基于连续介质损伤力学的坑蚀钢筋高周疲劳寿命与损伤分析

张 昉, 金伟良, 张 军, 毛江鸿, 樊玮洁

(1.浙江大学 结构工程研究所, 浙江 杭州 310058; 2.浙大宁波理工学院 土木建筑工程学院, 浙江 宁波 315100)

大量沿海钢筋混凝土桥梁在服役过程中同时遭受氯盐侵蚀和车辆反复荷载作用.氯盐侵蚀下钢筋锈蚀形态多为坑蚀[1],造成钢筋截面积减小和应力集中,在反复荷载作用下极易发生疲劳断裂[2],严重降低钢筋混凝土结构的服役寿命[3].

S-N曲线法是预测锈蚀钢筋疲劳寿命的重要方法.已有研究[4-5]表明,在双对数坐标下,锈蚀钢筋的疲劳寿命和应力幅值仍然为线性关系,并建立了考虑锈蚀率的锈蚀钢筋的S-N曲线方程.该方法需要大量的疲劳试验,只关注疲劳寿命而忽略了疲劳损伤的非线性发展过程,也无法探明钢筋锈蚀对其疲劳性能的影响机理.此外,断裂力学(FM)可以很好地描述疲劳裂纹扩展行为,并预测疲劳寿命,如卫军等[6]研究了半椭圆形蚀坑钢筋裂纹扩展规律;Sun等[7]建立了最大蚀坑深度和锈蚀率的关系式,定义等效初始裂纹尺寸以提高构件疲劳寿命的预测精度等.一方面,FM法适用于单个裂纹占主导的情况,往往还需要对不规则蚀坑缺陷做简化等效处理[8],难以考虑钢筋多蚀坑之间的互相影响.另一方面,FM法主要研究疲劳裂纹扩展计算方法,无法给出疲劳损伤累积和局部应力场的演化.

基于热力学理论,连续介质损伤力学(CDM)通过定义损伤变量来研究反复荷载作用下材料力学性能退化规律和机理[9],能……