振幅影响隧道混凝土累积损伤特征的试验研究.pdf
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1、第 13卷 第 6 期 2016年6 月 铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering Volume 13 Number 6 June 2016 振幅影响隧道混凝土累积损伤 特征的试验研究 彭立敏, 刘宁,施成华彭立敏, 刘宁,施成华 (中南大学土木工程学院, 湖南长沙410075) 摘 要 : 重栽列车轴重的增加导致振动幅值的提高, 进而引起隧底结构损伤破坏的发生。针对仰拱混凝土累积损伤方面研 究的不足且未引入隧道设计规范中, 基于Helmholtz自由能理论体系, 开展用于描述循环荷栽引起仰拱混凝土累积损伤特 征计算模型的研究。为
2、了验证累积损伤模型并获取满足隧底力学环境的混凝土损伤计算方法, 进行静栽与循环荷栽耦合 环境中不同振动幅值作用下仰拱混凝土的试验研究。实验数据及数值计算结果表明: 混凝土损伤演化曲线可以分为3 3 个 阶段:初期增长阶段、 稳定增长阶段和快速发展阶段。通过对不同阶段混凝土损伤演化趋势的非线性拟合分析, 给出能够 引发混凝土损伤破坏的静栽水平和不同阶段损伤演化趋势的定量表达式。通过数值计算与试验结果对比分析, 得到混凝 土试件损伤主要分布在中间受拉区域, 底部损伤值相对较大并最终发生破坏。初始阶段损伤首先发生在混凝土试块中底 部, 混凝土损伤由试件下部逐渐向上逐渐发展。 关键词: 累积损伤模型;
3、 仰拱混凝土; 循环荷栽; 振动幅值 中图分类号:U25 5 文献标志码:A 文章编号: 161672 2 -70 029 9(2016)06 -1091 -09016)06 -1091 -09 Experimental study on dynamic amplitudes for cumulate damage characteristics of tunnel invert concrete PENG Limin, , LIUNing, , SHI Chenghua (School of Civil Engineering , Central South University , Cha
4、ngsha 410075 , China) Abstract : : The growth of train axle load has led to an increase in dynamic loading enhancing their cumulate dam age impact in the base structure of tunnel. . However , , the relevant theories research on dynamic performance and accumulate damage behavior are still limited and
5、 not included in current design codes. . Based on the framework of Helmholtz free energy theory , , this work presents a accumulate damage mode for describing the damage behav ior of invert concrete due to cyclic load in tunnel environments. . In order to verfy the damage model and get the damage ca
6、lculating method , , a number of invert concrete tests under different vibration amplitudes combined were presented. . The test data and numercal computing results show that the damage process is divided into three sta ges , initial growth stage I , , slow growth stage II , , and rapid growth stage
7、III. . This thesis analyzed the different sta ges in the damage process by fitting the nonlinear damage equation. . Moreover , , the crtical static load level cau sing the failure of the specimen and the quantitative expression of the damage process is obtained. . Through com parisons of the calcula
8、tion results and the test results , , damage are mainly distributed in the middle area , , and the major maxes of damage appears around the bottom of specimen , , eventually leading to destroy concrete. . The evo lution of initial damages appeared first at the bottom centre of specimen and new damag
9、es is forming upward pro- - 收稿日期=2016-01 -19 基金项目:国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划( 973计划)项目( 2011CB013802);国 家 自 然 科 学 基 金 煤 炭 联 合 基 金 资 助 项 目( U1361204);国 家 自 然科学基金资助项目( 5127494) 通讯作者:彭 立 敏 (9 5 -), 男, 湖南禮县人, 教授, 从 事 隧 道 与 地 下 工 程 方 面 的 研 究 ;E - mail: lmpengmail. csu. edu. cn 1092 铁 道 科 学 与 工 程 学 报2016年 6
10、月 gressively. . Key words : : cumulate damage mode; ; invert concrete; ; cyclic load; ; vibration amplitudes 随着全球经济的快速融合和地区间经济的发随着全球经济的快速融合和地区间经济的发 展, 重载铁路运输将成为铁路发展的重要方向1,展, 重载铁路运输将成为铁路发展的重要方向1, 并通过增加货运列车轴重和长度以满足货运需求。并通过增加货运列车轴重和长度以满足货运需求。 在大重量、 高密度的运营条件下, 使轨下基础承受在大重量、 高密度的运营条件下, 使轨下基础承受 更大的振动荷载, 使得
11、线路状态和轨道结构及底部更大的振动荷载, 使得线路状态和轨道结构及底部 结构破坏特征较传统线路变化明显24。隧道底结构破坏特征较传统线路变化明显24。隧道底 部结构承受围岩压力和列车振动荷载的作用, 然而部结构承受围岩压力和列车振动荷载的作用, 然而 轴重的提高直接引起动载幅值的增大, 当动载幅值轴重的提高直接引起动载幅值的增大, 当动载幅值 并达到一定量值, 进而产生隧底结构累积损伤。隧并达到一定量值, 进而产生隧底结构累积损伤。隧 底结构的受力状态直接影响到整个隧道结构的安底结构的受力状态直接影响到整个隧道结构的安 全稳定4_5。基于连续损伤力学, 国内外学者建立全稳定4_5。基于连续损伤
12、力学, 国内外学者建立 了多种考虑静载及动载作用混凝土损伤模型6,了多种考虑静载及动载作用混凝土损伤模型6, 用于描述静载及动载引起混凝土损伤的研究未考用于描述静载及动载引起混凝土损伤的研究未考 虑不同动载幅值影响, 并且对于混凝土构件损伤特虑不同动载幅值影响, 并且对于混凝土构件损伤特 征的一般仅给出经验公式。在早期有学者, 主要通征的一般仅给出经验公式。在早期有学者, 主要通 过试验得到疲劳寿命曲线, 并得到广泛应用。然而过试验得到疲劳寿命曲线, 并得到广泛应用。然而 上述模型不能很好地表征静载和动载耦合作用下上述模型不能很好地表征静载和动载耦合作用下 隧底结构混凝土的累积损伤规律。隧底结
13、构混凝土的累积损伤规律。H s等进行了等进行了 循环荷载作用下混凝土单轴拉压试验研究。提出循环荷载作用下混凝土单轴拉压试验研究。提出 了疲劳寿命曲线并加以改进, 并进行了损伤量与物了疲劳寿命曲线并加以改进, 并进行了损伤量与物 理量之间的关系的探讨。然而, 上述研究经验模型理量之间的关系的探讨。然而, 上述研究经验模型 不能准确的描述混凝土损伤寿命预测和损伤的整不能准确的描述混凝土损伤寿命预测和损伤的整 个过程。试验采用机电阻抗探测技术, 通过结构表个过程。试验采用机电阻抗探测技术, 通过结构表 面压电陶瓷片的黏贴可以进行损伤探测、 强度预面压电陶瓷片的黏贴可以进行损伤探测、 强度预 测、 损
14、伤评估及其健康检测7 。对于结构健康检测、 损伤评估及其健康检测7 。对于结构健康检 测 , 通过陶瓷压电片获取的主要的损伤指标, 损伤测 , 通过陶瓷压电片获取的主要的损伤指标, 损伤 的变化能够较好的得到和量化。混凝土损伤监测的变化能够较好的得到和量化。混凝土损伤监测 新的方法解决了动载作用全过程损伤探测与采集新的方法解决了动载作用全过程损伤探测与采集 的问题9。本文首先建立用于描述混凝土累积损的问题9。本文首先建立用于描述混凝土累积损 伤特征的计算模型, 并进行模拟隧底力学环境条件伤特征的计算模型, 并进行模拟隧底力学环境条件 不同动载幅值作用混凝土试验。通过试验数据及不同动载幅值作用混
15、凝土试验。通过试验数据及 数值计算验证累积损伤计算模型, 并对仰拱混凝土数值计算验证累积损伤计算模型, 并对仰拱混凝土 累积损伤演化规律、 分布特征及发展规律进行分累积损伤演化规律、 分布特征及发展规律进行分 析, 给出满足隧底力学环境条件混凝土损伤计算析, 给出满足隧底力学环境条件混凝土损伤计算 方法。方法。 1累积损伤模型 1 . 1 损伤变量和有效变量的描述1 . 1 损伤变量和有效变量的描述 损伤变量是对混凝土内部微观变化的宏观物损伤变量是对混凝土内部微观变化的宏观物 理量的表征, 用于描述循环荷载作用下混凝土内部理量的表征, 用于描述循环荷载作用下混凝土内部 微观缺陷及裂隙发展。 如
16、图1所示长方体混凝土试微观缺陷及裂隙发展。 如图1所示长方体混凝土试 件主要受竖向荷载和纵向荷载件主要受竖向荷载和纵向荷载P, 其剖面用4 表, 其剖面用4 表 示 , 损伤部分用, 表示, 有效面积为示 , 损伤部分用, 表示, 有效面积为I。 图1试件损伤示意图 Fig. 1 Representative volume element 损 伤 变 量损 伤 变 量d的 定 义 和 4 的比值如下的 定 义 和 4 的比值如下 所示10:所示10: 4 - 4 4 - 4 4 4 T 式中: 为 立 方 体 剖 面 为 损 伤 部 分 ; 为有效面式中: 为 立 方 体 剖 面 为 损 伤
17、部 分 ; 为有效面 积。积。 在连续损伤力学中, 通常有效应力定义描述混在连续损伤力学中, 通常有效应力定义描述混 凝土无损部分材料的应力, 一般主应力为整个混凝凝土无损部分材料的应力, 一般主应力为整个混凝 土面上的宏观定义。有效应力和一般主应力与上土面上的宏观定义。有效应力和一般主应力与上 述应力有类似表达11, 所有变量表达如下:述应力有类似表达11, 所有变量表达如下: 珘= (1 珘= (1 - D ) ay R = - - (3)- - (3) -) -) 式中:上标为有效变量, 对应材料的无损部分式中:上标为有效变量, 对应材料的无损部分; Y 为塑性硬化常量;为塑性硬化常量;
18、R为共轭力;为共轭力;a为材料参数。为为材料参数。为 了表示材料刚度退化和损伤变量之间的非线性关了表示材料刚度退化和损伤变量之间的非线性关 系, 参数系, 参数a取值为1。取值为1。 根据一般胡克定律, 可以将损伤弹性模量和有根据一般胡克定律, 可以将损伤弹性模量和有 效弹性模型进行如下定义:效弹性模型进行如下定义: E = (1 - = (1 - D) 2aE,Q = (1 - = (1 - D) 2aQ ) ) 式中: 为有效弹性模量; 为硬化模量。式中: 为有效弹性模量; 为硬化模量。 1 . 2 混凝土损伤模型1 . 2 混凝土损伤模型 本研究采用的损伤模型为本研究采用的损伤模型为He
19、lmholtz各向同性各向同性 标量模型, 并参考了 标量模型, 并参考了 Saanouni - - Forster - - Hatira损损 伤模型提出的“ 总自由能等效原理” , 主要描述材伤模型提出的“ 总自由能等效原理” , 主要描述材 料损伤变化过程中损伤演化及性能退化的非线性料损伤变化过程中损伤演化及性能退化的非线性 关系。关系。 少(,, ,)= + *少(,, ,)= + *Ap( (k, d ), d ) 式中:为材料未损伤部分的自由能;为材料式中:为材料未损伤部分的自由能;为材料 损伤部分自由能;损伤部分自由能;K为拉力或压力累积塑性应变变为拉力或压力累积塑性应变变 第 6
20、 期彭立敏, 等:振幅影响隧道混凝土累积损伤特征的试验研究 1093 里里 混凝土损伤变量描述了内部裂纹扩展和损伤混凝土损伤变量描述了内部裂纹扩展和损伤 増量増加的过程, 并参考了 増量増加的过程, 并参考了 Saanouni - - Forster - - Hatira模型12, 给出了具体自由能方程表达式模型12, 给出了具体自由能方程表达式 如下:如下: pp = = 2x(trse) +/x(se:se) + 式中:式中:A和均为无损材料的和均为无损材料的Lame常数,常数,p为自由为自由 能密度参数, 从而得到应力应变的关系如下:能密度参数, 从而得到应力应变的关系如下: a - -
21、A( (trse)/ + 2 / , *)/ + 2 / , * 6 (7)(7) 式中:式中:A和均为含损伤材料的和均为含损伤材料的Lame常数, 且有:常数, 且有: A - ( (1 -D)A, - ( (1 - D)/jb ( (8) ) 根据由能量释放率表征的损伤驱动力的损伤根据由能量释放率表征的损伤驱动力的损伤 演化方程为:演化方程为: Y - (1 - D)2a-、e:E : ( (9) ) 损伤的判断准则表示为定义在损伤屈服面内损伤的判断准则表示为定义在损伤屈服面内 的损伤演化规律, 具体损伤屈服函数如下3:的损伤演化规律, 具体损伤屈服函数如下3: f(Y,D)=槡n -K(
22、D) 0 (10) ) 式中:变量式中:变量 f Y Y) );损伤阀值表示为损伤阀值表示为a -0. 26-0. 26Px (1 0. 004 (1 0. 004F) ; 和 ) ; 和 P 为材料参数。 为材料参数。 依据混凝土试验, 给出了循环荷载作用下损伤依据混凝土试验, 给出了循环荷载作用下损伤 演化规律, 损伤值主要受动拉应力影响。为了得到演化规律, 损伤值主要受动拉应力影响。为了得到 损伤演化规律, 给出了如下损伤加载条件:损伤演化规律, 给出了如下损伤加载条件: 1 ) 扒1 ) 扒YyD ): 0,表示/(D ): 0,表示/(y,d) 在损伤面上) 在损伤面上 并开始发生损
23、伤, 在 损 伤面外混凝土损伤率并开始发生损伤, 在 损 伤面外混凝土损伤率D 0 。 0 。 2) (2) (YD) : 矣0 , , 表示/() : 矣0 , , 表示/(Y,D) 在损伤面) 在损伤面 内, 混凝土没有损伤发展且损伤率内, 混凝土没有损伤发展且损伤率D - 0 。 - 0 。 1 . 3 扩展到损伤累积1 . 3 扩展到损伤累积 基于连续损伤力学, 建立累积损伤预测方法,基于连续损伤力学, 建立累积损伤预测方法, 并进行混凝土损伤演化规律的研究。建立了损伤并进行混凝土损伤演化规律的研究。建立了损伤 变量与循环次数间的关系描述混凝土累积损伤发变量与循环次数间的关系描述混凝土
24、累积损伤发 展过程, 混凝土累积损伤变量需要满足以下条件:展过程, 混凝土累积损伤变量需要满足以下条件: 1) 初始条件下单次循环荷载作用混凝土的损1) 初始条件下单次循环荷载作用混凝土的损 伤变量的确定;伤变量的确定; 2) 循环荷载作用下每个循环次数所对应混凝2) 循环荷载作用下每个循环次数所对应混凝 土的损伤变量值;土的损伤变量值; 3) 满足混凝土破坏条件的损伤阀值。3) 满足混凝土破坏条件的损伤阀值。 通过损伤演化方程表达损伤变化率的非线性通过损伤演化方程表达损伤变化率的非线性 特征, 具体特征, 具体D的演化方程如下14:的演化方程如下14: 式中:式中:ApD为损伤乘子;为损伤乘
25、子;FD 为损伤势函数具体表达D 为损伤势函数具体表达 式如下23:式如下23: FpD ,+ 士 妒 + i广 工 广 (2)广 工 广 (2) (1 (1 -D) )J L 5 5 J 式中:式中:a,和小为模型参数。,和小为模型参数。 将公式( 9)和公式( 12)代人公式( 11)可以将公式( 9)和公式( 12)代人公式( 11)可以 得到:得到: D ry r 1 . 1 . eg a eg ySm(1 - (1 - D) (13)(13) 式中:Z = ( 2式中:Z = ( 2EM 1 ; ( - 2 5 0 + , ,。 ,5 1 ; ( - 2 5 0 + , ,。 ,5
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- 关 键 词:
- 振幅 影响 隧道 混凝土 累积 损伤 特征 试验 研究
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