混凝土试件楔入劈拉试验及损伤参数研究

通过3组不同初始裂缝长度的混凝土双支承楔入劈拉试验,运用断裂力学和损伤力学的理论研究了初始裂缝长度对断裂破坏及损伤参数的影响。根据试验测试过程及计算结果分析,证明非均匀应力场下测试损伤参数是可行的,而初始裂缝长度对材料损伤参数有一定影响,表现为初始裂缝越长损伤参数也越大。测试结果同时说明,对混凝土构件中已开展裂缝的观测,其观测仪器宜布置在裂缝尖端并重视其应变突变值的捕获和分析。     

楔入劈拉试验支承形式对混凝土断裂韧度的影响

针对楔入劈拉试件支座位置的不同,包括双线支座与单线支座,分析不同竖向荷载对断裂性能参数测试可能造成的影响,并通过试验数据进行验证。通过分析比较,认为对于实验室进行混凝土楔入劈拉试件的常用尺寸,支承体与传力装置所传荷载在一个竖向平面内可抵消竖向荷载和一部分构件自重,从而得到较为接近真实值的断裂性能参数。     

混凝土非标准楔入劈拉试件断裂参数的确定

目前混凝土非标准楔入劈拉试件还没有一个合适的确定裂缝尖端断裂参数公式,通常的方法是借用紧凑拉伸试件的应力强度因子公式,不便于应用。文中利用有限元程序,对在不同高度以及不同初始缝高比条件下非标准楔入劈拉试件进行了模拟。得到了裂缝尖端的应力强度因子公式以及裂缝张口位移曲线。分析结果及举例表明,非标准楔入劈拉实验断裂参数确定模型是可靠的。断裂韧度不随试件尺寸变化,是材料常数;裂缝扩展量不受初始裂缝长度影响,而随着试件高度的增加而增长。     

不同初始缝高比的混凝土断裂试验及边界效应分析

为了解决直接法(轴向拉伸试验)和间接法(劈裂拉伸试验、弯曲拉伸试验)测试抗拉强度的试验结果相差较大的问题,通过不同初始缝高比早龄期混凝土的楔入劈拉试验,基于已有的Hu-Guan边界效应理论模型,拟合得到两个真实的断裂参数——断裂韧度和抗拉强度,然后基于双K断裂模型,根据试验测得的起裂荷载、峰值荷载及临界裂缝张口位移值,计算初始缝高比为0.05～0.70共8组试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度。结果表明:Hu-Guan边界效应模型拟合计算得到的抗拉强度值与劈裂抗拉试验值相差4.85%,得到的断裂韧度值介于双K模型计算范围内,验证了已有的边界效应模型适用于确定混凝土材料的真实断裂参数;起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响,失稳断裂韧度在0.05≤α≤0.4范围内随初始缝高比的减小而增大,在0.4≤α≤0.6范围内,其值为一常数,在0.6≤α≤0.7时,其值有明显的下降趋势。     

含空洞缺陷混凝土试件楔入劈拉性能分析

为研究空洞缺陷对混凝土楔入劈拉性能的影响,将空洞缺陷等效为相应纵向截面高度的损失量,并推导了含空洞缺陷混凝土楔入劈拉断裂参数的计算式,同时利用改进型测试装置进行了8组共32个试件的楔入劈拉性能试验,分析研究了空洞尺寸及其位置变化对试件楔入劈拉性能的影响规律。结果表明,起裂荷载、失稳荷载、起裂张口位移和失稳张口位移都随着空洞尺寸增大(直径0~120 mm)而降低,降幅分别为43.59%,23.75%,39.85%,54.50%;空洞缺陷对混凝土的起裂韧度影响较小,但却会明显降低混凝土失稳韧度,随着空洞尺寸增大,其降幅达到46.20%;空洞位置对混凝土断裂特性的影响跟裂纹扩展路径相关,当裂纹经过空洞时会降低相关参数,当其远离空洞区域时,则影响较小。     

龄期对碾压混凝土双K断裂参数影响的试验研究

为了研究龄期对碾压混凝土双K断裂参数的影响,制作了龄期为28,60,90 d共18个楔入劈拉碾压混凝土试件并进行了断裂试验,结合双K断裂参数公式,得到了不同龄期试件的有效裂缝长度、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度等断裂参数,并分析了龄期对碾压混凝土断裂性能的影响。试验结果表明:起裂荷载和失稳荷载均随龄期的增大而增大,且起裂和失稳荷载的比值趋于稳定,伴随着龄期的增加,起裂荷载占失稳荷载的比重越来越大;龄期从28 d增加到90 d,起裂和失稳断裂韧度分别增加了0.216 0 MPa·m^1/2和 0.292 2 MPa·m^1/2,起裂和失稳断裂韧度的比值基本在0.5~0.6;有效裂纹长度随龄期的增大而减小,相同尺寸下,龄期越小,裂缝亚临界扩展量越大,试件的韧性越好。     

高强混凝土双K断裂参数测试及计算方法

采用楔入劈拉试样研究高强混凝土的双K断裂参数测试和计算方法。利用应变片测定试件的起裂荷载,计算得到试件精确的起裂断裂韧度。认为利用普通混凝土双线性软化曲线的经验参数,并基于虚拟裂缝扩展黏聚力强度理论间接计算得到的起裂断裂韧度值偏小,因此迫切需要进一步研究高强混凝土软化曲线的参数,以完善混凝土的双K断裂理论。     

采用底部开缝立方体劈拉试件测定混凝土起裂断裂韧度

为了测定混凝土起裂断裂韧度,提出了一种采用底部开缝立方体劈拉试件的试验方法,并采用数值分析方法拟合了该加载条件下缝尖的应力强度因子计算公式,通过测量高度为１００ｍｍ、２００ｍｍ和３００ｍｍ,缝高比为０．２、０．３、０．５和０．７的立方体劈拉试件及三点弯曲梁试件的起裂荷载,进而计算起裂断裂韧度并研究其尺寸效应。结果表明,采用底部开缝立方体劈拉试件和三点弯曲梁试件测定的起裂韧度基本一致,计算结果皆无明显尺寸效应,说明提出的方法能够有效测定混凝土起裂断裂韧度。与传统的三点弯曲梁方法相比,该方法具有试件制备简单、试验操作方便等优点,为现有的混凝土断裂参数实验测定提供有效补充。     

大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

碾压混凝土穿透型诱导缝等效强度和断裂试验研究

对碾压混凝土坝诱导缝强度和断裂特性进行了试验研究。在碾压混凝土长方体试件内埋设了削弱度为0 208～0 340的穿透型诱导缝,通过轴拉试验获得了诱导缝的等效强度和断裂韧度。分析表明:诱导缝强度的降低比例均大于诱导缝所在断面面积降低的比例,并且随着削弱的增大,诱导缝强度降低比例增长越快。最后分析了应力集中对等效强度的影响,削弱度在0～1之间,等效强度随削弱度的变化曲线为一条凹曲线,存在一个最佳削弱度,使得等效强度与削弱后剩余本体强度值的差值最大,此时,诱导缝发挥最佳的削弱断面强度作用。     

三点弯曲下混凝土断裂韧度及影响因素

通过混凝土切口梁三点弯曲试验,探讨了相对切口深度（a0/h）、粗骨料最大粒径（dmax）及分布和水灰比（W/C）等因素对混凝土断裂韧度（KIC）的影响。结果表明：a0/h对KIC有一定影响,不同a0/h下,混凝土缺口敏感性不同;随着dmax增加,KIC均呈增大趋势,断面二值图和粗骨料水平投影面积率（D）可有效反映粗骨料对KIC的影响;随着W/C减小,KIC逐渐增加;KIC与切口梁试件裂缝前端阻裂带的“强弱”有关,在分析试验结果的基础上,建立了多因素影响下KIC的计算模式。     

双K断裂模型失稳韧度KIcun的解析计算方法

为预估最大荷载P_max和失稳韧度K^un_Ic,提出一种只需混凝土轴心抗压强度f_c即可计算双K断裂模型失稳韧度K^un_Ic的解析计算方法。大量的试验数据表明,临界裂缝扩展量与韧带高度之比Δa_c/(h-a₀)趋于常数。结合这一规律,基于虚拟裂缝的双线性本构关系,根据带切口的三点弯曲梁跨中截面的平衡条件,计算最大荷载P_max,再将P_max的计算值代入公式计算双K断裂模型的失稳韧度K^un_Ic。为检验计算精度,将最大荷载P_max和失稳韧度K^un_Ic的计算值与试验值比较。结果表明:最大骨料粒径d_max≤40 mm的较大尺寸三点弯曲梁试件,最大荷载P_max及失稳韧度K^un_Ic的计算值与试验值吻合良好。     

钢筋混凝土三点弯曲梁断裂韧度计算模型

基于虚拟裂缝模型,针对钢筋混凝土试件在三点弯曲作用下开裂截面的受力特征,在合理假定的前提下,给出了一种计算钢筋混凝土三点弯曲梁的失稳断裂韧度的解析方法。然后,应用该方法计算了初始缝高比 α₀（初始裂缝长度与试件高度的比值）分别为0.2,0.3,0.4,0.5的三点弯曲试件的最大荷载和临界有效裂缝长度,进而求得了钢筋混凝土三点弯曲梁的失稳断裂韧度。通过对计算结果与试验数据的误差分析,发现失稳断裂韧度最大误差为4.915%,说明这种方法可以较为准确地预测三点弯曲梁的失稳断裂韧度。在此基础上研究了初始缝高比 α₀对失稳断裂韧度的影响,发现失稳断裂韧度基本上不随 α₀ 变化,失稳断裂韧度可以作为材料常数,应用于裂缝扩展状态的判断。     

三点弯曲下混凝土断裂韧度及影响因素

为研究初始裂缝尺寸及材料组成特性等因素对混凝土断裂韧度的影响,通过混凝土切口梁三点弯曲试验,探讨了相对切口深度、粗骨料最大粒径及分布和水灰比等因素改变时混凝土断裂韧度的变化规律.结果表明:相对切口深度对混凝土断裂韧度有一定影响,不同相对切口深度下,混凝土缺口敏感性不同;随着粗骨料最大粒径增加,混凝土断裂韧度呈增大趋势,断面二值图和粗骨料水平投影面积率可有效反映粗骨料对混凝土断裂韧度的影响;随着水灰比减小,混凝土断裂韧度逐渐增加;混凝土断裂韧度与切口梁试件裂缝前端阻裂带的“强弱”有关.在分析试验结果的基础上,建立了多因素影响下混凝土断裂韧度的计算模式,在混凝土配合比已知的情况下,该模式可用于分析诸因素对混凝土断裂韧度的影响并预测混凝土断裂韧度.