一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，特別是涉及一種預(yù)測混凝 土構(gòu)件受變幅荷載作用時剩余加載次數(shù)的模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，橋梁、道路以及近海結(jié)構(gòu)都是用混凝土材料建造的，但是，它們常常受到重 復(fù)疲勞荷載的作用。因此，這些結(jié)構(gòu)必須有足夠的抵抗能力去抵抗各種類型的疲勞荷載。既 然真實的結(jié)構(gòu)會承受變振幅疲勞荷載，那么就有必要建立一個真實的模型去精確評價在這 種荷載情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部積累的疲勞損傷。
[0003] 在實際情況中，土木工程結(jié)構(gòu)常常受到不同振幅的循環(huán)荷載。眾所周知，混凝土在 不同振幅的荷載下的疲勞特征與在常振幅荷載的特征不同。許多研究者研究了混凝土在常 振幅疲勞荷載下的特征特性。從這些研究中，表示施加的疲勞應(yīng)力和混凝土疲勞壽命的關(guān) 系，也就是S-N曲線被逐漸演化出來。
[0004] 大多數(shù)關(guān)于混凝土的疲勞研究主要集中于常振幅荷載，變振幅荷載的情況卻很少 有人關(guān)注。Miner試圖通過在常振幅疲勞荷載下得到的S-N曲線說明金屬在變振幅循環(huán)荷 載下的疲勞特征。Miner的理論假設(shè)，在任何應(yīng)力水平下的破壞部分與一個比值成線性相 關(guān)，這個比值是施加荷載的循環(huán)次數(shù)和能夠在該應(yīng)力水平下產(chǎn)生破壞的總循環(huán)次數(shù)的比。 即使這個線性理論使用起來非常簡單，但可能在破壞預(yù)測方面產(chǎn)生一些缺陷。最顯著的缺 點是不同應(yīng)力水平的施加順序的影響沒有被考慮，并且破壞被假設(shè)成一個給定的應(yīng)力水平 在相同速率下的累積，沒有考慮到過去的應(yīng)力歷史。因此，本發(fā)明提出了一種新的模型用于 預(yù)測變幅荷載下混凝土構(gòu)件的剩余疲勞加載次數(shù)的方法，方便對實際工程結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲 勞壽命的模型，更加簡單便捷的方式有效預(yù)測在變幅疲勞荷載下混凝土的疲勞壽命。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，其特征在于：利用在應(yīng)力水平S1情況 下加載Ii 1次循環(huán)時混凝土的損傷情況與在參照應(yīng)力水平S i情況下加載η ^欠循環(huán)時等價這 一基本概念；
[0008] 對于任意的i，得到與在應(yīng)力水平S1情況下加載η及循環(huán)混凝土損傷情況相等價 時混凝土在參照應(yīng)力水平S/倩況下加載的循環(huán)次數(shù)n lt，損傷等價概念用下式來表示：
[0010] 其中，nlt是在應(yīng)力水平S i情況下混凝土損傷狀況與在應(yīng)力水平S i情況下加載n i 循環(huán)混凝土損傷狀況相同時的循環(huán)次數(shù)；P為參數(shù)，可通過試驗數(shù)據(jù)的擬合獲得；
[0011] 損傷定義為：
[0013] 其中，N1指在應(yīng)力水平S /倩況下混凝土構(gòu)件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)；
[0014] N由下式得到：
[0016] 其中，PF表示破壞概率，N表示在應(yīng)力水平S情況下破壞概率為PF時混凝土 構(gòu)件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，f表示加荷頻率，λ，κ分別表示在靜態(tài)加載條件下混凝 土強度Weibull分布模型的尺寸和形狀參數(shù)，⑶ r表示臨界應(yīng)力，低于它將不會發(fā) 生破壞
〇f表示破壞應(yīng)力，巧表示靜態(tài)等效的最大應(yīng)力， ^表示靜態(tài)加載速率，&表示與加載頻率有關(guān)的參 數(shù)；
[0017] 因此，當(dāng)破壞概率已知的條件下即可得到在S情況下的疲勞壽命N。
[0018] 混凝土疲勞破壞由下式表示：
[0024] 其中，N1指在應(yīng)力水平S i情況下混凝土加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，n i指在應(yīng)力水平 S1情況下與在應(yīng)力水平S i情況下加載n lt次循環(huán)時混凝土等量損傷程度的加載循環(huán)次數(shù)， 指應(yīng)力水平；
[0025] 由此推算出混凝土剩余壽命：
[0027] 其中，nu為混凝土的剩余壽命,N1指在參照應(yīng)力水平S i情況下混凝土加載至破壞 的循環(huán)次數(shù)，Ii1指在應(yīng)力水平S1情況下的加載次數(shù)，Ii ni指在應(yīng)力水平Sni情況下的加載次數(shù)。
[0028] 有益效果：本發(fā)明提供的一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，與現(xiàn)有技術(shù) 相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：
[0029] 1.本發(fā)明適用范圍廣，不僅適用于普通的常幅疲勞加載，特別適用于變幅荷載條 件下的剩余加載次數(shù)的預(yù)測；
[0030] 2.本發(fā)明考慮了混凝土的離散型，計算結(jié)果精度高，與實際工況更吻合。
【附圖說明】
[0031] 圖1為在某一特定的加載強度條件下，破壞概率與加載次數(shù)的關(guān)系曲線，即PF~ InN ；
[0032] 圖2為在某一特定的加載強度條件下，損傷D與n/N的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0034]圖1表示在某一特定的加載強度條件下，破壞概率與加載次數(shù)的關(guān)系曲線，BP PF~InN ;圖2表示在某一特定的加載強度條件下，損傷D與n/N的關(guān)系曲線。
[0035] 本發(fā)明以一種更加簡單便捷的方式有效預(yù)測在變幅疲勞荷載下混凝土的疲勞壽 命。它利用在應(yīng)力水平S1情況下加載n i次循環(huán)時混凝土的損傷情況與在參照應(yīng)力水平S i 情況下加載Ii1次循環(huán)時等價這一基本概念。因此，對于任意的i，這里可以得到與在應(yīng)力水 平S1情況下加載n i次循環(huán)混凝土損傷情況相等價時混凝土在參照應(yīng)力水平S i情況下加載 的循環(huán)次數(shù)nlt，這個損傷等價概念可以用下式來表示：
[0037] 其中，nlt是在應(yīng)力水平S i情況下混凝土損傷狀況與在應(yīng)力水平S i情況下加載n i 循環(huán)混凝土損傷狀況相同時的循環(huán)次數(shù)。P為參數(shù)，可以通過試驗數(shù)據(jù)的擬合獲得。
[0038] 在這里，損傷可以定義為：
[0040] 其中，N1指在應(yīng)力水平S /倩況下混凝土構(gòu)件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)。
[0041] N可由下式得到：
[0043] 其中，PF表示破壞概率，N表示在應(yīng)力水平S情況下破壞概率為PF時混凝土 構(gòu)件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，f表示加荷頻率，λ，κ分別表示在靜態(tài)加載條件下混凝 土強度Weibull分布模型的尺寸和形狀參數(shù)，〇Vn/ n。表示臨界應(yīng)力，低于它將不會發(fā) 生破壞，
〇￡表示破壞應(yīng)力，表示靜態(tài)等效的最大應(yīng)力，
α = 0. 014, 表示靜態(tài)加載速率，a表示與加載頻率有關(guān)的參數(shù)。
[0044] 因此，當(dāng)破壞概率已知的條件下即可得到在S情況下的疲勞壽命N。
[0045] 混凝土疲勞破壞可由下式表示：
[0051] 其中，N1指在應(yīng)力水平S i情況下混凝土加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，n i指在應(yīng)力水平 S1情況下與在應(yīng)力水平S i情況下加載n lt次循環(huán)時混凝土等量損傷程度的加載循環(huán)次數(shù)， 指應(yīng)力水平。
[0052] 由此可以推算出混凝土剩余壽命：
[0054] 其中，nu為混凝土的剩余壽命,N1指在參照應(yīng)力水平S i情況下混凝土加載至破壞 的循環(huán)次數(shù)，Ii1指在應(yīng)力水平S1情況下的加載次數(shù)，Ii ni指在應(yīng)力水平Sni情況下的加載次數(shù)。
[0055] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，其特征在于：利用在應(yīng)力水平Si情況下 加載H1次循環(huán)時混凝土的損傷情況與在參照應(yīng)力水平Si情況下加載ni次循環(huán)時等價這一 基本概念； 對于任意的i，得到與在應(yīng)力水平S1情況下加載ni次循環(huán)混凝土損傷情況相等價時混 凝土在參照應(yīng)力水平S/倩況下加載的循環(huán)次數(shù)nlt，損傷等價概念用下式來表示：其中，nlt是在應(yīng)力水平Si情況下混凝土損傷狀況與在應(yīng)力水平Si情況下加載ni循環(huán) 混凝土損傷狀況相同時的循環(huán)次數(shù)；P為參數(shù)，可通過試驗數(shù)據(jù)的擬合獲得； 損傷定義為：其中，N1指在應(yīng)力水平S/倩況下混凝土構(gòu)件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)； N由下式得到：其中，PF表示破壞概率，N表示在應(yīng)力水平S情況下破壞概率為PF時混凝土構(gòu) 件加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，f?表示加荷頻率，X，K分別表示在靜態(tài)加載條件下混凝 土強度Weibull分布模型的尺寸和形狀參數(shù)，Gmm。表示臨界應(yīng)力，低于它將不會發(fā) 生破壞，(?!?? =lim/V->〇c〇>，Of表示破壞應(yīng)力，CXmax。表示靜態(tài)等效的最大應(yīng)力，數(shù)； 因此，當(dāng)破壞概率已知的條件下即可得到在S情況下的疲勞壽命N。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，其特征在于：混凝土 疲勞破壞由下式表示：其中，N1指在應(yīng)力水平Si情況下混凝土加載至破壞的循環(huán)次數(shù)，ni指在應(yīng)力水平S，倩 況下與在應(yīng)力水平S1情況下加載nlt次循環(huán)時混凝土等量損傷程度的加載循環(huán)次數(shù)，SpS1 均指應(yīng)力水平； 由此推算出混凝土剩余壽命：其中，riu為混凝土的剩余壽命,N1指在參照應(yīng)力水平S/倩況下混凝土加載至破壞的循 環(huán)次數(shù)，Ii1指在應(yīng)力水平Si情況下的加載次數(shù)，n"指在應(yīng)力水平S"情況下的加載次數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)測混凝土構(gòu)件剩余疲勞壽命的模型，更加簡單便捷的方式有效預(yù)測在變幅疲勞荷載下混凝土的疲勞壽命。利用在應(yīng)力水平Si情況下加載ni次循環(huán)時混凝土的損傷情況與在參照應(yīng)力水平S1情況下加載n1次循環(huán)時等價這一基本概念。對于任意的i，可以得到與在應(yīng)力水平Si情況下加載ni次循環(huán)混凝土損傷情況相等價時混凝土在參照應(yīng)力水平S1情況下加載的循環(huán)次數(shù)nit。
【IPC分類】G06F17/50, G06F19/00
【公開號】CN105046085
【申請?zhí)枴緾N201510461077
【發(fā)明人】陳徐東, 邵羽, 孫宇辰, 卜靜武
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月30日