考虑摩擦接触时微缝隙对波动传输的影响

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研究弹性波透过含有微缝隙的接触型界面的传播特性对于桥梁工程的抗震、损伤评估具有重要意义。在实际桥梁结构中,地基和基础之间的界面是接触型界面,它们中间很可能存在微小的缝隙,而且在强应力波作用下,地基与基础间会产生错动与翘离。另外,结构中的初始裂纹(亦可以看作是构件中存在的微缝隙)对钢桥关键细节的疲劳剩余寿命有显著影响。所以探讨波动透过微缝隙的传播特性具有理论与实际意义。   本文就界面摩擦接触情况下微缝隙对波动传输特性的影响进行了较深入的理论研究。由于界面上接触和非接触区的分布在求解前是未知的且边界条件中含有不等式,所以这是一个边界非线性问题。为探讨问题的物理本质,本文借鉴Comninou和Dundurs双侧解修正法的思想,把半空间自由表面问题的解作为基本解,叠加一个Fourier级数形式的修正解,得到了该问题的解析解;确定了界面上分离区、滑移区及粘着区的分布;给出了界面应力及相对速度的分布,以及基频波、高频波的反射/透射系数和能量分配。讨论了缝隙宽度、摩擦系数、入射角度、介质参数等对波动传输的影响。得到以下结论:   (1)问题的解依赖于缝隙宽度d、入射波幅值C0、摩擦系数f、入射角度θ0四个参数和上下介质材料参数。分离区范围由无量纲缝隙宽度d/A0唯一确定,并随之增大而增大,与摩擦系数无关。   (2)在分离区前缘始终存在一滑移区,其范围随摩擦系数的增大而减小。随着入射角的增大,分离区前后缘的滑移区增大,粘着区减小。由于上下介质在接触区前缘速度不同,导致界面力和相对滑移速度出现间断。   (3)由于界面发生局部接触和滑移使得反射波和透射波中含有高频谐波,波形发生畸变。二次谐波反射和透射系数随d/A0的增大先增大后减小。高频谐波反射/透射系数与缝隙宽度的关系为材料或结构的无损检测提供了理论依据。   (4)缝隙宽度对界面上能量的分配具有很大影响。随着d/A0的增大,反射波所携带的能量增大,透射波所携带的能量减小,由于摩擦作用耗散的能量变化不大。当下侧介质和上侧介质的波阻抗比pcL/(pcL)增大时,能量透射率增大。这为桥梁工程中考虑地基与基础之间地震波的能量传递提供了理论基础。
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