基于复杂应力路径的混凝土索塔开裂的宏细观损伤演化机理与模型研究

This project for cable towers common cracking cause the safe hidden trouble of the Bridges, to carry out the damage mechanism of concrete cracking of cable tower tall and model research, proposed the combination of theoretical analysis, numerical simulation and model test, the cable tower tall concrete cracking under complex stress path of macro mesoscopic mechanism, first of all, analysis of concrete bridge tower of azimuth, cable tower height, the thickness of cable tower, wind speed, atmospheric transparency, Reynolds number and other independent variables on the temperature field distribution and the effect of concrete box structure parameters and environmental parameters of the concrete surface temperature difference between inside and outside the cable tower of calculation model, secondly, study the macroscopic and microscopic damage evolution mechanical equation and the energy change law, reveal the temperature field and the wind load and traffic load on the cable tower under the influence of the coupled bending shear damage of macro cracking mechanism, and set up based on the theory of multi-scale homogenization of cable tower of concrete cracking of macro mesoscopic mechanics behavior patterns, and finally, the cable tower bridge cracks and deflection, stress and other relevant mathematics model for quantitative, find out the parameters and the regularity of influence on the cable tower structure of cable tower safety evaluation mathematical model is established. Project research results to clarify tall towers craze damage evolution of the macro mesoscopic mechanism, reveal the effects of various parameters on the bearing capacity of the cable tower is of great significance, for the damage evolution law of concrete bridge tower tall lay the theory foundation, in solving the problem of safety evaluation of cable tower tall concrete cracking is of important scientific significance and practical value.

项目针对混凝土索塔普遍开裂导致桥梁安全问题，开展混凝土索塔开裂的损伤演化机理研究，拟采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的手段，研究复杂应力路径下混凝土索塔开裂的宏细观机理，首先，分析索塔的方位角，索塔高度、索塔的壁厚、风速、大气透明度、Reynolds number等自变量对应力场、温度场分布的影响，确定混凝土索塔参数和环境参数的箱内外表面温差的计算模式，其次，研究索塔宏细观损伤演化方程及能量变化规律,揭示在温度场与风雨荷载、交通荷载等产生的压弯剪耦合影响下的索塔损伤的宏观开裂机制，并建立基于多尺度均匀化理论的混凝土索塔开裂的宏细观力学行为模式，最后，研究索塔裂缝与桥梁挠度、应力等相关性数学量化模型，并建立索塔损伤演化数学模型。项目研究成果对阐明混凝土索塔开裂的损伤演化宏细观机理，揭示索塔的损伤演化规律奠定了理论基础，在解决混凝土索塔开裂引起的安全评价问题具有重要的科学意义和实用价值。

项目针对混凝土索塔普遍开裂会导致桥梁安全这一问题，开展了混凝土索塔开裂的损伤演化机理研究，研究了基于多尺度均匀化理论的混凝土索塔开裂的宏细观力学行为模式，提出了智能运行装置来获取索塔裂缝综合信息关键技术，阐述了索塔位移与变形测量原理与方法，并建立索塔损伤演化数学模型。代表性成果如下：（1）高大索塔裂缝监测技术与裂缝图像处理的研究通过移动扫描装置来监测高大塔柱裂缝分布，并实时记录裂缝图像，针对各种滤波算法适用范围和裂缝图像特点，提出中值滤波法，将进行裂纹图像的二值化与提取方法用于裂缝图像分割，并采用图像拼接技术、裂缝矢量化技术及裂缝图像模拟重现技术，实现了裂缝监测信息处理。（2）基于分形理论的斜拉桥索塔裂缝扩展研究根据斜拉桥高大索塔的特点，采用子模型技术，模拟了索塔裂缝的萌生以及扩展的过程，并计算了索塔结构的应力强度因子与分形维数之间的关系、分形维数与荷载等级之间的关系，结合分形理论对其安全状态进行评价。（3）基于离散元原理的混凝土索塔裂缝微观机理研究混凝土的破坏过程，建立了基于离散元的颗粒流微观数值模型，采用Fish语言编写程序，模拟混凝土材料的细观破坏过程，团簇材料的破损机理在于：随着团簇半径的增加，基质所占比例减小，基质中更容易产生微裂纹，结构表面更容易破坏，最后结合多尺度均匀化理论，建立了混凝土细观-宏观等效力学性能的多尺度模型，对混凝土材料的宏观整体与细观局部化效应进行分析。（4）基于分形理论的索塔节段模型试验研究在完成索塔节段模型试验的基础上，建立了一套以分形损伤为理论支撑的用于评价索塔开裂后安全状态新方法，研究了索塔开裂后裂缝分布分形维数与荷载等级之间的关系，结合研发的智能检测装置进行了裂缝安全性分析，得到了较为理想的评价效果。