波浪作用下海工混凝土结构动态损伤试验研究

In ocean and port engineering, evolution mechanism of dynamic damage for marine concrete structure has attracted concern of engineers and scholars. According to our related research achievements, costal bridges are chosen as research objects, and dynamic damage experiment of marine concrete structure with wave action is carried out. Dynamic cumulative damage evolution law is discussed. It mainly involves that, dynamic damage experiment method of marine concrete structures is researched, considering the coupling effect with wave action and steel corrosion environment. Dynamic strain of concrete and corrosion expansion for marine concrete structure is tested by Fiber Bragg Grating sensing technology. Dynamic response of damage attenuation for marine concrete structure is built. Dynamic damage attenuation mechanics of marine concrete structures with wave action is researched. Damage variables considering meso and macro characteristics of dynamic damage are proposed based on strain damage theory and fractal theory. The evolution equation and constitutive relation of dynamic damage are built. Dynamic damage estimation index for marine concrete structures is proposed. Relevant research results could provide not only theory and methods for the structural health monitoring, dynamic damage estimation and safety early warning, but also basis for the revision and improvement of related standards and codes.

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。

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。