本發(fā)明涉及一種混凝土疲勞損傷分析方法，具體來說，是涉及一種基于細宏觀動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力監(jiān)測的混凝土疲勞損傷分析方法。

背景技術(shù)：

混凝土結(jié)構(gòu)向輕質(zhì)高強方向發(fā)展，而現(xiàn)行的極限狀態(tài)設(shè)計理論傾向于充分利用材料強度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的許多構(gòu)件處于高應(yīng)力狀態(tài)，且工作應(yīng)力變幅越來越接近疲勞應(yīng)力幅，造成工程中普遍存在的混凝土疲勞問題。疲勞荷載下混凝土材料、構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)整體抗力衰減將引起結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護成本顯著增加，甚至導(dǎo)致無明顯預(yù)兆的結(jié)構(gòu)突然失效或破壞，造成嚴重社會影響。開展混凝土疲勞損傷監(jiān)測具有重要意義。

現(xiàn)有理論與試驗研究只能實現(xiàn)對單向混凝土應(yīng)力或應(yīng)變的監(jiān)測，無法有效反映服役結(jié)構(gòu)混凝土疲勞問題的復(fù)雜應(yīng)力作用、隨機荷載效應(yīng)及多因素耦合特點，所以十分必要開展混凝土動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力監(jiān)測與疲勞損傷演化研究，以此建立理想狀態(tài)下理論研究與復(fù)雜狀態(tài)下工程服役狀態(tài)間的可靠聯(lián)系。

在此之前，本發(fā)明人申請的申請?zhí)枮?01110226050.8的專利描述了一種埋入式混凝土結(jié)構(gòu)動力損傷全過程空間應(yīng)力傳感器（如圖1）。該傳感器可監(jiān)測混凝土細觀動態(tài)六向復(fù)雜應(yīng)力。通過平均化方法可獲得混凝土各向宏觀動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力。

將監(jiān)測獲取的混凝土的動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力等效為主應(yīng)力空間的三軸應(yīng)力，進而通過確定關(guān)鍵主應(yīng)力將其等效為單軸應(yīng)力。利用混凝土單軸疲勞損傷理論可分析并評價混凝土的疲勞狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用混凝土單軸疲勞損傷理論來分析并評價混凝土的疲勞狀態(tài)的方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

基于細宏觀動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力監(jiān)測的混凝土疲勞損傷分析方法，包括步驟：

考慮混凝土強度與骨料最大粒徑影響，確定各典型混凝土強度與骨料最大粒徑下混凝土單向正應(yīng)力和單向剪應(yīng)力的細-宏觀應(yīng)力關(guān)系，用空間應(yīng)力傳感器陣列測得混凝土的宏觀應(yīng)力值；

再將空間應(yīng)力傳感器陣列布設(shè)待測構(gòu)件中，將監(jiān)測獲取的混凝土的動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力等效為主應(yīng)力空間的三軸應(yīng)力，確定控制材料疲勞損傷行為的主應(yīng)力，即關(guān)鍵主應(yīng)力，對關(guān)鍵主應(yīng)力時程利用雨流計數(shù)將其等效為多級變幅應(yīng)力；

通過Corten-Dolan累積損傷準則將多級變幅應(yīng)力按最大應(yīng)力等效為單幅應(yīng)力，利用混凝土單軸疲勞損傷理論可分析并評價混凝土的疲勞狀態(tài)分析。

進一步地，所述的確定各典型混凝土強度與骨料最大粒徑下混凝土單向正應(yīng)力和單向剪應(yīng)力的細-宏觀應(yīng)力關(guān)系，用空間應(yīng)力傳感器測得混凝土的宏觀應(yīng)力值具體的步驟具體包括：

對于單向正應(yīng)力，制作一批和待測的混凝土構(gòu)件的混凝土強度與骨料最大粒徑相同的試件，試件內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的空間應(yīng)力傳感器，通過線彈性加載試驗，計算空間應(yīng)力傳感器陣列應(yīng)力均值及變異系數(shù)，確定試件內(nèi)最少數(shù)量的空間應(yīng)力傳感器，使空間應(yīng)力傳感器測得的細觀正應(yīng)力均值代表混凝土宏觀正應(yīng)力時的誤差小于5%；

對于單向剪應(yīng)力，通過有限元分析軟件建立模型，同樣確定試件內(nèi)最少數(shù)量的空間應(yīng)力傳感器，使空間應(yīng)力傳感器測得的細觀剪應(yīng)力均值代表混凝土宏觀剪應(yīng)力時的誤差小于5%；

取由正應(yīng)力與剪應(yīng)力確定的所需空間應(yīng)力傳感器數(shù)量的最大值為優(yōu)化過的數(shù)量，就可用空間應(yīng)力傳感器測得的微觀應(yīng)力平均值代表混凝土的宏觀應(yīng)力值。

進一步地，利用單軸單幅等效應(yīng)力實現(xiàn)對混凝土復(fù)雜動態(tài)應(yīng)力的疲勞狀態(tài)分析。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明克服了以往混凝土應(yīng)力或應(yīng)變監(jiān)測只能單向監(jiān)測的問題，可借用現(xiàn)有單軸單幅疲勞的試驗結(jié)果，實現(xiàn)對混凝土復(fù)雜應(yīng)力的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對混凝土疲勞損傷的分析。

附圖說明

圖1是空間應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施方式流程圖。

圖3是受壓試件與傳感器陣列主視示意圖。

圖4是受壓試件與傳感器陣列俯視示意圖。

圖5是受剪有限元模型示意圖。

圖中：1——空間應(yīng)力傳感器；1-1——PZT；1-2——大理石塊；1-3——環(huán)氧樹脂；2——混凝土試件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。

假設(shè)待監(jiān)測構(gòu)件的混凝土強度為C30，骨料最大粒徑為25mm。以此混凝土強度與骨料最大粒徑為例說明本發(fā)明的實施方式，其他情況同理。圖2為實施方式流程圖，基于細宏觀動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力監(jiān)測的混凝土疲勞損傷分析方法，包括步驟：

1）澆筑一批混凝土強度與骨料最大粒徑和混凝土構(gòu)件相同的受壓混凝土試件2，試件尺寸為200mm×200mm×200mm，澆筑前每個試件內(nèi)預(yù)先布置9個空間應(yīng)力傳感器1，所述空間應(yīng)力傳感器1主要包括PZT1-1、大理石塊1-2、環(huán)氧樹脂1-3（如圖1所示），空間應(yīng)力傳感器1尺寸為25mm×25mm ×25mm（與構(gòu)件最大骨料粒徑相同），空間應(yīng)力傳感器間距25mm，布置陣列及位置(如圖3和圖4所示)。對每個試件進行單調(diào)動力加載試驗。將每一個試件內(nèi)空間應(yīng)力傳感器監(jiān)測的微觀應(yīng)力均值與實際加載應(yīng)力對比。確定此數(shù)量空間應(yīng)力傳感器是否能保證試件在單向壓應(yīng)力下具有95%保證率的混凝土細-宏觀應(yīng)力比，如果不能滿足，則增加傳感器數(shù)量（假設(shè)需要9個傳感器）。

2）利用有限元分析軟件建立受剪試件模型，加載模式如圖5，模型混凝土強度與骨料最大粒徑和混凝土構(gòu)件相同，尺寸為200mm×200mm×500mm。在剪應(yīng)力均勻區(qū)域布設(shè)如圖5所示的空間應(yīng)力傳感器陣列，空間應(yīng)力傳感器尺寸為25mm×25mm ×25mm，空間應(yīng)力傳感器間距25mm。確定此數(shù)量空間應(yīng)力傳感器是否能保證試件在單向剪應(yīng)力下具有95%保證率的混凝土細-宏觀應(yīng)力比，如果不能滿足，則增加空間應(yīng)力傳感器數(shù)量（假設(shè)需要12個傳感器）。

3）通過步驟1）與2）的空間應(yīng)力傳感器陣列修正過程，取兩者所需傳感器數(shù)量的最大值（12個）為優(yōu)化過的數(shù)量，就可用空間應(yīng)力傳感器測得的微觀應(yīng)力均值代表混凝土的宏觀應(yīng)力值。

4）在待測構(gòu)件澆筑前將優(yōu)化過的空間應(yīng)力傳感器陣列布設(shè)在構(gòu)件中，將監(jiān)測獲取的混凝土的動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力等效為主應(yīng)力空間的三軸應(yīng)力，確定控制材料疲勞損傷行為的主應(yīng)力，即關(guān)鍵主應(yīng)力。對關(guān)鍵主應(yīng)力時程利用雨流計數(shù)將其等效為多級變幅應(yīng)力。

5）通過Corten-Dolan累積損傷準則將多級變幅應(yīng)力按最大應(yīng)力等效為單幅應(yīng)力，便可利用混凝土單軸疲勞損傷理論可分析并評價混凝土的疲勞狀態(tài)，也即利用單軸單幅等效應(yīng)力實現(xiàn)對混凝土復(fù)雜動態(tài)應(yīng)力的疲勞狀態(tài)分析。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。