岩石-混凝土界面Ⅰ-Ⅱ型断裂及声发射特征

通过对岩石-混凝土复合试件进行三点弯曲和四点剪切断裂试验,研究了界面Ⅰ-Ⅱ复合型断裂力学行为及声发射(AE)特征。结果表明:(1)岩石-混凝土界面裂纹主要有三种破坏模式。模态比越高,界面粗糙度越大,界面裂缝出现非界面扩展复杂模式的可能性越大。(2)利用声发射特征参量的突变能够有效判断起裂和失稳临界状态,利用平均频率(AF)、上升时间与幅值之比(RA)两参数比值可量化分析断裂过程的拉剪破裂机制,利用AE事件聚积的方向可预测界面裂缝的扩展方向,从而揭示界面断裂损伤演化规律。(3)试件失稳破坏前夕,声发射信号主频变化明显,低幅低频信号大量剧增且突现不少低幅高频信号,主频有由离散发展为连续的趋势。高模态比时,主频分布的范围相对较大。     

基于声发射技术的含裂纹石膏试件破坏分析

受压条件下岩体破坏规律是岩石力学的重点课题之一。本文采用含裂纹石膏试件模拟天然裂隙岩体,分别对不含预制裂纹,含0°、30°、45°、60°、90°预制裂纹的石膏试件进行单轴压缩试验,运用声发射和波速监测技术研究其破坏特性和损伤机制。对声发射信号进行了频谱分析,揭示了石膏材料主频在500 kHz以下,而噪声信号主频在500 kHz以上的特点,基于此进行了去噪;设定参数HPS评价声发射强度,把预制裂纹试件的破坏模式归类为3类：压碎（0°）、压剪（30°、45°、60°）和劈裂（90°及无裂纹）;提出利用多元回归分析改进声发射时差定位算法,取得了良好的定位效果;采用纵横波波速监测方法,形象地展示了石膏试件裂纹扩展时的声波波速动态演化过程。本文为基于声发射与波速监测技术的岩体受压破坏规律研究提供了一次有意义的探索。     

基于碳纤维混凝土(CFRC)机敏性的三点弯曲梁断裂参数试验研究

针对纤维混凝土软化过程无固定模型和Ⅰ型断裂研究较少的现状,本文利用碳纤维混凝土的机敏性捕捉到了三点弯曲梁试件的起裂荷载。引入双K断裂准则计算了碳纤维混凝土的起裂韧度KUC^ini和失稳韧度KIC^un,认为利用双K断裂准则可以更有效地解释纤维对混凝土的增韧作用。通过对电阻变化率与荷载、挠度和裂缝口张开位移（CMOD）关系的分析,认为碳纤维混凝土机敏性可以较好地应用到三点弯曲梁Ⅰ型断裂的研究中,电阻变化率与荷载、跨中挠度和裂缝口张开位移（CMOD）的关系能较好地符合洛仑兹曲线的关系,该关系可以反映试件在峰值荷载前的弹性变形阶段、裂缝稳定开裂阶段和裂缝失稳开裂阶段。     

基于声发射技术的含初始缺陷混凝土破坏分析

初始缺陷对混凝土的变形和破坏特性有着重要的影响。本文对含有不同尺寸、不同倾斜角度初始缺陷的混凝土试件进行单轴压缩试验,并基于声发射技术分析混凝土的变形和破坏特性。试验结果表明：（1）与完整试件相比,含有初始缺陷的混凝土试件对应的峰值应力和峰值应变均减小,应力应变曲线在加载初期表现出较为明显的上凹趋势,卸载段曲线更为平缓,但是残余强度的变化没有明显规律。（2）含有初始缺陷的混凝土试件破坏过程可分为4个阶段：裂缝萌生、扩展、聚结、贯穿破坏。（3）当初始缺陷的倾斜角度为0°和90°时,混凝土试件主要以拉伸破坏为主,当初始缺陷的角度为30°、45°和60°时,混凝土试件沿着初始缺陷方向发生剪切破坏。     

混凝土断裂韧度KⅡC的试验研究

采用国际上新近提出的两端切口Ⅱ型断裂试件,开展混凝土Ⅱ型断裂试验。试验观测到裂缝起裂角θ0约为0°,且沿韧带方向扩展;裂缝尖端韧带出现具有典型剪切特征的混凝土碎片,表明发生了剪切破坏模式。由试验测定的曲线上的特征点确定临界荷载Pc,进而由此试件几何相应的应力强度因子公式计算出混凝土Ⅱ型断裂韧度KⅡc约为KⅠc的2倍多。试验结果表明,两端切口Ⅱ型断裂试件是进行混凝土Ⅱ型断裂试验及测试混凝土KⅡc合适的试件形式。     

混凝土断裂试验中的声发射特性研究

声发射技术作为一种现代无损检测技术,能简便快捷地判别混凝土在受力状态下内部缺陷的产生与发展,是混凝土材料断裂力学研究的重要分析手段和有效的评价途径。文章首先阐述了声发射技术在混凝土检测领域的国内外研究与应用现状,特别是在大坝混凝土领域的研究进展。课题组通过改进现有试验装置和更新改造测量设备,将声发射检测系统引入混凝土双K断裂参数试验中,新装置不仅能够精确控制试验中的加载速率,而且可以实时监测试件的起裂状态,能够准确判断试件的开裂和失稳破坏的时刻和特征。文章根据混凝土断裂临界状态的声发射识别特征,建立了混凝土断裂的声发射判据。试验结果表明,利用声发射特征参量可以准确判断试件的起裂时刻,与传统的应变法测量的起裂时刻吻合的较好,并且这种判据更加直观,便于现场操作,从而为声发射技术在混凝土断裂参数的测试中应用提供了理论与技术支撑。     

三点弯曲梁法研究砼双K断裂参数及其尺寸效应

本文采用三点弯曲梁试件利用在试验中测得的最大荷载Ｐｍａｘ及对应的裂缝口张开位移ＣＭＯＤｃ等参数,根据虚拟裂缝模型求得了砼裂缝亚临界扩展量Δａｃ、起裂断裂韧度Ｋ＾ｉｎｉＩＣ、失稳断裂韧度Ｋ＾ｕｎＩＣ（即双Ｋ断裂参数）及临界裂缝尖端张开位移ＣＴＯＤｃ。结果表明,砼双Ｋ断裂参数及ＣＴＯＤｃ均与试件尺寸无关,可以作为描述砼结构裂缝的起裂、稳定扩展及失稳断裂全过程的材料常数,而且试验方法简单,无需加卸载过程     

不同含水率混凝土断裂韧度试验研究

混凝土结构常处于不同湿度状态,而不同湿度(含水率)对混凝土断裂特性有显著影响。采用电热恒温鼓风干燥箱对C15、C20、C30混凝土三点弯曲梁试件进行干燥,将干燥后试件分别浸泡3、10、24、48、72、120、240 h,使试件达到不同含水率状态后,进行三点弯曲梁断裂试验,并建立不同强度等级混凝土断裂韧度关于含水率的预测公式。研究结果表明:含水率对混凝土断裂韧度影响明显,随含水率增大而降低,饱和混凝土较干燥状态最大降幅达57%;实测P–CMOD关系曲线明显存在起裂前的线弹性阶段、裂缝稳定扩展的非线性阶段、裂缝失稳扩展阶段,随含水率的增大,线弹性阶段逐渐变短、稳定扩展阶段加长、失稳扩展阶段曲线下降趋势变缓,且临界荷载对应的切口张开位移和加载点位移均减小,表现为试件变形能力降低、韧性减弱。     

光弹性贴片法研究混凝土裂缝扩展过程

为了研究大型试件的裂缝扩展过程,本文采用光弹性贴片法对平面尺寸分别为3.6×3.0m,3.0×2.5m,2.4×2.0m,1.8×1.5m,1.2×1.0m,0.6×0.5m的大型紧凑拉伸试件,预制裂缝的起裂。确定扩展直至失稳破坏的全过程进行了系统的研究,并用录像机拍摄了光弹性贴片所显示的裂缝扩展的全过程,得到了混凝土裂缝在不同荷载阶段从起裂、稳定扩展直到失稳破坏整个全过程的完整而直观的观察结果。结果发现,在试件高度达到1m以上的实验范围内,失稳破坏前裂缝稳定扩展长度几乎是一个稳定的常数值,这个值约为200mm,它与试件尺寸初始缝长α_o无关。同时发现,宏观裂缝的起裂与初始缝长α_o有关,初始缝长α_o愈大,裂缝起裂愈早,α_o愈小,裂缝起裂愈晚。该现象对于了解像高混凝土坝那样大型结构裂缝扩展有着重要的意义。     

基于电子散斑干涉技术的混凝土裂纹扩展特性研究

由于存在断裂过程区,混凝土材料的断裂行为表现出一定的非线性,材料的断裂性能对水工结构的承载力和耐久性评估至关重要。为了研究混凝土的非线性断裂行为,对带预制切口的混凝土梁进行三点弯曲试验,采用电子散斑干涉（ESPI）技术获得梁表面的位移场。通过分析梁试件在15个加载步下的裂纹扩展状态,即COD（裂纹张开位移）与a（裂缝长度）的关系,分析混凝土裂纹扩展规律。鉴于线弹性断裂力学（LEFM）公式不适用于裂纹尖端附近的位移计算,在ESPI测量结果的基础上,通过对COD-a曲线进行分段分析,建立了适用于裂缝全长度的COD-a的函数关系式。     

Interlevel dielectric failures in copper/low-k structures

Failure modes for inter-level dielectric layers under accelerated test conditions have been evaluated for a range of dielectric diffusion barriers in copper/low-k structures. The dominant failure mechanism for both constant voltage tests and ramped voltage tests was mechanical cracking at the dielectric barrier/low-k interface. Few occurrences of copper diffusion through the bulk ILD were observed. A simple model for the dominant failure mechanism is proposed which hypothesizes crack formation due to the electrostatic force between interdigitated lines followed by copper extrusion into the cracks. The proposed model is consistent with measurements of interfacial adhesion strengths in Cu/low-k stacks.     

基于模态分析的GIS盆式绝缘子裂纹缺陷检测方法研究

GIS盆式绝缘子的缺陷检测对于保障电力系统安全运行具有重要意义。振动法由于具有检测灵敏度高和无损检测等优点成为当前电力设备故障诊断研究的热点问题。为给振动法检测盆式绝缘子开裂提供理论指导,文章建立了正常或含有缺陷盆式绝缘子的三维模型,采用有限元法计算了盆式绝缘子在不同气室压力和不同裂纹大小时的模态频率。研究结果表明,当盆式绝缘子无裂纹时,绝缘子会出现重根模态,而当盆式绝缘子有裂纹时,绝缘子没有重根模态。当盆式绝缘子下表面压力较小时,与两侧气室压力相同时相比,模态频率呈下降趋势,而当盆式绝缘子上表面压力较小时,模态频率呈增加趋势。盆式绝缘子存在裂纹时,模态频率呈下降趋势,随着裂纹深度的增加,模态频率下降幅度也会增大。计算结果表明采用振动法检测盆式绝缘子机械状况具有可行性。     

基于广域时空随机响应的低频振荡模态辨识

针对利用单通道信号无法准确辨识多个振荡模态,且不能估计振荡振型的问题,提出一种基于广域时空随机响应的振荡模态辨识方法。讨论了广域时空随机响应的向量自回归模型与系统振荡模态之间的联系,采用QR分解实现向量自回归模型参数的最小二乘估计;计算出振荡模态的模式参数,并通过系统随机响应的功率谱峰值确定系统的主导模态;通过新英格兰系统的蒙特卡罗仿真对模态辨识方法进行测试分析,结果表明利用广域时空随机响应能同时准确估计多个主导振荡模态的模式参数和振荡振型,与子空间辨识方法相比所提方法计算更简单有效;最后利用WECC系统的实测信号验证了所提模态辨识方法的适应性。     

含缺陷纤维复合材料热老化后变形与损伤破坏声发射行为

不同时间影响下玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的热老化效应亟待研究。本文采用声发射(AE)与数字图像相关技术(DIC)相结合的互补无损检测技术,分别对热老化0、4、8、16天后三点弯曲试样的损伤过程进行实时监测,并进一步分析预制缺陷对热老化后复合材料的纤维与基体界面间性能的影响。对AE信号进行k-means聚类分析同时通过DIC进行全局应变场测量,表征了预制缺陷和热老化时间对GFRP力学行为和变形损伤机理的影响。结果表明：声发射信号可以对各类损伤进行分类,通过分析脱粘信号发现,在层合板内部交联时,脱粘信号减少且分布在失效载荷后;随着热老化进展至水分挥发阶段,脱粘信号增多并均匀分布在断裂前期与后期。对于预制纤维断裂的层合板,交联现象会使层合板加载过程中纤维断裂信号数量减少且幅度降低,最大应变值减小,有效地提升了层合板承载能力。声发射聚类分析和数字图像相关技术结合可以较好地描述不同热老化条件下GFRP的损伤演化过程,有助于进一步揭示缺陷和热老化时间对GFRP内部损伤机理的影响规律。     

基于行波固有频率的特高压直流输电线路纵联保护方法

故障后行波在故障点与线路终端间来回反射,形成的固有频率与故障距离有明确的数学关系。特高压直流(Ultra High Voltage Direct Current, UHVDC)输电线路的边界由平波电抗器和直流滤波器构成,与交流线路相比,线路故障后形成的行波固有频率更加清晰。基于此,提出了一种利用线路两端固有频率主成分特征的特高压直流输电线路纵联保护方案。根据电流变化率构造故障启动判据;用MUSIC方法对故障后的暂态电流数据进行频谱分析,利用区内外故障时线路两端固有频率特征差异构造保护判据;利用原始行波信号和解耦后行波信号提取的固有频率主成分构造选极判据,形成完整的基于行波固有频率的特高压直流输电线路纵联保护方案。在PSCAD/EMTDC中建立特高压直流输电系统模型,并在不同故障工况下对该保护方案的适应性进行仿真。大量仿真结果表明,该保护方法在不同故障工况下均能可靠、快速动作,具有较好的适应性和实用价值。     

基于滑窗FFT的次同步振荡时变幅频在线监测方法

提出基于滑窗FFT（快速傅立叶变换）的次同步振荡时变幅频监测方法,对振荡信号的时变模态参数进行在线辨识。首先采用加窗插值方法减少频谱泄露和栅栏效应,降低FFT辨识误差。然后,通过时间窗的滑动对每个时间窗截取的信号进行FFT,得到振荡频率和振荡幅值的动态序列,即频率和幅值随时间变化关系,通过对时变振荡幅值的分析计算得到衰减因子的动态序列。最后,以理想非平稳信号、仿真信号及电网实测信号作为测试算例,通过与Prony和HHT算法的对比分析,表明该方法不仅不受模态混叠现象影响,而且具有一定抗噪能力,能够有效辨识随机时变振荡模态,实现次同步振荡在线监测分析。     

基于滑窗FFT的次同步振荡时变幅频在线监测方法

提出基于滑窗FFT（快速傅立叶变换）的次同步振荡时变幅频监测方法,对振荡信号的时变模态参数进行在线辨识。首先采用加窗插值方法减少频谱泄露和栅栏效应,降低FFT辨识误差。然后,通过时间窗的滑动对每个时间窗截取的信号进行FFT,得到振荡频率和振荡幅值的动态序列,即频率和幅值随时间变化关系,通过对时变振荡幅值的分析计算得到衰减因子的动态序列。最后,以理想非平稳信号、仿真信号及电网实测信号作为测试算例,通过与Prony和HHT算法的对比分析,表明该方法不仅不受模态混叠现象影响,而且具有一定抗噪能力,能够有效辨识随机时变振荡模态,实现次同步振荡在线监测分析。     

Eigenvalue estimation of dominant electromechanical modes based on synchronous measurement and generator grouping technique

The authors have been studying a new approach for modal analysis of large power systems that utilizes GPS‐based synchronous measurement technology. The approach is based on the identification of a linearized multi‐input multi‐output model of power system. Since the identified model expresses approximately the electromechanical dynamics of an actual power system, modal frequencies, dampings, and mode shapes corresponding to electromechanical modes can be estimated as eigenvalues and eigenvectors of the identified model. In the paper, in order to advance our approach to a practical technique, it is mainly discussed how to select a small number of machines suitable for measurement locations to estimate eigenvalues associated with dominant slow modes. Such machines can be detected by identifying coherent groups related to the slow modes. The reference generators that behave representatively in each coherent group are the optimal ones to be measured. Therefore, the slow modes can be obtained by observing one generator from each group. The verification of the new modal analysis and coherency‐based machine selection is done through simulation studies using the IEEJ EAST 10‐machine system model. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 164(4): 24–32, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience. wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20428     

接触面直剪试验及数值模拟分析

土体与结构的接触面广泛存在于各种岩土工程之中，建立可合理描述其变形特性的接触面本构模型至关重要。分别进行了糯扎渡反滤料I–混凝土底板接触面直剪试验和模拟该试验的有限元数值计算，分析了接触面直剪试验中的剪切变形和渐进破坏特性。研究结果表明，接触面直剪试验不是单元体试验，接触面破坏是一个渐进破坏的过程。接触面试验中量测的位移包括了接触面上的剪切位移和接触面附近土体的变形两部分。在有限元计算分析中，前者可采用刚塑性模型计算和反映，后者可通过土体的一般本构模型来计算和描述。