小骨料混凝土双K断裂参数的试验测定

双K断裂模型以起裂韧度和失稳韧度来描述混凝土裂缝扩展过程，《水工混凝土断裂试验规程》将双K断裂模型作为该规程的基本理论依据，并将该模型的双K断裂参数作为试验规程要求测定的基本断裂参数。为配合该规程的制定，本文进行了19个三点弯曲梁试件和25个楔入劈拉试件共43个试件的断裂试验，对小骨料混凝土双K断裂参数的起裂韧度和失稳韧度进行直接试验测定。所有试件均为同批浇注相同级配，最大骨料粒径为10mm，试验中采用了电阻应变片法作为确定起裂荷载的参考。结果表明，起裂荷载与最大荷载之比为0.67～0.71，起裂韧度与失稳韧度之比为0.45～0.50，变化较稳定；楔入劈拉试件高度大于等于400mm、三点弯曲梁试件高度大于等于200mm时，起裂韧度与失稳韧度基本为常数，但同组试件之间具有一定的离散性；两种试件形式的韧度值有一定的差异。根据本文试验数据计算得到的裂缝尖端开口位移临界值较断裂韧度参数更容易受到试件尺寸的影响，楔入劈拉试件高度大于600mm时，其值为0.056～0.070mm；三点弯曲梁试件高度大于300mm时，其值为0.040～0.047mm，比较稳定。     

不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件断裂过程试验研究

为探讨不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件断裂过程的差异性及其尺寸效应,设计了高度为0.25 m、0.30 m、0.40 m、0.50 m的4组16根不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件,对其进行全过程断裂试验,并分析了荷载~张口位移曲线、起裂和失稳荷载、起裂和失稳韧度等断裂参数的变化。结合双K断裂韧度计算方法,得到不同尺寸混凝土三点弯曲梁试件的起裂韧度和失稳韧度。结果表明:不同尺寸混凝土试件断裂过程具有差异性;起裂韧度不随试件高度的增加而变化,失稳断裂韧度随试件高度的增加而增大。试件高度从0.25 m增加到0.50 m时,失稳韧度增加了0.40 MPa·m1/2。     

混凝土断裂韧度两种测试方法比较

本文对三点弯曲梁与楔入劈拉法测定混凝土断裂韧度进行了比较分析，结果表明：两种试验方法测定混凝土的断裂韧度误差在10％以内，与三点弯曲梁相比，楔入劈拉法试件较小，测试人员劳动强度较小，材料消耗少，适宜碾压混凝土试件制作。三点弯曲梁的测试稳定性较好。     

现场浇筑大坝混凝土起裂断裂韧度研究

利用我国西南部某特高拱坝施工现场的拌合楼,浇筑成型骨料最大粒径150 mm的大坝混凝土楔入劈拉试件,试件尺寸分别为800 mm×800 mm×450 mm、1 000 mm×1000 mm×450 mm和1 200 mm×1 200 mm×450mm。通过试验获得现场浇筑大坝混凝土试件的起裂荷载,进而由有限元计算得到其起裂断裂韧度值,分析了龄期变化对起裂断裂韧度的影响规律,给出了起裂断裂韧度随试件尺寸的变化规律。结果表明,通过现场浇筑试件,得到大坝混凝土的起裂断裂韧度,能够真实反映大坝的实际断裂性能。现场浇筑大坝混凝土的起裂断裂韧度随着龄期增加而增加,180 d龄期的现场浇筑大坝混凝土的起裂断裂韧度在试件有效高度800~1 200 mm范围内不存在明显的尺寸效应。     

大尺寸混凝土试件的断裂韧度

本文采用最大尺寸为１２００ｍｍ×１２００ｍｍ×２００ｍｍ的楔入劈拉混凝土试件进行断裂试验，发现当试件高度达８００ｍｍ时，所测得的断裂韧度ＫＩＣ值与试件尺寸无关．因此线弹性断裂力学可很好地应用于大体积混凝土结构的裂缝稳定性分析．对于像高混凝土坝那样的大体积混凝土结构的裂缝评定问题，可以采用断裂韧度准则．     

配筋对混凝土双K断裂参数的影响研究

为了确定在混凝土中配筋对试件断裂参数的影响,采用尺寸为1 000 mm×200 mm×200 mm的3组不同缝高比的钢筋混凝土试件进行试验。通过在初始裂缝两侧粘贴应变片确定了起裂荷载,计算出了钢筋混凝土试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度,并与相同缝高比的素混凝土试件进行了对比。结果表明,在混凝土中配筋,其起裂断裂韧度与失稳断裂韧度分别可以提高8.6%与15%;缝高比越大,钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度值越小;钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度的比值要比素混凝土试件的小,表明在混凝土试件中加入钢筋后可以提高结构的延性;钢筋混凝土试件的初始缝长与临界有效缝长的比值介于0.65～0.88。     

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。     

钢筋混凝土断裂参数试验研究

按照三点弯曲梁断裂试验方法测得试件最大荷载、裂缝张口位移等参数,依据《水工混凝土断裂试验规程》计算出试件的断裂韧度值。分析了钢筋在混凝土中的限裂作用,同时利用声发射技术判断起裂点。试验结果表明:采用声发射振铃计数曲线、事件计数曲线、声发射能量曲线、振幅曲线判断起裂荷载具有较高的准确性;钢筋在混凝土试件中起到限裂作用,钢筋的位置对试件断裂韧度具有一定影响。     

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。     

水泥净浆和水泥砂浆材料的Ⅰ型断裂韧度测定

本文针对水泥净浆和水泥砂浆两种灌浆材料，采用三点弯曲梁进行了不同强度、不同尺寸以及不同初始缝高比的断裂试验。根据水工混凝土断裂试验规程，利用试验中测得的最大荷载及对应的裂缝口张开位移计算了水泥净浆和水泥砂浆的失稳断裂韧度，并通过电阻应变片法确定的起裂荷载得到了二者起裂韧度的实测值。试验中发现，水泥净浆并不是一经起裂就失稳破坏，而是在失稳破坏前存在着一个比较明显的裂缝稳定扩展过程。结果表明，随试件强度的提高，两种材料的起裂韧度和失稳韧度均增大，而随试件尺寸和初始缝高比的变化，水泥净浆的起裂韧度和失稳断裂韧度     

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。     

试件形式对混凝土失稳韧度的影响

为了确定用三点弯曲梁和楔入劈拉两种形式试件所测的混凝土失稳韧度是否相同以及有多大差异,从两种形式试件的比值入手,对二者失稳韧度的关系进行了分析.结果表明,当试件的混凝土材料相同、高度也相同时,用三点弯曲梁和楔入劈拉试件测得的混凝土失稳韧度差异甚小.     

基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象

混凝土作为一种人工石材,由于浇筑过程的影响,其断裂破坏过程不可避免地存在一定随机性。利用声发射实时动态无损监测技术,分析了带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件裂缝扩展发生偏移和钢筋混凝土三点弯曲梁破坏荷载循环增减等特殊试验现象存在的客观性。试验分析发现,预制裂缝尖端粗骨料的存在,致使裂缝并非沿着预制裂缝直接向前扩展,而是出现绕道扩展的现象;配筋率过大时,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的破坏荷载值将维持在钢筋极限屈服强度附近循环变化。可见,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的失稳荷载取决于配筋率的高低。研究成果表明声发射技术可为开展混凝土损伤断裂试验提供一种新的研究手段。     

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。     

现场浇筑大坝混凝土与湿筛混凝土起裂韧度换算关系研究

本文研究现场浇筑大坝混凝土与湿筛混凝土起裂韧度的换算关系。利用中国某特高拱坝施工现场拌合楼生产混凝土拌合物,浇注成型不同试件尺寸的骨料最大粒径150 mm的大坝混凝土试件,以及骨料最大粒径40 mm的湿筛混凝土试件。通过试验分别获得了大坝混凝土及湿筛混凝土各试件的起裂荷载,进而由有限元计算得到其起裂韧度。分析了大坝混凝土与湿筛混凝土的起裂韧度随试件尺寸变化而变化的规律,研究发现,不论大坝混凝土试件,还是湿筛混凝土试件,当韧带高度与骨料最大粒径比值大于等于6.0后,起裂韧度均趋于稳定值。基于试验结果,建立了小尺寸湿筛混凝土试件推求大尺寸大坝混凝土试件起裂韧度的关系式。     

钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程模拟

改进后的扩展有限元法位移函数能够更好地反映真实的裂缝尖端渐近位移场,而且无需后处理便可求得应力强度因子,从而为分析裂缝扩展过程提供了便利。为研究钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程的规律,采用改进后的扩展有限元方法模拟了不同配筋率和不同钢筋位置的三点弯曲梁。文中阐述了改进后扩展有限元法的基本原理,利用虚功原理推导了其支配方程,并介绍了钢筋混凝土三点弯曲梁的应力强度因子计算方法。研究表明:对于超筋结构,起裂断裂韧度与试件配筋率无关;钢筋处于临界位置时起裂韧度与失稳韧度均达到最小值0.567和1.666 9 MPa·m0.5,且钢筋贯穿裂缝时的断裂韧度小于钢筋未贯穿裂缝时的值,对含有宏观裂缝的结构进行锚杆加固时应将锚杆置于裂缝前端。     

基于扩展有限元法的混凝土三点弯曲梁裂缝扩展模拟研究

扩展有限元法(X-FEM)是一种研究裂纹扩展的有效路径,其基于单元分解的思想引入了加强函数,避免了在处理非连续问题时对网格重新划分。利用扩展有限元法模拟了混凝土三点弯曲梁开裂的全过程,得到了三点弯曲梁在不同缝高比、不同试件厚度条件下的荷载-位移曲线(P-CMOD),结合线性叠加原理和双K断裂准则计算其断裂参数,同时对这些参数进行比较分析。对不同距离偏置裂缝三点弯曲梁进行数值模拟,分析了初始裂缝位置对裂纹发展规律和承载力的影响。通过与已有试验得到的断裂规律进行比较,结果表明:起裂荷载和失稳荷载随缝高比增大而减小;随着试件厚度增大,起裂荷载和失稳荷载随之增大,但起裂韧度和失稳韧度没有明显变化;数值模拟结果符合试验的断裂规律,验证了扩展有限元的合理性。     

混凝土K_R阻力曲线的实用解析方法

根据混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则,提出了新的KR阻力曲线及计算新方法。该KR阻力曲线认为,裂缝的扩展阻力由混凝土材料起裂断裂韧度KiniIc和黏聚力提供的阻力组成并等于裂缝扩展的驱动力。采用该方法,只需给出混凝土的起裂断裂韧度KiniIc,弹性模量E,抗拉强度ft和断裂能GF便可计算混凝土的KR阻力曲线,而无需测定试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)全曲线。在此基础上,研究了混凝土三点弯曲梁试件强度等级从C20到C120的KR阻力曲线,计算了强度相同初始缝高比不同以及初始缝高比相同而试件高度不同的混凝土KR阻力曲线,并探讨了各种情况下的断裂过程区长度以及黏聚力分布。研究结果表明:混凝土强度等级提高,KR阻力曲线上升,但其上升幅值逐渐减小,强度等级在C60以后,其上升幅值趋于稳定;混凝土的KR阻力曲线存在一定的尺寸效应,当韧带长度足够大时,KR阻力先增大,而后趋于稳定;混凝土强度等级提高,最大完整断裂过程区长度减小;试件的尺寸对断裂过程区长度也有着较大影响。