混凝土动态复杂应力的压电智能骨料监测与疲劳损伤分析

Concrete structures are in dynamic complex stress states due to long term fatigue loads. The behavior and mechanism of concrete fatigue are complicated and its hidden trouble and hazards are huge. The capacity of material, components, or even overall structure will deteriorate due to accumulated fatigue damage, eventually leading to the decrease of structural safety and reliability, or even catastrophe without visible signs. Therefore, the study on concrete dynamic complex damage monitoring and its fatigue damage analysis is of great significance. This proposal firstly proposed an optimal design method of smart aggregate for the monitoring of concrete dynamic complex stresses, which will realize “hassle-free” monitoring(i.e. perfect compatibility and consistency between sensors and structures). Then, utilizing the high accuracy of smart aggregates, the variation of meso-scale dynamic complex stress of concrete will be monitored. Utilizing the meso-macro stress probability statistical relationship and the averaging algorithm, the concrete macro- stress will also be monitored. By using the meso-scale finite element analysis and experimental research, the meso- and macro-scale damage mechanism of concrete will be analyzed, and the corresponding fatigue damage analysis methods will be proposed. As a result, comprehensive, reliable and accurate evaluation of concrete fatigue life prediction can be realized.

混凝土结构长期动力荷载下的应力状态和疲劳损伤演化机制和机理复杂、隐患和危害巨大，直接导致混凝土材料、构件乃至结构整体抗力衰减，甚至导致无明显预兆的结构突然失效或破坏。因此，研究混凝土动态复杂应力监测与疲劳损伤演化具有十分重要的意义。本项目首先提出混凝土动态复杂应力监测的压电智能骨料优化设计方法，实现混凝土与传感器“骨料”材质相容性和尺寸一致性极好的“无干扰嵌入”监测。其次，利用压电智能骨料高精度特性，优化布设“骨料”阵列，得到微裂缝引起的混凝土细观动态复杂应力分布与变化；利用均布“骨料”和应力平均原则，监测得到混凝土宏观动态复杂应力过程，建立混凝土细-宏观应力概率统计关系及其因素影响关系。最后，通过细观有限元分析和监测试验，研究混凝土细-宏观两层面的疲劳损伤演化规律；通过动态复杂应力单轴单幅等效化，提出混凝土细-宏观两层面疲劳损伤分析方法，实现相对全面、可靠、准确的混凝土疲劳寿命预测。

本项目聚焦混凝土材料疲劳损伤问题，通过在混凝土中嵌入相容性和尺寸一致性极好的压电智能骨料实现细观应力监测，通过揭示混凝土疲劳过程宏细观应力相关性表征混凝土疲劳损伤状态。首先，建立了细观监测的混凝土应力监测方法：通过试验及数值研究得到的典型混凝土材料的宏细观应力概率统计规律，分析了加载路径及损伤演化的影响，建立了基于细观监测应力的混凝土应力监测方法，破坏前加载过程细观应力均值呈二次曲线，卸载为直线指向原点，细观应力变异系数在10~30%范围内变化；破坏后卸载过程呈直线；其次，验证了结构复杂应力状态下细观应力监测的可靠性：考虑骨料咬合（aggregate interlocking）、梯度应力和多向应力等因素影响，利用压弯构件内外力弯矩平衡关系表征表征细观应力，发现结构实际应力状态下细观应力监测误差不大于5%；第三，实现无灵敏度交叉干扰的多向应力监测，所设计的多压电陶瓷-金属块体-树脂组合体制成的三向正应力传感器由于压电陶瓷具有的准单向敏感性消除了个向灵敏度交叉干扰，从而实现个向应力的独立监测；最后，发现了基于细观应力分布变化的疲劳损伤监测新方法：疲劳加载过程中，混凝土竖向应力分布在疲劳过程中的变化反映了混凝土内部的应力重分布现象，细观竖向应力相关系数随循环次数比呈现三阶段的下降规律，这为实际混凝土结构疲劳损伤监测提供了新角度和新方法。通过该项目，发表Engineering Structures、Smart materials and structures等期刊发表SCI检索论文8篇，其中1作及通讯作者7篇，获得两项国家发明专利授权。联合培养博士1名，硕士生4名。