粗细骨料比例和水泥石强度对混凝土断裂参数的影响

骨料对于混凝土断裂性能的影响是近年来各国学者普遍关心的课题。采用基于粘性裂纹模型(FCM)的数值分析方法,通过三点弯曲试验,评价了粗细骨料比例(砂率:0.30-0.67)及水泥石强度(混凝土抗压强度:40-80MPa)对混凝土断裂参数的影响。这些参数包括抗拉强度、抗弯强度、应力-裂纹宽度关系和断裂能。研究结果表明,骨料总量一定而粗骨料含量不同时,抗压强度几乎不受影响,而随粗骨料含量增加,抗拉强度、抗弯强度和断裂能均逐渐增大。同时,水泥石强度增高,开裂强度、抗拉强度、抗弯强度和断裂能均增大。     

低温下钢纤维混凝土断裂行为细观数值研究

为了探讨钢纤维混凝土材料在低温下的断裂行为，通过有限元分析方法，在细观层次建立了不同钢纤维体积分数(V=0.0%、0.5%和1.0%)的混凝土试块三维数值模型，分别在3个温度点下(T=20℃、-40℃和-80℃)进行了劈裂抗拉强度试验以及三点弯曲加载试验，得到了相应的破坏模式以及荷载-跨中挠度曲线。研究结果表明，混凝土的断裂能随着温度的降低呈增大趋势，且钢纤维体积分数越大，断裂能越大。而混凝土的特征长度随着温度的降低逐渐减小，但纤维的加入很大程度地增大了其特征长度。     

确定混凝土开裂与拉伸强度及双K断裂参数

该文考虑混凝土材料的非均质特性,发展了确定无尺寸效应的混凝土开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数的断裂理论与相应方法。基于三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的断裂试验,确定出对应的开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数,并与试验强度值及由双K断裂模型确定的双K断裂参数进行了比较,从而验证了所提模型与方法的合理性与适用性。基于确定的材料参数,分别建立了混凝土起裂与断裂破坏的全曲线,给出了确定无尺寸效应起裂韧度的混凝土试件最小理论尺寸。建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式,对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载,以及不同混凝土的起裂韧度进行了成功预测。     

钢纤维混凝土梁压、弯组合作用下的承载力分析

钢纤维混凝土开裂后.钢纤维能在开裂面上提供一定的拉应力.这类似钢筋混凝土中受拉钢筋的作用.与钢筋混凝土不同,钢纤维混凝土开裂面上的拉应力随裂缝宽度的增加而逐渐降低.本文通过四点弯曲试验得到钢纤维混凝土梁开裂截面上钢纤维拉应力与裂缝宽度曲线,然后以此为基础对轴力、弯矩组合作用下的钢纤维混凝土梁的承载能力进行分析,得到钢纤维混凝土梁在轴力和裂缝宽度作用下的抗弯承载力计算公式.最后用得到的计算公式做出钢纤维混凝土梁在极限承载状态下的N-M相关曲线.计算分析表明,钢纤维混凝土梁开裂后,开裂面上的应力重分布会使截面的抗弯力臂增大.从而提高截面的抗弯承载力.并且开裂截面的抗弯能力也随轴压力的增大而有明显提高.这就从理论上解释了受压钢纤维梁开裂后的抗弯承载力不但没有降低,反而有所提高的现象.     

钢纤维混凝土带裂状态下抗弯承载力的计算方法

在混凝土中加入钢纤维,可使开裂后的混凝土仍能在开裂面传递拉应力,但钢纤维所传递的拉应力随裂缝宽度的增加而发生变化.因此以前认为钢纤维混凝土抗拉强度与裂缝宽度无关的设计方法,并未反映钢纤维混凝土的真实受力特性.本文通过四点弯曲试验,得到荷载与裂缝张开位移的关系.然后用受力平衡的方法,反算出钢纤维混凝土开裂后拉应力与裂缝宽度的关系,即拉伸软化曲线.通过分析发现,典型的钢纤维混凝土拉伸软化曲线,可以用其四个关键点的直线段描述.并根据实验数据,给出各段直线的确定方法.最后根据裂缝宽度和拉伸软化曲线,可以确定在指定裂缝宽度下,钢纤维混凝土的抗弯承载力.     

黏聚裂纹阻抗的弯曲梁承载力

在混凝土类软化材料断裂研究中,裂纹端部损伤区被简化为具有黏聚应力分布的非线性裂纹,该黏 聚力对裂纹扩展有阻抗作用。裂纹体的应力强度因子是断裂力学标志载荷作用与几何构型因素的量化表达指标; 黏聚力形成的阻抗强度因子数值,与黏聚裂纹长度和材料极值拉伸应力存在数量关系。通过双K断裂判据,以 带切口的三点弯曲梁为断裂力学模型,分析了裂纹黏聚阻力对断裂过程的影响规律,计算该弯曲梁结构断裂试 样的最大承担载荷;其结果比较符合实验数据。     

混凝土细观结构动态力学特性CT试验研究

混凝土材料在动载作用下具有与静载不同的特性。从实时CT扫描试验出发,以素混凝土圆柱体试样为研究对象,分析了正弦波动压和动拉荷载作用下,混凝土的细观结构变化对动态力学特性中诸如强度、变形和破损形态的影响。通过CT差值图像研究,得出动压荷载作用下混凝土裂纹具有发展迅速,破坏过程短,破坏裂纹多,破坏面积大等特点;通过CT数等密度分割图研究,得出动拉荷载作用下混凝土微裂纹突然合并形成一条主裂纹贯穿试件,试件突然断裂;通过加载过程中CT数变化规律研究,得出动压荷载作用下混凝土的密度经历了一个先增大后减小的过程,试件经历了压密、扩容、裂纹贯通直至最后破坏的过程,而动拉荷载后试件的密度持续减小直至断裂,荷载初期无压密现象。混凝土试件形成单位面积的压、拉裂纹面所需的能量基本相同,形成单位面积的动力裂纹面所需的能量略大于静力裂纹面所需能量。混凝土动压、动拉的应力状态不同,导致其破坏程度不同,所形成的裂纹面积不同,所需的总能量也不同,最终导致测定的强度不同,应力状态不同是动压、动拉强度差异的根本原因。     

岩石-混凝土界面拉伸断裂性能的率相关性研究EI北大核心CSCD

该文弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝口张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载,通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数,分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明:随应变率的增大,断裂能和起裂韧度增大,临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小,断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。该文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。     

虚拟裂缝尖端拉应力大小的确定

针对单边切口的混凝土轴心受拉构件,基于虚拟裂缝模型提出一种计算极限承载力的解析模型,并在此基础上确立了虚拟裂缝尖端拉应力与混凝土轴心抗拉强度之间的关系。结果表明:二者的比值随初始缝高比的增大呈线性增加,但对混凝土强度等级的变化不敏感。其原因是由于所有的混凝土试件都存在初始缺陷,导致截面上存在明显的应力梯度,因而得到的混凝土轴心抗拉强度值是截面应力的平均值,而虚拟裂缝尖端拉应力为截面上的最大应力。很显然,轴心受拉构件的初始缺陷越长,截面的应力梯度越大,虚拟裂缝尖端拉应力与平均应力的比就越大。通常情况下,虚拟裂缝尖端的拉应力大小约为混凝土轴心抗拉强度值的1.22倍,约等于混凝土的抗折强度。     

循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法研究

为建立混凝土塑性损伤(concrete damaged plasticity, CDP)模型中描述循环荷载下混凝土开裂-闭合行为的受压刚度因恢复因子w_c计算方法,基于混凝土开裂断裂能G_F建立了指数型软化应力σ-开裂位移w关系;对比评价了现有的混凝土拉、压损伤参数(分别为d_t、d_c)计算模型,选择了适用于钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构分析的d_t和d_c计算模型;并以受拉残存断裂能密度g_(FR)与开裂断裂能密度g_f之比的θ次方(θ≥1)建立了w_c计算模型。该计算模型同时考虑了单元特征长度l_(eq)和d_t对变量w_c的影响,并讨论了刚度恢复修正参数θ的取值。为解决CDP模型中的w_c只支持某一常数定义所存在的局限性,以循环荷载下严重破损的RC节点为研究对象,基于现有混凝土裂缝特征与受拉损伤状态的统计关系,提出了一种基于拉伸损伤水平d_t的模型简化处理方法。以0≤d_(t1)≤0.75和0.75≤d_(t2)≤d_(tm)(d_(tm)≤1)将RC节点模型划分为轻微损伤和损伤-破坏两个区域,并分别采用特征刚度恢复因子w_(cz1)和w_(cz2)定义两个区域的材料属性。通过对多组循环荷载下的RC节点进行数值模拟并与试验数据比较,验证了循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法的正确性以及模型简化方法的可行性。     

不同初始静载混凝土轴向拉伸试验研究

为研究混凝土材料的动态性能,利用MTS-810NEW液压伺服试验机对尺寸为100 mm×100 mm×510 mm棱柱体混凝土材料试样进行了初始静态荷载为0~20 k N的动态轴向拉伸试验,研究了混凝土材料经历不同初始静态荷载后的动态拉伸破坏特征、应力应变关系和动态抗拉强度。结果表明:荷载值由静态过渡到动态荷载时,混凝土材料的动弹性模量发生较大变化,且随着初始静态荷载值的增加,混凝土材料动弹性模量有增大趋势;混凝土材料动态应力应变关系曲线中,峰值应力所对应的应变值与初始静态荷载值无关;随着初始静态荷载的增加,混凝土材料动态拉伸破坏断面面积逐渐增大,且粗骨料被拉断的数目随着初始静态荷载的增加而先增加,后趋于平稳;随着初始预加静态荷载值的增加,混凝土材料的动态轴向拉伸强度先增加,然后趋于稳定。     

碾压混凝土拱坝诱导缝的等效强度研究

根据碾压混凝土拱坝诱导缝的构造特点,利用大比尺楔入劈拉试验成果,将诱导缝在稳定扩展中断裂过程区应力分布与相应的变形（张开度ω）联系起来,建立了诱导缝的等效裂纹断裂模型。利用等效裂纹断裂模型,计算了某碾压混凝土拱坝诱导缝的等效强度．结果表明,等效强度可以作为诱导缝的开裂准则。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

饱和CO2溶液中Cl-浓度对马氏体不锈钢应力腐蚀敏感性的影响

为了明确Cl-浓度的变化对超级13Cr马氏体不锈钢耐蚀性能的影响规律,利用电化学动电位测试技术对比分析了Cl-浓度对超级13Cr腐蚀电位的影响关系;采用慢应变速率拉伸(SSRT)应力腐蚀开裂(SCC)试验方法和应力-应变曲线(σ-ε)、扫描电镜(SEM)等分析手段,研究了饱和CO2环境下在一定慢应变速率条件下Cl-浓度的变化对超级13Cr马氏体不锈钢的抗拉强度、延伸率、应力腐蚀敏感指数(ISSRT)的影响,并结合断口形貌分析了材料的断裂特征.结果 表明:在Cl-浓度≤60 g/L的饱和CO2溶液中,超级13Cr相对于空气中强韧性变化不大,属于韧性断裂模式;随着Cl-浓度的增大,材料的断裂寿命和伸长率均逐渐降低;材料断裂模式由韧性断裂逐渐转变为韧性-脆性混合断裂模式;当Cl-浓度增大到90 g/L时,断口侧面开始出现二次裂纹;当Cl-浓度≥120 g/L时,材料点蚀电位明显降低,点蚀敏感性增大,同时断口侧面出现点蚀现象,进一步促进了应力腐蚀开裂.     

考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂预测模型及应用

基于对准脆性断裂边界影响模型参数的分析,该文将平均骨料粒径d_ave引入模型中,得到了考虑骨料体积含量及尺寸影响的混凝土准脆性断裂预测模型。模型中的有效裂缝与特征裂纹的比值,明确表征了三分点加载单边切口梁(SENB)试件的尺寸及初始缝长度变化时服从的断裂失效准则;模型中d_ave及分散系数β_ave将影响最大荷载P_max作用下临界微裂纹扩展区的平均虚拟裂纹长度Δa_fic。通过SENB试件在P_max时的受力分析,得到了临界正应力σ_n、有效裂缝长度a_e、拉伸强度f_t及断裂韧度K_IC之间的关系式。通过Amparano的试验结果,当a_fic为0.8~1.4倍d_ave时,采用混凝土准脆性断裂模型能较好预测混凝土拉伸强度及断裂韧度。通过对Δa_fic=1.2d_ave时模型得到的预测曲线与试验结果的对比,证明了模型计算结果的可靠性。考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂模型能基于RILEM规范中三分点加载SENB试验预测混凝土断裂韧度与拉伸强度。     

玄武岩纤维特征参数对混凝土单轴受拉性能的影响

考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素,通过直接拉伸试验,研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明：玄武岩纤维增强混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征,玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性;与普通混凝土(NC)相比,随着玄武岩纤维增强因子的提高,轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势;基于轴心受拉应力-应变全曲线分析,提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型,可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能3种韧性指标,发现断裂能可以准确评价玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)受拉韧性,BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。     

混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂判据研究

本文基于混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂的试验研究，考虑到裂纹尖端混凝土双向受力时的破坏特征，提出了一个新的判断混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型开裂的准则－复合应力准则。本文进行了一组偏直裂纹三点弯曲梁的试验，并用奇异元与等参元相结合的有限元法计算了裂纹失稳扩展时的应力强度因子ＫⅠ、ＫⅡ，采用试验结果确定了复合应力准则中的参数。与其它复合型断裂准则及国内试验结果的对比表明，本文提出的准则准确性好，适应性广。     

不同加载速率下高性能水泥基复合材料断裂性能研究

为研究加载速率对高性能水泥基复合材料(High-performance cement-based composites,HPCC)断裂性能的影响,本研究对带预制裂缝的HPCC矩形梁进行了三点弯曲测试.以裂缝嘴张开位移(Crack mouth opening displacement,CMOD)为加载控制参数,加载速率分别为0.001 mm/s、0.01 mm/s和0.1 mm/s,试件内钢纤维体积掺量分别为0％和2％(均为质量分数).基于荷载-裂缝嘴张开位移(P-CMOD)曲线分析了第一裂纹应力、弹性模量、弯曲强度、失稳韧度以及断裂能等一系列断裂特征参数随加载速率的变化规律.试验结果表明:(i)第一裂纹应力和弹性模量几乎不受钢纤维含量和加载速率的影响;(ii)HPCC弯曲强度与应变率比呈对数关系,且含钢纤维HPCC的弯曲强度率效应更明显;(iii)含钢纤维HPCC的失稳韧度和断裂能有很大程度的提升,但其对加载速率的敏感性较低.掺钢纤维能够有效提高HPCC材料抵抗冲击荷载的能力.     

薄板和厚板材料中不同裂纹形状的断裂分析

本文导出了与破损时线弹性应力强度因子弹性名义破损应力和两种材料参数有关的两参量断裂准则。断裂准则以前用于拉伸裁荷条件下簿板和厚板试样表面开裂和穿透裂纹的数据分析。本文的断裂准则则应用于中心裂纹拉伸试样、紧凑试样和缺口弯曲断裂试样,这些试样用钢、钛或鋁合金制成,在室温下进行试验。断裂数据包括了宽范围的裂纹长度、试样宽度和厚度。所分析的材料具有一个宽范围的拉伸性能。用此准则计算的破损应力与试验破损应力相当吻合(±10％)。同时还发現,此准则与不同试样类型(如中心裂纹拉伸试样和紧凑试样)所取得数据相关;对于同样材料、厚度和试验温度来说为±10％。     

混凝土Ⅰ—Ⅱ复合型断裂判据研究

本文基于混凝Ⅰ－Ⅱ复合型断裂的试验研究，考虑到裂纹尖端混凝土双向受力时的破坏特征，提出了一个新的判断混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型开裂的准则－复合应力准则。本文进行了一组偏直裂纹三点弯曲梁的试验，并用奇异元与等参元相结合的有限元法计算了裂纹失稳扩展时的应力强度因子ＫⅠ、ＫⅡ，采用试验结果确定了复合应力准则中的参数。与其它复合型断裂准则及国内试验结果的对比表明，本文提出的准则准确性好，适应性广。