支持向量机在混凝土CT图像分析中的应用

本文引入支持向量机的理论,对混凝土圆柱体试件一个扫描断面的5个应力阶段的CT图像进行了分析,对图像的各组成部分进行了分类,获得了清晰的裂纹、孔洞区域,砂浆区域和骨料区域的空间位置分布.从支持向量机分类图中可以看出裂纹或孔洞区域的大小分布随应力的变化过程,表明混凝土试件经历了压密、扩容、CT尺度裂纹扩展贯通至最后破坏的过程.与用传统的统计方法研究混凝土CT图像相比,支持向量机法不仅可以反映出材料的空间分布,同时使复杂的CT数分布对应转换为三类数的分布,简化了下一步统计分析.     

基于CT-连续加荷水泥乳化沥青混凝土细观损伤规律研究

利用CT技术对水泥乳化沥青混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件在连续加荷下的CT图像。通过采用直观分析法、CT数分析法、CT数与损伤变量关系3种方法分析表明,水泥乳化沥青混凝土的破坏过程可分为压密、扩容、裂纹扩展、破坏4个阶段,同时混凝土在受压过程中具有韧性,在极限荷载之前各断面处于压密和微扩容的强化阶段,极限荷载之后混凝土从损伤到破坏发展比较平稳。     

单轴压缩条件下混凝土细观破裂过程的X射线CT实时观测

应用X射线CT对单轴压缩条件下混凝土的细观破裂过程进行了实时扫描观测，获得了混凝土试件内部CT尺度裂纹开裂、扩展、连通的全过程CT图像。分析混凝土试件各扫描断面大统计区域平均CT数变化，表明静力压缩条件下混凝土在强度峰值前的CT数呈均匀变化，表现为整体压密和扩容。小统计区域平均CT数变化则对裂纹萌生更敏感。对CT图像进行等密度分割，可以精确地显示裂纹萌生部位和扩展过程。CT图像显示,混凝土材料进入屈服阶段的现象是不同的CT尺度裂纹各自变形和扩展，裂纹发生部位在砂浆与骨料之间。进入软化阶段的现象是不同的CT尺度裂纹相互贯通。分析结果表明，非线性阶段CT尺度裂纹的扩展和变形对混凝土强度和变形有决定性影响。     

混凝土细观尺度下单轴拉伸性能研究

采用蒙特卡罗方法生成不同骨料形状的二维混凝土试件模型,对不同骨料形状、骨料分布、骨料含量、初始缺陷与界面层厚度等条件下的混凝土试件进行单轴拉伸分析。结果表明:骨料形状的不同对试件拉伸性能影响较大,碎石形骨料试件会较早出现应力集中,圆滑的骨料边缘可以改善试件应力分布,提高混凝土试件抗拉性能;骨料分布不同与界面厚度不同对混凝土单轴拉伸性能的影响可以忽略;初始缺陷的增加会导致试件弹性模量、抗拉强度及峰值拉应变减小;混凝土材料的不均匀性使其在承受逐级增大的荷载时产生不均匀变形和应力。     

高持续荷载下的混凝土徐变破坏试验

用抗压混凝土试件进行不同高应力水平下受压与受拉徐变破坏的试验,测得试件单轴受压徐变的变形过程及破坏时间.试验结果表明,混凝土在应力强度因子超过0.9的持续荷载作用下会发生破坏,应力水平越高,混凝土发生破坏的时间越短;混凝土在长期持续荷载下的徐变变形为非线性徐变.     

基于CT图像处理技术的混凝土损伤演化研究

采用X射线CT技术对单轴受压作用下的混凝土试件进行实时扫描观测,获得了混凝土试件的裂纹开裂、扩展、贯通的全过程图像。运用7种不同的方法分析了混凝土损伤演化全过程。分析结果表明,X射线CT是研究混凝土细观结构的有效方法,可以定性和定量分析混凝土细观结构损伤演化全过程;采用聚类分析算法,避免了由于窗宽和窗位不同引起的人为误差,真实地反映了混凝土细观结构,并较好地识别了粗骨料、砂浆和孔隙;通过差值算法得到的裂纹图像具有较强的直观性,有效地提取了裂纹;利用裂纹区像素点个数的变化代替CT数平均值,可以很好地反映混凝土损伤发展状态,当裂纹迅速扩展时,混凝土裂纹区像素点的个数发生了量级上的变化。     

基于单轴压缩CT技术的混凝土细观破损分区研究

本文以混凝土试件实时单轴压缩CT图像为基础,将破损分区理论应用于混凝土CT图像的分析中,通过对分区的CT数阈值标准进行讨论和经验选定,定义了混凝土材料的安全区、损伤进行区和破损区。在此分区基础上,对不同加载阶段的安全区、损伤进行区和破损区的CT数信息进行了统计分析,验证了混凝土试件在单轴压缩条件下经历压密、扩容,CT尺度裂纹扩展到破坏的细观破损全过程,说明利用破损分区理论研究混凝土的破损机理是可行的。     

不同级配混凝土拉压多轴强度的断裂力学分析

采用断裂力学方法分析了混凝土在拉压多轴情况下的破坏准则.通过滑移裂纹模型分析了拉压多轴荷载下混凝土内裂纹的扩展规律,不同拉压荷载比值下裂纹的扩展角度以及裂纹起裂到失稳扩展的过程,认为混凝土内裂纹的失稳扩展即对应于材料的破坏,得到了其破坏准则.分析了混凝土的最大骨料粒径发生断裂破坏时的控制性裂纹长度对拉压破坏准则的影响,在此基础上研究了全级配混凝土的多轴破坏准则.计算结果表明,模型计算结果与已有试验结果吻合良好.     

武都重力坝碾压混凝土动态弯拉性能的试验研究与数值分析

武都水库是涪江干流上的一座重要工程,坝体设计为碾压混凝土重力坝。对武都重力坝工程的二级配、三级配碾压混凝土芯样试件采用简支梁三分点加载法,在不同初始静载下进行混凝土动态弯拉试验,并采用细观力学和损伤力学的方法进行混凝土弯拉强度和破坏过程的非线性分析。研究表明,不同级配混凝土受初始静载、加载速率的影响不同。在初始静载达到80％范围内,二级配混凝土动强度随初始静载比例的提高有所提高,动态强度提高因子为1．45～1．53;三级配混凝土动强度随初始静载比例的提高有所降低,动态强度提高因子为1．27～1．41。武都重力坝碾压混凝土存在一定的超强现象。与各初始预静载相应的混凝土动态弯拉强度提高因子的计算值与试验值比较接近。     

试件初始缝长对混凝土双K断裂参数的影响

本文采用尺寸为400mm×400mm×200mm，初始缝高比分别为0.2、0.4、0.5、0.6的楔入劈拉试件，应用线性渐近叠加原理，利用试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc计算了混凝土裂缝的亚临界扩展量Δαc，在此基础上利用虚拟裂缝模型并结合线弹性断裂理论，采用不同的闭合力方程计算了混凝土起裂断裂韧度KiniIc、失稳断裂韧度KunIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc.结果表明，采用不同闭合力方程所计算的混凝土KiniIc值有所差异，但当试件缝高比大于或等于0.4时KiniIc及CTODc均与试件初始缝高比无关，而KunIc值则与初始缝高比无关，这表明双K断裂参数及CTODc可以作为描述混凝土裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏全过程的材料常数。     

带裂缝混凝土轴拉力学性能及Kaiser效应试验研究

为了解带裂缝混凝土在轴拉荷载作用下的力学特性和在变幅循环荷载作用下声发射Kaiser效应,设计了3种带不同初始缝长的混凝土轴向拉伸试验,详细分析了初始缝长对混凝土轴拉强度、断裂韧度、弹性模量等力学参数和声发射Kaiser效应的影响。结果表明:随着初始缝长的增加,混凝土弹性模量保持不变,断裂韧度逐渐增加,轴拉强度与初始缝长呈线性递减关系;在变幅循环荷载作用下,混凝土表现出明显的Kaiser效应,随着荷载水平的提高,Kaiser效应逐渐减弱;当缝高比小于0.4时,Kaiser效应随初始缝长的增大逐渐增强;Kaiser效应本质上是由混凝土内部损伤程度决定的。此外,混凝土轴拉强度的大小会影响其在低荷载水平作用时声发射信号的强弱,据此可判断混凝土试件强度的高低。     

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。     

高拱坝地震损伤破坏的数值模拟

本文在假设混凝土宏观均质的基础上考虑细观不均匀性的影响,采用带残余强度的双折线损伤演化模型和带幂函数下降段的损伤演化模型,结合带拉伸截断的摩尔-库仑破坏准则,探讨了高拱坝在地震作用下的裂缝扩展和破坏形态.某即将兴建的拱坝的计算结果表明,混凝土大坝破坏主要由拉应力引起,开裂从坝顶中部开始,裂纹主要出现在坝体上部,其余部位基本保持完好.计算结果得出的最终破坏形态与模型试验基本一致.     

基于分形理论的混凝土动力拉伸过程定量研究

为了从细观层面上定量研究混凝土动荷载作用下的破坏过程,以正弦波动力荷载作用下的混凝土 CT 试验为基础,编制了基于差分盒维数理论的分形维数计算程序,分别研究了混凝土试样三个断面大统计区域和感兴趣区域上的分形维数随加载过程的变化过程,通过分析混凝土试样在加载过程中分维数的变化规律,探讨了分维数变化与损伤裂纹演化过程的关系。结果表明: 正弦波动力拉伸荷载作用时混凝土试样中一般有多条裂纹同时萌生,但当主裂纹形成后,次生裂纹会闭合,主裂纹会抑制次裂纹的发展,且裂纹大致与拉荷载方向垂直,破坏形式属于脆性断裂,损伤裂纹表面平整,裂纹沿材料强度较弱的区域发展; 混凝土试样各断面分形特征明显,分形维数能较好地描述混凝土损伤裂纹的演化规律,可作为研究混凝土裂纹演化的定量参数; 感兴趣区域分维数的变化更明显,更有利于描述混凝土受力破坏时内部的应力集中、应变局部化和损伤裂纹的演化规律。     

观音阁水库混凝土大坝越冬面水平施工缝的开裂原因及处理措施

应用温度及温度徐变应力仿真计算和线弹性断裂力学理论，分析了观音阁大坝越冬面水平裂缝的原因是，越冬面混凝土上下层温差及内表温差的温度应力超过混凝土的抗裂强度，和越冬面附近混凝土层间抗拉强度低于本体抗拉强度所致．分析表明，随着高程的降低，其相应部位的裂缝及坝体层间稳定性越小，如不处理，其危害性越大．依据分析结果，各高程裂缝的处理原则亦不同．高程２１８．２５ｍ裂缝的上游面进行防渗处理；高程２３３．２５ｍ水平裂缝只作简单处理．具体防渗措施是采用沥青混凝土防渗面板．     

冻融环境下不同预制裂缝混凝土断裂性能研究

对不同相对切口深度的预裂缝混凝土试件进行冻融循环试验,循环次数分别为0、25、50、75、100次。对冻融循环后的试件进行三点弯曲试验,观察试件的表观变化,并利用扫描电子显微镜和立体显微镜观察试件裂缝的情况。分别从宏观力学性能、损伤劣化规律、细微观结构等方面对冻融环境下混凝土断裂力学性能进行研究,并根据混凝土的损伤理论,定义了混凝土基于微缺陷及动弹性模量的损伤变量。结果表明:混凝土冻融循环损伤是初始缺陷发展、劣化并累积的过程;混凝土断裂韧度与初始裂缝相对深度无关,与抗弯强度具有良好的线性相关性。     

混凝土劈拉开裂和裂缝自愈合机理

采用混凝土圆盘试件,研究了劈拉加载下混凝土的开裂过程和裂缝形态,分析了试件劈拉应力-裂缝口张开位移曲线的特征,探讨了不同卸载位移下曲线的变化规律;对劈拉开裂后混凝土在不同环境中(海水、淡水和标准养护)的性能恢复规律和自愈合机理开展了试验研究。结果表明:混凝土劈拉开裂导致自身刚度降低,并且裂缝口张开位移越大,刚度降低越明显;自愈合产物与混凝土基体黏结强度较低,再次劈拉加载下试件刚度虽有恢复,但恢复值相对于初始刚度较小;裂缝自愈合是各种物理和化学过程综合作用的结果,愈合机理主要包括水泥的再水化作用、结晶作用、水泥水化产物的分解作用和颗粒杂质等的堵塞作用。     

界面初始缺陷对混凝土单轴抗拉强度的影响

为了研究内部微裂纹等初始缺陷对混凝土强度的影响,在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面和界面初始缺陷组成的四相复合材料,建立了考虑界面初始缺陷的混凝土细观数值模型来预测混凝土单轴抗拉强度,讨论分析了界面初始缺陷分布和界面初始缺陷含量对混凝土单轴抗拉强度的影响。数值模拟结果表明:界面初始缺陷分布对混凝土的单轴抗拉强度几乎没有影响;界面初始缺陷含量对混凝土强度影响较大;混凝土的单轴抗拉强度随着界面初始缺陷含量的增大而减小,当界面过渡区的初始缺陷含量从10%增大到50%时,试件的抗拉强度由基准试件强度的94%下降到约60%。     

截面高度对钢筋混凝土梁裂缝分布影响的试验研究

为建立混凝土结构裂缝验算的统一公式,通过试验研究了截面高度对钢筋混凝土简支梁裂缝分布形态、裂缝间距和裂缝宽度的影响规律。根据裂缝的产生机理、延伸发展特征和宽度变化规律提出了分型统计的原则,进行各类型裂缝数量、平均裂缝间距、平均裂缝宽度及最大裂缝宽度分布规律的分型统计分析。明确了结构设计中裂缝宽度验算对应的裂缝形态特征的物理意义,即该裂缝为在后续各级荷载作用下,因开裂截面钢筋拉应力和混凝土受拉区高度的持续增大而得以持续延伸到中和轴附近的主裂缝。提出了以纵向受拉钢筋直径为变量的有效受拉截面高度的计算方法,提出了考虑截面高度与有效配筋指数耦合影响的平均裂缝间距计算模式。