波浪作用下海工混凝土结构动态损伤试验研究

海工混凝土结构由于长期海水中氯离子的侵蚀及波浪等外荷载的循环冲击作用导致混凝土内部损伤严重，从而结构承载力降低引发耐久性不足的问题。其中一方面钢筋锈蚀产生的损伤会随着锈蚀程度的加深而变化，另外一方面随着外荷载的作用使得混凝土内部微裂缝生成、扩展直至形成宏观裂缝，两方面作用损伤不断累积而具有一定的变化规律，因此研究海工混凝土构件的损伤演化规律很有必要，可以为该类结构的损伤评估、承载力预估、健康监测与安全预警提供基础。课题组基于连续介质损伤及弹性力学理论，建立了海工混凝土在波浪荷载与钢筋锈蚀状态下的动态损伤方程，并开展相关试验探究混凝土的损伤演化规律，主要有：（1）提出了波浪作用下海工混凝土动态损伤方程。基于连续介质损伤理论，利用残余应变值为损伤变量建立荷载引起的损伤方程；考虑到两者之间相互影响的作用，研究以荷载损伤为主，锈蚀损伤为辅，加入锈蚀损伤影响系数分析锈蚀损伤对荷载损伤发展产生的影响。（2）开展了波浪作用下海工混凝土构件动态损伤试验。基于线性波理论，利用Morison方程计算波浪力，将其简化为简谐波的循环荷载进行试验研究；并先后开展了钢筋锈蚀试验、疲劳加载试验和承载力试验，研究不同锈蚀率及加载频率对试件损伤发展的影响。结果表明：试件在模拟波浪的循环荷载作用下荷载损伤度呈普遍的三阶段规律，且在前两阶段内荷载损伤度随作用次数变化呈对数型分布；钢筋锈蚀损伤越大，对荷载损伤的发展影响越大；设计的两种加载频率对荷载损伤发展影响区别不大。（3）探讨了波浪作用下海工混凝土墩柱的承载力退化性能研究。混凝土的损伤必然导致构件的承载力退化，基于本文试验数据，定义承载力损失度DF为承载力损失量与完好相同构件的承载力比值，其与荷载损伤度D间呈良好的指数型关系，即DF随D的增大而增大，且DF随D的变化具有明显的阶段性。相关研究成果为海工混凝土结构耐久性提供理论基础。

在海洋及港口工程中，关于海工混凝土结构动态损伤演化机理的探讨已逐步引起相关学者的关注。本项目在申请人前期研究的基础上，选择沿海桥梁为研究对象，开展模拟波浪作用下混凝土结构动态损伤试验，进而揭示海工混凝土结构内部动态损伤演化规律。主要内容有：重点开展波浪作用与钢筋锈蚀条件下，考虑其耦合效应影响的海工混凝土结构动态损伤试验方法研究；运用光纤光栅传感技术，测试海工混凝土动态应变以及钢筋锈胀应变；建立海工混凝土结构损伤衰减动力响应方程，探索结构动态损伤衰减机制；基于应变损伤理论以及分形理论，提出考虑动态损伤细观特征描述与宏观损伤特性分析的动态损伤变量，构建宏－细观结合的结构动态损伤演化方程与动态损伤本构关系，提出便于工程实用的海工结构动态损伤评价指标。相关研究成果可为后期该类结构健康监测、损伤评估以及安全预警提供理论与方法，并为相关规范的修改与完善提供依据。

对进入服役中后期的海洋平台实施动力检测及评估是确保其安全运行的重要手段；而基于刚度信息的损伤指标对损伤位置不够敏感，对损伤程度评估不够准确，限制了该类方法的应用。鉴于阻尼在结构出现损伤时较刚度变化还要明显的特点，本项目旨在发展能够敏感反映海洋平台结构损伤位置及其程度的阻尼评估指标体系，形成系统的基于海洋平台非传统阻尼特性的动力检测方法。因所研究的阻尼评估指标是以相对准确的实测模态为数据基础，并以事先掌握实测平台的阻尼分布为模型基础的，故需发展适用于海洋平台的空间不完备处理方法及实测信号噪声分离方法，用于提高实测模态精度；发展海洋平台结构的阻尼特性识别方法，用于获取平台测试时刻的实际阻尼分布情况。所研究的空间不完备处理方法、实测信号噪声分离方法以及阻尼特性识别方法，可为基于刚度信息的动力检测技术提供精度更高的实测数据与基准模型；将所发展的阻尼评估指标与现有指标相互补充，有望推进工程应用进程。

项目负责人及其科研团队，严格按照项目资助计划书中约定的研究内容逐项开展研究，整个项目按照预定计划有序进行，达到了预期研究目标，未进行调整和变动。本项目针对项目计划任务书研究内容，在模态振型直接扩展方法、实测信号噪声排除技术、平台结构非传统阻尼特性识别方法，以及基于阻尼信息的海洋平台损伤评估方法研究中取得显著进展。在本课题的资助下，先后在《Ocean Engineering》、《Journal of Vibroengineering》等国内外刊物及重要学术会议上发表论文20篇，其中SCI论文9篇，EI论文15篇，参加国内外学术会议1次，培养研究生4名。授权国家发明专利3项，授权软件著作权3项。 2100433B

动态荷载对混凝土材料特性、损伤特性和钢筋混凝土结构的破坏形态都有较大的影响。本课题结合钢筋混凝土结构的受力特点，在动态三轴仪上对混凝土进行多轴动态试验，研究应变率对混凝土动态特性和损伤特性的影响；联合考虑应变率效应损伤和疲劳累积效应损伤，发展混凝土的动态损伤演化方程，建立钢筋混凝土多轴动态损伤本构模型；对钢筋混凝土梁进行不同应变率荷载作用下的动力损伤试验，验证和修正动态损伤本构模型，探讨钢筋混凝土梁的动损伤和应变速率效应问题；对不同跨压比和不同配筋比的钢筋混凝土梁进行不同应变率荷载作用的动力试验，探讨不同配筋比、不同应变率时钢筋混凝土结构破坏形态改变的机理、原因以及预防措施等；编制钢筋混凝土结构动力非线性有限元分析程序，对钢筋混凝土结构进行动力非线性分析，探讨钢筋混凝土结构中材料应变率效应、破坏形态的应变率效应和动态损伤问题，从而为钢筋混凝土结构的抗震抗暴设计和安全性评价提供合理的依据。 2100433B