混凝土疲劳损伤理论及重力坝疲劳寿命计算.pdf

科研 管理 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 1 2 期 DOI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 5 1 2 0 2 2 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 8 4 4 7 0 0 ) 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 ：T V 6 4 2 3 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 6 7 2 - 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 6 1 0 2 自1 9 4 9年建 国以来 ，我 国已经累计修建各 类 堤坝 8万余座，其中 1 5 m以上规模 的大坝就有近 2 万 座 ，总供 水 量 达 5 0 0 0 G m ，总灌 溉 面 积 0 5 3亿 余 h m 。大坝这种大型水工建筑在建设和使用 中 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 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 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 ， 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 坝 的疲 劳 损 伤 积 累 到 一 定 程 度 ，将 会 导 致 严 重 的安 全 事 故 。 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 。 1混凝土疲劳分析 混 凝 土大 坝疲 劳寿命 计算 是 近年 来 学者 们研 究 的热点课题 。水工建筑物发生 的疲劳断裂破坏 占其 力 学破 坏 的 7 0 左 右 ，如 果 经 常 对 疲 劳 进 行 分 析 并 主 动 采 取 加 固 措 施 ，将 减 少 3 0 的 事 故 损 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 ， 各种影响因素积年累月的作用就会使混凝土大坝出 现 疲 劳破坏 。 因此需 要利 用有 限元 法对 混 凝 土大 坝 进 行疲 劳分 析 ，图 1即 为有 限元法 的疲劳 寿命 分 析 技术 路线 。 圆 圆H 盟 圈 r = = = 一 I ，兰： ： J兰兰 ： 兰l I l 1 翌 I 卜 + 薹 暨 卜 + 重 卜 蚕 = 一 图 1 疲 劳 寿 命 分 析 技 术 路 线 混凝土是水泥、砂石料 、水 、添加剂等物质的 混合物 ，制作工艺较为复杂 ，因此混凝土硬化后的 力学性能与合成材料 、加工工艺有着很大联系。泥 浆硬化后 ，内部会出现许多孔隙和微小裂缝 ，这些 小裂缝在循环应力的长期作用下就会转换成宏观裂 作者简介 ：王海丽( 1 9 8 0年一 ) ，女 ，工程师 。 61 2 0 1 5 年第 1 2 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 裂缝 的生长 、结 合裂 缝 的分 叉 、砂 浆裂 缝 形成 、裂 缝 汇合 、宏 观裂 缝 出现 。 研究疲劳损伤之前 ，首先讨论疲劳破坏与静载 破坏 的 区别 。疲 劳破 坏 的破 坏应 力一 般 小 于材 料 的 最大极限应力 ，是局部损伤逐年累积的结果。疲劳 破坏 形成 的断 面断 口一般 较为 光滑 ，有 明显 的裂缝 源 、扩展 区和 瞬间 断裂 区 。静 载破 坏 的破 坏 应力 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。 2混凝土疲劳损伤理论 昆凝 土 疲 劳 损 伤 是 材 料 受 循 环 应 力 作 用 逐 渐 形 成 的 ， 因 此 对 混 凝 土 材 料 进 行 疲 劳 性 能 研 究 主 要 通 过 应 力 循 环 次 数 曲线 。本 文 研 究 大 坝 损 伤主要基 于线 性 疲 劳损 伤 机理 和 非线 性 疲 劳损 伤 机 理 。 线性疲劳损伤机理应用于高周损失中，主要涉 及应力幅变化问题 。当应力值超过混凝土 的疲劳极 限时就会产生损伤，损伤积累到一定程度就会出现 破 坏 。图 2给 出了线性 疲劳 损伤 的关 系 。 由图 2可 以看 出，横坐标为寿命值 ，纵坐标为应力幅值 ，混 凝土材料收到的应力 幅值逐渐降低。在应力 s 。的 作用下，混凝土对应 的寿命 为 N 。 ；在应力 s 的作 用下 ，混凝土对应的寿命为 。即应力幅值越小 ， 寿命越长。 D 1 2 1 2 图 2线性 疲 劳 下 的 寿命 应 力 曲线 图中的 E点为 A B间靠近 A的三分之一点 ，说 明此 时 的混 凝 土材 料 寿命 已经耗 费 了 1 3 ，如 果从 此时开始将其载荷变为 ： ，则混凝土材料的寿命将 为 ， 3 。说 明各 段 应 力 是 相 互 独 立 的 ，损 伤 累 积 满足线性 。经过 k次不同幅值应力作用后 ，其疲劳 方程 为 ： W =W1+ 2+ + ( 1 ) 非 线性疲 劳 积累损 伤理论 认 为不 同载荷 作用 下 的疲 劳损 伤不 能 累积 ，因 为 内部 力对 材料 的损伤 必 62 须结合各个载荷之间的相互作用。此种方法对疲劳 损伤计算效果较好 ，其疲劳寿命计算公式为 ： = ( 2 ) i 1 ( ) = U 式 中 ： 为 最大 应力 在 x方 向 的分量 ； N 为最 大 应力对应的寿命 ； o 为比例系数。 3 混凝土疲劳寿命计算 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 力 S得到其相应的寿命 。应力一 循环次数 曲线表 达 式如下 ： Ml g S +l g N =l g C ( 3 ) 式 中 ：M、C均 为 混凝 土 的疲 劳 常 数 ，通 过此 方 程 计算不 同循环应力下的疲劳寿命 ，并利用最小二乘 法 进行 拟合 ，得 出疲 劳寿命 的对 数方 程为 ： l g N =0+b l g S ( 4 ) ， g So l g 一 亡 ( g S a i) ( g N i ) D _ _一 ( 1g S 。 ) 一 ( lg S 。 ) ( 5) n l g N 一 - g S ( 6 ) 式 中 ：n表 示测 点个 数 ；N 为 第 i 次 试 验 的 最 大应 力 ；S a i 为第 i 次试验的最大寿命 。 依 据上 述 理 论 建 立 混 凝 土 重 力 坝 的 有 限元 模 型 ，设坝顶 高度 为 1 2 0 m，坝顶 宽度 为 1 0 m，坝顶 长 度为 1 6 2 0 m。其 网格划 分结 果如 图 3所 示 。 图 3重 力 坝 的 有 限 元 模 型 对 此重 力 坝 进 行 寿 命 计 算 ，首 先 在 A N S Y S软 件 中设 置疲 劳 曲线 ，然后 进入模 态 计算 单 元 ，读 入 混 凝土 重力 坝 网格 ，并依 据上述 计 ( 下转第 9 8页 )