混凝土导热-损伤耦合的理论与分形研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第25卷第2期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25No．22008年6月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Jun．2008混凝土导热一损伤耦合的理论与分形研究伍颖h，李卓球，孙明清(1_中国地质大学工程学院，湖北武汉430074~2．武汉理工大学理学院，湖北武汉430070)摘要：混凝土失效机理为原始缺陷在载荷条件和腐蚀环境的作用下造成其损伤累积和性能劣化。由于混凝土破坏的混沌演化过程，为了表征混凝土单元不同损伤状态时的导热性能变化，采用主动式外热源激励和分辨率极高的

2、红外成像仪捕捉其表面温度场，得到一系列红外热像图样本，分析和计算其分形维数，再用基于分形维数的损伤表征因子描述和表征混凝土不同损伤状态。涉及到混凝土导热一损伤耦合的理论研究和分形研究两大课题以及试验样本的提取。关键词；混凝土；红外热像；导热一损伤耦合；分形方法中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1672-7037(2008)02—0023—03混凝土的损伤过程占到总破坏过程的3／4，如何定义混凝土的损伤变量和描述其损伤状态，应力增加一直接涉及到混凝土损伤研究的方法、步骤和结论。脱粘界面聚纹发展、分叉有效损伤特征因子的提取是结构损伤检测和

3、评价的关键，也是理论研究的重要方向。由于混凝土的复杂性和混沌性，目前用分形方法研究混凝土的一一一一破坏过程，无论从宏观还是细观、对裂纹还是断口，都是方兴未艾和卓有成效。本文是在黄莉[1等人工作基础上开展的研究，具体思路是：考虑混凝土的演化过程，将混凝土单元不同损伤状态时的导热性能劣化通过被动式导热激励，采用分辨率极高的红外成像仪捕捉其表面温度场，得到一系列红外热像样本，重点和难点在于红外热像图定量参数分形维数的提取和描述，最后采用基于分形维数定义的损伤变量描述和表征混凝土的不同损伤状态。1理论依据1．1混凝土破坏模型混凝土的破坏模型如图1，研究表

4、明：混凝土的断裂破坏是初始裂纹的产生、扩展、分又和失稳扩展过程，即裂纹微裂纹的动态演化过程。国内的谢和平[2]、于广明【3等学者通过研究还发现了混凝土微裂纹演化的分形特性和混沌效应。1．2导热一损伤耦合方法收稿日期：2007—11-05作者简介：伍颖(1968一)，男，湖北仙桃人．副教授，博士，研究方向为工程结构的失效分析与风险控制．wuying027@126．com。基金项目：国家自然科学基金(50238040；10672128)。维普资讯http://www.cqvip.com·24·华中科技大学学报(城市科学版)化的累积过程，在力学上是宏缺

5、陷产生与扩展累积过程，同时伴随着能量耗散或熵增加，造成能劣化(包括刚度、强度、韧度、稳定性以及寿命低)。图3混凝土单向压缩的典型红外热像图混凝土累积损伤的实质是结构完整性被破，包括微群缺陷的产生至宏主裂纹的发展，不仅3分形研究现为有效应力概念基础上的变形一损伤耦合，而还表现在导热系数基准变量时的导热性能劣化由于混凝土导热系数测试的困难性、分布的损伤累积演化之间的内在相关性。随机性，实验提取的红外热像图显示的是不同损基于导热系数定义的损伤变量为伤状态、不同导热性能、不同缺陷表面的温度场，D一1一a／a。(1)蕴含丰富的信息。由于其模糊性、复杂性和混

6、沌中，D为损伤变量，为等效导热系数，扎为初性，可行和优化的方法就是分形。导热系数。由于式(1)的直接测量存在困难，考3．1单一分形——盒维数通过外热源的激励，提取不同损伤累积和不同计算红外热像图的盒维数[4州]，采用网格法。热性能劣化时混凝土表面温度场，再采用分形从灰度图像转换成黑白图像的关键是灰度阈值的法提取损伤表征因子。选取，本文的阈值使用Otsu算法计算得出，图4为典型红外热像图转换处理后的对应二值图。结试验设计合导热一损伤耦合理论，还可定义温差系数解决灰度阈值问题。为了提取混凝土单元相应的表面温度场，用外热像仪捕捉，采用材料试验机加载制造

7、和模损伤状态。圈匿L一-试验仪器：INSTRON材料试验机，TVS一(a)均值法0MKI型红外热像仪。试验目的：提取混凝土同损伤模式和状态时的表面温度场——红外热图。试验项目：考虑损伤模拟，确定单向压缩试、蠕变试验和疲劳试验三个试验项目。试样尺国圈四日墨：120mm×80mm×40mm。成像模式：单面法(b)优化法双面法，单面法优先。热源模式：被动式或主动图4典型红外热像图的对应二值图，主动式优先。3．2多网分形——平均值在盒维数的计算中，确定无标度区和分网是影响其精度的两个主要因素，在无标度区的精确确定还没有成熟方法的情况下，采用“多分网求平均

8、”方案，图5为典型红外热像图在分网步长系数为2时的盒维数计算图，图6为典型红外热像图盒维数计算界面图，表1为典型红外热像图的多网分形盒维