yīng)多點(diǎn)綁扎固定；然后，布置模型體內(nèi)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，妥善引出傳導(dǎo)線，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。接著安裝內(nèi)外模板，可利用預(yù)應(yīng)力束預(yù)留孔使用對(duì)拉螺桿，安置好內(nèi)外支撐；經(jīng)校核各種組件無(wú)遺漏，位置準(zhǔn)確后，組織混凝土的澆筑，精心安排混凝土備料，確保澆筑連續(xù)，不在模型任何部位留置施工冷縫。按規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。同樣在混凝土澆筑時(shí)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣制作三組試塊，同條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以備確定預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)機(jī)。

 

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第八章結(jié)論與展望

本文為了研究斜拉橋高大索塔的安全性能狀況，特此提出了基于分形理論為基礎(chǔ)的索塔安全評(píng)價(jià)模式，文中通過(guò)、索塔裂縫的信息采集技術(shù)、混凝土裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究、混凝土索塔開(kāi)裂的宏細(xì)觀數(shù)值模擬及節(jié)段模型試驗(yàn)分析展開(kāi)了研究，得到了以下主要結(jié)論：①傳統(tǒng)的裂縫監(jiān)測(cè)手段和圖像處理方法已經(jīng)不適用對(duì)于斜拉橋類(lèi)高大索塔的裂縫信息的采集與處理，本文通過(guò)研發(fā)出來(lái)的新型智能行走裝置采集高大索塔技術(shù)以及后期對(duì)所采集裂縫圖像的數(shù)值化，二值化與拼接，可以有效去噪和去除陰影，得到清晰的塔柱裂縫圖像；基于數(shù)字圖像的裂縫圖片，可以通過(guò)輪廓跟蹤和圖像標(biāo)定，并利用左右邊緣的方法有效求取裂縫寬度，將裂縫監(jiān)測(cè)信息采集及處理技術(shù)運(yùn)用到現(xiàn)有斜拉橋等高大索塔上是可行且有效的；②現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及大量的試驗(yàn)表明，混凝土材料的斷裂面都是非常不規(guī)則和粗糙的，用直線型裂紋來(lái)近似模擬精度較低。而分形理論可以作為一種有效的非線性數(shù)學(xué)工具，本文結(jié)合斷裂力學(xué)理論，推導(dǎo)了在直線型裂紋假設(shè)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋不規(guī)則擴(kuò)展假設(shè)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，研究結(jié)果表明基于分形理論計(jì)算出來(lái)的裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子比理想直線型裂紋擴(kuò)展下要小，判斷要更精確，并且裂縫不規(guī)則擴(kuò)展更接近于實(shí)際的裂縫擴(kuò)展。
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本文編號(hào)：11783