混凝土疲劳损伤理论及重力坝疲劳寿命计算

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1、科研管理水利规划与设计2015年第12期DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2015．12．022混凝土疲劳损伤理论及重力坝疲劳寿命计算王海丽(新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700)摘要：重力坝是一种依靠自身重力维持结构稳定性的水工建筑物，一般规模巨大，承受水库压力、地震波、洪水、发电机振动等多因素共同作用。因此对混凝土大坝等水工建筑物进行损伤机理研究和疲劳寿命计算具有重要的理论意义和实际价值。研究表明，混凝土材料在结构强度满足要求时仍会发生损伤行为，这是疲劳导致的。综合国内外现有的研究进展，首先对混凝土

2、疲劳分析过程进行研究，随后分析了线性疲劳累积损伤和非线性疲劳累积损伤的机理。依据混凝土寿命模型对大坝进行疲劳寿命计算，得出了混凝土重力坝最大损伤点的位置。希望对今后大坝损伤机理研究和疲劳寿命计算提供理论依据。关键词：重力坝；损伤机理；疲劳寿命；数值模拟中图分类号：TV642．3文献标识码：A文章编号：1672-2469(2015)12—0061—02自1949年建国以来，我国已经累计修建各类各种影响因素积年累月的作用就会使混凝土大坝出堤坝8万余座，其中15m以上规模的大坝就有近2现疲劳破坏。因此需要利用有限元法对混凝土大坝万座，总供水量达5000Gm

3、，总灌溉面积0．53亿进行疲劳分析，图1即为有限元法的疲劳寿命分析余hm⋯。大坝这种大型水工建筑在建设和使用中技术路线。受到多方面不安全因素影响，如：水位、地质情况、工程设计、老化、地震波、温度等。由于混凝圆土大坝结构十分复杂，单凭人为观测很难获得其最大疲劳点的分布情况，目前一般采取动力学监圆H盟圈测的方法获得其损伤分布。研究表明，混凝土材料在结构强度满足要求时仍会发生损伤行为，r===一I，兰：：J兰兰：兰l—这是疲劳导致的旧。所谓疲劳就是指某些点在承受外界循环扰动的作用力后出现裂缝或者断裂的现象。疲劳破坏是不可逆的，当混凝土大I1翌lI坝的疲劳损

4、伤积累到一定程度，将会导致严重的安全事故。卜+薹暨卜+重卜—蚕因此对混凝土大坝等水工建筑物进行损伤机理研究和疲劳寿命计算具有重要的理论意义和实际==]一价值。图1疲劳寿命分析技术路线1混凝土疲劳分析混凝土是水泥、砂石料、水、添加剂等物质的混凝土大坝疲劳寿命计算是近年来学者们研究混合物，制作工艺较为复杂，因此混凝土硬化后的的热点课题。水工建筑物发生的疲劳断裂破坏占其力学性能与合成材料、加工工艺有着很大联系。泥力学破坏的70％左右，如果经常对疲劳进行分析浆硬化后，内部会出现许多孔隙和微小裂缝，这些并主动采取加固措施，将减少30％的事故损小裂缝在循环应力的

5、长期作用下就会转换成宏观裂失。混凝土大坝在风、地震波、温度、水压力等多种载荷作用下，内部应力场会逐渐发生变化，作者简介：王海丽(1980年一)，女，工程师。·61·2015年第12期水利规划与设计科研管理缝。其生长过程如下：初始结合裂缝的出现、结合须结合各个载荷之间的相互作用。此种方法对疲劳裂缝的生长、结合裂缝的分叉、砂浆裂缝形成、裂损伤计算效果较好，其疲劳寿命计算公式为：缝汇合、宏观裂缝出现。ⅣⅣ=—(2)研究疲劳损伤之前，首先讨论疲劳破坏与静载()U⋯破坏的区别。疲劳破坏的破坏应力一般小于材料的i=1最大极限应力，是局部损伤逐年累积的结果。疲劳式

6、中：⋯为最大应力在x方向的分量；N⋯为最大破坏形成的断面断口一般较为光滑，有明显的裂缝应力对应的寿命；o为比例系数。源、扩展区和瞬间断裂区。静载破坏的破坏应力3混凝土疲劳寿命计算一般大于混凝土的最大极限应力，静载破坏在瞬间发生，断口粗糙无明显腐蚀痕迹。混凝土材料疲劳性能的应力一循环次数曲线一般通过实验获得，通过对混凝土材料施加不同的应2混凝土疲劳损伤理论力S得到其相应的寿命Ⅳ。应力一循环次数曲线表}昆凝土疲劳损伤是材料受循环应力作用逐渐达式如下：形成的，因此对混凝土材料进行疲劳性能研究MlgS+lgN=lgC(3)主要通过应力．循环次数曲线。本文研究

7、大坝损式中：M、C均为混凝土的疲劳常数，通过此方程伤主要基于线性疲劳损伤机理和非线性疲劳损计算不同循环应力下的疲劳寿命，并利用最小二乘伤机理。法进行拟合，得出疲劳寿命的对数方程为：线性疲劳损伤机理应用于高周损失中，主要涉lgN=0+blgS(4)及应力幅变化问题。当应力值超过混凝土的疲劳极gSo~lgⅣ一亡(gSai)(gNi)限时就会产生损伤，损伤积累到一定程度就会出现，D——__——————__——■一破坏。图2给出了线性疲劳损伤的关系。由图2可∑(1gS。)一÷(∑lgS。)以看出，横坐标为寿命值，纵坐标为应力幅值，混(5)凝土材料收到的应力幅

8、值逐渐降低。在应力s。的作用下，混凝土对应的寿命为N。；在应力s的作nlgN一-gS(6)用下，混凝土对应的