發(fā)布時間：2015-02-02 10:49

 

【摘要】 最近幾十年，斜拉橋在我國取得了飛速的發(fā)展，其中混凝土斜拉橋占據較大比重。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，據不完全統(tǒng)計，全國有75%的索塔發(fā)生開裂現象，嚴重影響斜拉橋的壽命甚至威脅人們的生命安全，因而索塔開裂的行為引起越來越多研究人員的關注。本文引入分形損傷理論對斜拉橋高大索塔進行安全性評價，提出了基于裂縫分布狀態(tài)的高大索塔安全狀態(tài)評價模式。通過理論分析、模型試驗與數值模擬方法，分別從宏觀和細觀的角度，研究了裂縫的開裂、擴展及結構破壞過程，建立了一套以分形損傷為理論支撐的用于評價索塔開裂后安全狀態(tài)的新方法，研究了索塔開裂后裂縫分布分形維數與荷載等級之間的關系，為后期實橋應用提供了理論與實踐指導。本文的主要研究內容和結論如下：①在研究智能移動視頻掃描裝置監(jiān)測高大塔柱裂縫技術的基礎上，針對各種濾波算法適用范圍和裂縫圖像特點的研究，提出中值濾波法，將進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、裂縫矢量化技術及裂縫圖像模擬重現技術，實現了裂縫監(jiān)測信息處理。②把三維裂縫求解問題轉換為兩個平面的裂縫求解問題，即等效成一個無限大板中心裂紋受到無窮遠處的單向拉伸力作用和一個無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算裂縫寬度與深度的關系，推導了裂縫深度的計算公式，為研究三維裂縫問題提供了新思路；根據裂紋分形模型建立混凝土開展裂縫的應力強度因子表達式，結合斷裂力學理論，推導了應力強度因子在直線型裂紋和裂紋不規(guī)則擴展這兩種假設下的關系。③根據斜拉橋索塔的特點，基于子模型技術，采用FRANC3D軟件，模擬了索塔裂縫的萌生以及擴展的過程，并計算了索塔結構的應力強度因子與分形維數之間的關系、分形維數與荷載等級之間的關系；建立weibull隨機概率分布與材料裂縫分布之間的關系，結合斷裂損傷力學與分形理論來評價混凝土索塔表面開裂的嚴重程度。④建立了基于離散元的顆粒流微觀數值模型，采用Fish語言編寫程序，模擬混凝土材料的細觀破壞過程，并選取了三種不同半徑、不同數量團簇研究混凝土開裂性能，當團簇數量越多，對材料性質的提高越顯著；當團簇半徑越大、結構體系越穩(wěn)定，則性質增強效果好。團簇材料的破損機理在于隨著團簇半徑的增加，基質所占比例減小，基質中更容易產生微裂紋，結構表面更容易破壞。⑤基于多尺度均勻化理論，采用有限元法建立了混凝土細觀-宏觀等效力學性能的多尺度模型，并以索塔表面為例建立有限元模型，對混凝土材料的宏觀整體與細觀局部化效應進行分析。⑥完成了索塔節(jié)段試驗模型，驗證了上述理論和方法的可靠性，研究了索塔開裂后裂縫分布分形維數與荷載等級之間的關系，為后期實橋應用提供了理論與試驗基礎。 

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)受到橋梁設計師的青睞�，F階段國內外已建或者在建跨徑超過的斜拉橋座，其中中國占據了六個席位，中國于年建成了在當時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圍環(huán)境也復雜，橋梁在運營若干年后出現裂縫后安全性能受到影響，而且橋梁還要承受風、雨、地震等自然災害的襲擊。索塔是斜拉橋主要承重構件，它承受了斜拉索傳遞來的巨大索力，其安全性能至關重要，當前階段橋梁超載現象非常之嚴重，當混凝土多年后出現老化、腐蝕等現象后，索塔的安全性受到嚴重影響，甚至有可能導致橋梁的垮塌，以及隨著跨徑和塔高的增加。上述的自然風險和材料本身原因對斜拉橋的危害將會增多，近幾年橋梁垮塌事故的發(fā)生，掠奪了無辜人的生命，導致了巨大經濟損失，阻礙了交通的發(fā)展，并影響著社會和諧與穩(wěn)定。表列出國內外橋梁倒塌實例。
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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研究

2.1分形損傷力學的概述
斷裂力學是以固體中所存在宏觀斷裂為前提的，主要是通過對裂紋周圍的應力、應變分析，著重解決材料的失效問題。但是像混凝土這樣的脆性材料結構，在宏觀裂紋出現之前，已產生了微觀裂紋。出現和擴展稱為損傷。宏觀裂紋出現之前，損傷已經影響了材料與結構的強度與壽命，損傷力學是近幾十年逐漸發(fā)展完善起來的學科。材料的最終宏觀斷裂破壞與其內部微裂隙的發(fā)育和集聚有著密切的聯系，有關學者做了大量的實驗分析。研究表明在比例加載下，無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間是以一個時空函數的相似比變化的。

2.2分形與斷裂概述
現實中很多材料的變形與破壞問題涉及到時間尺度和長度尺度的影響，其中許多發(fā)生在非平衡條件下的非線性過程。大量的工作是針對均勻介質中平直裂紋尖端的擴展，而實際材料是非均勻的，裂紋幾何形狀往往很復雜和非規(guī)則的。近幾年來，隨著非線性科學的發(fā)展，分形、符號動力學、小波分析已廣泛應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展路徑和材料的破碎，，甚至是能量的耗散。當考慮裂紋擴展的不規(guī)則性，可以建立一系列的裂紋擴展的分形模型，以更好地描述在動、靜載荷下裂紋的擴展規(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上看地球表面的山川河流一樣。當在斷裂表面利用真空鍍膜技術鍍上一層鎳，然后平行于斷面平面用細砂紙磨去一層并拋光。則凸出的部分被磨去之后在光學顯微鏡下觀察發(fā)亮，稱之為“島”。而沒有磨到的區(qū)域會發(fā)暗，稱之為“湖”。這樣斷裂平面的粗糙程度就轉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..........47
3.1混凝土結構裂縫的基本類型......47
第四章混凝土索塔宏觀開裂數值模擬研究.......70
4.1有限元分析理論.......70
第五章混凝土索塔裂縫的細觀離散元數值模擬研究.........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)段開裂模型試驗研究

7.1索塔縮尺模型試驗簡介
本試驗以大沖橋的索塔節(jié)段縮尺模型試驗為研究對象，目的主要是驗證分形理論用于評價索塔安全性能的合理性問題，通過理論分析、有限元模擬與現場實驗模型相結合的手段，研究索塔錨固區(qū)的開裂后裂縫分布狀態(tài)關系，提出應用分形維數評價高大索塔安全性能的方法，為今后高大索塔開裂后的安全性評價提供理論指導。斜拉橋索塔是主要的承重構件，其承受了由拉索傳來的巨大索力影響，其安全性能不能忽視，當高大索塔出現結構性裂縫時候，人為力量是無法判斷其可靠性能，只有通過智能監(jiān)測設備或者長期健康監(jiān)測系統(tǒng)來實時的檢測索塔的工作狀態(tài)和裂縫及分布狀態(tài)才能提供預警措施。因此，為了防止突發(fā)性事故的產生，需要對大跨徑斜拉橋的索塔進行及時的安全性評價。

7.2試驗方案實施
實驗場地選好后，進行反力梁的制作，之后進行鋼筋的安裝與綁扎，埋設預應力套管、墊塊，安裝支撐邊模板，澆筑混凝土。澆筑混凝土時在現場隨機取樣制作混凝土試塊兩組并按規(guī)范養(yǎng)護。制作鋪設模型長邊底模時要保證其支撐穩(wěn)固，確保能承受上面的鋼筋、混凝土自重及其澆筑時的振動荷載。安裝綁扎模型四邊鋼筋；按圖7-2所示位置準確埋設拉索套管、千斤頂施力墊塊，并將其與鋼筋網焊接，確保其混凝土澆注振動時不會引起偏移；按施工圖布置預應力束的套管，應多點綁扎固定；然后，布置模型體內應變測點，妥善引出傳導線，采取相應的保護措施。接著安裝內外模板，可利用預應力束預留孔使用對拉螺桿，安置好內外支撐；經校核各種組件無遺漏，位置準確后，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)范要求進行養(yǎng)護。同樣在混凝土澆筑時現場隨機取樣制作三組試塊，同條件進行養(yǎng)護，以備確定預應力束張拉時機。

 

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第八章結論與展望

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的索塔安全評價模式，文中通過、索塔裂縫的信息采集技術、混凝土裂縫擴展規(guī)律研究、混凝土索塔開裂的宏細觀數值模擬及節(jié)段模型試驗分析展開了研究，得到了以下主要結論：①傳統(tǒng)的裂縫監(jiān)測手段和圖像處理方法已經不適用對于斜拉橋類高大索塔的裂縫信息的采集與處理，本文通過研發(fā)出來的新型智能行走裝置采集高大索塔技術以及后期對所采集裂縫圖像的數值化，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；基于數字圖像的裂縫圖片，可以通過輪廓跟蹤和圖像標定，并利用左右邊緣的方法有效求取裂縫寬度，將裂縫監(jiān)測信息采集及處理技術運用到現有斜拉橋等高大索塔上是可行且有效的；②現場實測以及大量的試驗表明，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學工具，本文結合斷裂力學理論，推導了在直線型裂紋假設下的應力強度因子與裂紋不規(guī)則擴展假設下的應力強度因子的關系，研究結果表明基于分形理論計算出來的裂縫應力強度因子比理想直線型裂紋擴展下要小，判斷要更精確，并且裂縫不規(guī)則擴展更接近于實際的裂縫擴展。
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本文編號：11783