【摘 要】
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针对FRPM管涵在施工服役期间产生变形的现象,且缺乏考虑变形的管涵力学性能与疲劳寿命研究的现状,本文以存在变形的FRPM管涵为研究对象,通过室内试验,探讨FRPM管涵材料的力学特性与疲劳性能,建立管-土数值分析模型与疲劳寿命预测模型,研究变形率对埋地FRPM管涵力学性能以及管土相互作用的影响规律,以及对考虑存在变形的FRPM管涵的疲劳寿命进行预测,为研究实际工程中柔性管道的疲劳寿命提供参考。论文主
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针对FRPM管涵在施工服役期间产生变形的现象,且缺乏考虑变形的管涵力学性能与疲劳寿命研究的现状,本文以存在变形的FRPM管涵为研究对象,通过室内试验,探讨FRPM管涵材料的力学特性与疲劳性能,建立管-土数值分析模型与疲劳寿命预测模型,研究变形率对埋地FRPM管涵力学性能以及管土相互作用的影响规律,以及对考虑存在变形的FRPM管涵的疲劳寿命进行预测,为研究实际工程中柔性管道的疲劳寿命提供参考。论文主要研究内容及成果如下:（1）FRPM管涵材料力学性能分析研究。开展FRPM管涵室内压缩和拉伸性能试验,得到其抗压强度、抗拉强度和抗压特性模量等基本性能参数,明确FRPM管涵的材料性能参数能否满足公路涵洞技术要求。针对结构材料的破坏失效模式,通过拉伸试验与压缩试验的破坏现象,明确其破坏失效的主要模式为层间破坏。（2）考虑变形率和不同填土高度条件下的埋地FRPM管涵力学特性研究。采用有限元软件建立管-土相互作用模型,通过“生死单元”模拟管涵在施工与服役期间产生的累积变形,根据模型分析不同变形率与填土高度对FRPM管涵的力学性能的影响。结果表明:变形率对FRPM管涵的应变分布规律和大小均有影响,在相同的填土高度情况下,变形率越大,同一点位的环向应变也越大;变形率的增大导致管涵Mises应力与管周土压力的增加,其中管顶Mises应力和土压力增加幅度最大,当填土高度为50cm时,相较于变形率为1%时,变形率为5%时涵顶Mises应力增大了302.68%,土压力由2.81k Pa增大至14.08k Pa,增加400.7%,管顶区域是整个管涵的最不利位置;变形率相同时,填土高度越大,其管涵应变、Mises应力以及土压力均相应降低。（3）考虑变形率的FRPM管涵疲劳性能研究。基于剩余刚度疲劳累积损伤理论设计疲劳试验,根据试验分析变形率对管涵疲劳性能的影响,并结合试验数据,采用LM优化算法建立考虑变形的疲劳预测模型。结果表明:试件的变形率影响试件应变的增长率,且应变增长率与疲劳荷载作用次数成正相关;变形率能够显著降低FRPM管涵的刚度,当变形率为0时,经过200万次的疲劳荷载作用,管涵刚度下降10.12%,当变形率为3%时,刚度下降24.44%;变形率越大,经过疲劳荷载作用后,其承载能力越低,疲劳作用次数越多,其承载能力降低幅度越大;根据疲劳寿命预测模型,对不同变形率的FRPM管涵的疲劳寿命进行预测,当变形率为3%时,FRPM管涵疲劳寿命为693.761万次,变形率为3%以内的FRPM管涵疲劳寿命满足服役要求。
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