基于损伤理论的混凝土结构超载耐久性评估方法

　　1.13混凝土一般耐久性损伤演化模型
　　混凝土一般耐久性损伤机本构关系，主要为损伤变量与应变的关系方程，为了实现混凝土耐久性寿命的预测，需要建立混凝土的损伤演化模型，即损伤变量与使用时间的关系方程。
　　由于混凝土材料细观层次上的多相性和不均匀性造成的固有的离散性，加上由于施工等外部因素造成的离散性，使得混凝土的耐久性寿命具有很大的离散性，只有用概率的方法对混凝土的耐久性累积损伤进行描述，才能真正从宏观角度刻划混凝土的破坏机理和固有的离散性。目前，常用的寿命、强度概率分布模型有对数正态分布和三参数Weibull分布。本文将采用三参数Weibull分布对混凝土耐久性寿命进行分析，建立混凝土一般耐久性损伤演化的三参数Weibull分布模型。
　　三参数Weibull损伤演化方程为：
　　 
　　 (2)
　　1.2基于可靠度的混凝土一般耐久性寿命预测
　　由于假定混凝土内部单元点的失效与时间之间服从Weibull分布。对于一般大体积混凝土而言，可认为其内部各单元的失效满足同一Weibull分布，即假设混凝土内部只受到均匀损伤，，混凝土的失效函数为：
　　
　　(3)
　　相应的概率密度函数为：
　　
　　(4)
　　对于已经安全使用年的混凝土，其使用寿命的失效概率为一条件概率：
　　 
　　 (5)
　　式中，和分别为混凝土在和时间段的可靠度。由此可得到混凝土使用寿命密度函数和继续使用期内结构的可靠度为：
　　
　　 (6)
　　
　　 (7)
　　使用了年的既有混凝土的剩余使用寿命预测可按以下步骤进行：
　　(1) 通过室内快速模拟试验或现场监测得到t-数据，从而得到混凝土寿命的失效函数；
　　(2) 计算当前状态下失效概率，并验算是否大于失效概率限值；
　　(3) 通过逐步叠加搜索的原理，确定合理的步长，计算结构的动态失效概率；
　　(4) 当动态失效概率小于失效概率限值时，所求出的即为结构的剩余使用寿命。
　　《民用建筑可靠度鉴定标准》（GB50292－1999）认为，在役结构的动态可靠指标小于0.85时，结构或构件不满足安全性和使用功能要求，需采取一定处理措施后才能继续使用，其中，为《工程结构可靠度设计同一标准》（GB50068－2001）中给出的设计基准期内的目标可靠指标。因此，可以将作为结构寿命终止标志，表1根据《工程结构可靠度设计同一标准》（GB50068－2001）中设计基准值期内的目标可靠性指标的取值给出了安全耐久性可靠指标的下限及其对应的失效概率。
　　4混凝土结构超载随机损伤预测模型研究
　　桥梁结构在超载作用下，会发生疲劳损伤。疲劳是一种十分复杂的破坏现象，它受构件尺寸、形状、环境、加载频率等许多因素的影响，是一种还没有完全了解的现象。关于混凝土的疲劳损伤理论，国内外大批学者及工程人员进行了各种深入的探讨，采用不同的工具及手段提出了一些以不同参量为衡量指标的损伤演变方程来描述损伤的变化规律。
　　目前实际工程中采用的最多的是Palmgren-Miner线性累积损伤理论，这也是英国桥梁规范BS5400所建议的累积疲劳寿命评估理论。Palmgren—Miner法假定：
　　1．低于疲劳极限的应力不导致损伤；
　　2．大小不同荷载的加载顺序对疲劳累积损伤没有影响：
　　3．平均应力的影响可以用恒疲劳寿命图修正。
　　预应力混凝土桥梁的疲劳寿命由钢筋和混凝土这两个元件的疲劳寿命控制。
　　预应力钢筋的疲劳损伤度为[5]：
　　
　　 (8)
　　式中：为预应力钢筋在应力水平下所经历的循环次数，由桥梁中预应力钢筋的应力历程曲线确定；为预应力钢筋在应力水平下疲劳的能力，由预应力钢筋试件疲劳试验确定。
　　混凝土的疲劳损伤度为[6]：
　　
　　 (9)
　　式中：为混凝土在应力水平下所经历的循环次数，由桥梁中上缘混凝土的应力历程曲线；混凝土在应力水平下抗疲劳的能力，由混凝土试件疲劳试验确定。
　　预应力混凝土桥梁为混凝土和钢筋组合起来的结构，无论是混凝土还是钢筋，只要其中一种材料达到临界状态，都会对桥梁产生致命影响，因此，预应力混凝土桥梁的疲劳损伤度为
　　混凝土结构在超载作用下的损伤本构关系，应将混凝土在超载作用的损伤本构与混凝土一般耐久性随机损伤本构关系结合起来，最简单的结合理论是假定混凝土在超载作用下的损伤本构与混凝土一般耐久性随机损伤本构不相关。则混凝土结构在超载作用下的随机损伤本构可以描述为：
　　
　　(10)
　　混凝土在超载作用下的随机损伤预测模型与混凝土一般耐久性损伤预测模型一致。
　　2结语
　　针对混凝土耐久性研究和寿命预测中存在的问题和不足，文中避开混凝土具体的失效机理研究，建立适用于超载情况下的混凝土耐久性预测模型。模型的建立有待通过进一步的实验来验证。
　　
　　参考文献
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　　[2]张誉，蒋利学，张伟平.混凝土结构耐久性概论[M].上海：上海科学技术出版社，2003.
　　[3]张誉.结构耐久性研究的展望[M].南京：东南大学出版社，1998.
　　[4]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社，2003.
　　[5]赵亚敏.超载运输对钢筋混凝土桥梁疲劳性能的影响研究[D].南京：中南大学，2007.
　　[6]李剑，孙建渊.超载对大型公路桥梁结构的损伤评估及诊断方法研究[D].重庆交通学院学报，2006.12(6)：19-21.

《基于损伤理论的混凝土结构超载耐久性评估方法》

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