混凝土断裂能的边界效应

本文从试件边界条件对断裂性能的影响出发,通过局部断裂能在韧带分布的连续光滑曲线假定,给出了真实的混凝土断裂能表达式,称为光滑曲线模型,并与受扰韧带模型及双线性模型进行了初步比较,同时,进行了4组不同韧带长度的楔人劈拉试验.结果表明,根据断裂功方法测得的混凝土断裂能的尺寸效应是由于局部断裂能在试件韧带上分布的不均匀引起的,而此分布特性受试件边界条件的影响;当试件尺寸足够大时由试验测得的断裂能即为混凝土的真实断裂能,也就是试验测试值的极限值;本文模型计算得到的混凝土断裂能与受扰韧带模型及双线性模型的计算结果非常接近,但3个模型在描述边界条件对其影响的程度上却各不相同,有待于做进一步研究.     

重力坝模型的尺寸效应

利用两个不同比尺预制缝重力坝模型的试验成果，以有限元富集技术进行非线性断裂分析，建立了极限承载力和长度比尺的确定性尺寸效应公式。混凝土重力坝的断裂尺寸效应满足指数衰减关系，用三次指数衰减公式可以准确地预测原型的极限承载力。断裂过程区的相对长度是引起模型试验尺寸效应的主要原因。数值计算结果表明，断裂过程区相对长度不仅是与材料有关的参数，能否充分发展还取决于结构尺寸和几何形状；断裂过程区相对长度的尺寸效应不同于统计尺寸效应和断裂参数尺寸效应，具有尺寸范围效应。断裂过程区相对长度在小试件、大试件和相对无穷大试件的发展程度不同。     

混凝土断裂能尺寸效应的细观方法

本文提出了混凝土断裂能尺寸效应的细观方法。首先，根据混凝土细观结构的边界效应确定主宏观裂缝的分形维数，发现此分形维数随着离边界距离的不同而变化。为了计算这一变分形维数主宏观裂缝的长度，通过延伸分形曲线长度的定义，提出了分形长度与欧几里得长度的微分关系。其次，应用能量等价原理，将混凝土名义断裂能表示成分形断裂能、分形维数、细观结构参数和混凝土试件尺寸的函数。进一步的理论分析表明该名义断裂能的基本力学特征与混凝土宏观实验现象一致。最后，本文的理论预测与一些混凝土实验结果进行了比较，证实了该方法的有效性。     

多裂纹混凝土等效断裂模型研究

根据混凝土材料断裂过程区存在尺寸效应这一特点,结合混凝土断裂韧度的尺寸效应规律,对混凝土有效裂缝扩展量进行了研究,得到反映尺寸效应规律的有效裂缝扩展量表达式,进而得到与试件尺寸相关的混凝土多裂纹等效断裂模型,使得多裂纹等效断裂模型更符合断裂过程区的尺寸效应规律。同时,通过与在实际工程中已用的其他模型的计算结果相比较,得出此模型比较可靠的结论。     

混凝土断裂能的测试及尺寸效应

在混凝土断裂能的测试中存在两个问题,一是用不同的试验方法得到的断裂能数值不尽相同;二是不同几何尺寸试件存在尺寸效应。本文首先详细讨论了目前广泛使用的几种混凝土断裂能试验方法的优缺点,然后用三点弯曲试验着重探讨了试件尺寸对断裂能的影响,并讨论了尺寸效应的力学机理。     

楔入式紧凑拉伸法确定混凝土的断裂能

本文采用楔入式紧凑拉伸法，对6组不同高度的36个楔入式紧凑拉伸试件进行了断裂试验，研究混凝土断裂能的确定方法和尺寸效应。根据断裂功的计算原理用所测得的荷载与裂缝张开口位移曲线，分别采用幂函数和指数函数拟合得到的尾部曲线对断裂能的贡献，计算出试件的断裂能。结果表明，两种函数拟合得到的尾部曲线有所不同，由此所计算出的断裂能也有一定差异，200mm高的试件的断裂能略小，当试件高度大于300mm后，断裂能不随试件高度的增大而变化，各种尺寸试件断裂能的平均值为204N/m。可认为采用本文试验方法所确定的断裂能在试验的试件高度范围内基本上是常值，无明显尺寸效应。     

混凝土断裂能的测试及尺寸效应

在混凝土断裂能的测试中存在两个问题，一是用不同的试验方法得到的断裂能数值不尽相同，二是不同几何尺寸试件存在尺寸效应。本文首先详细讨论了目前广泛使用的几种混凝土断裂能试验方法的优缺点，然后用三点弯曲试验着重探讨了试件尺寸对断裂能的影响，并讨论了尺寸效应的力学机理。     

边界效应与尺寸效应模型的本质区别及相关设计应用

本文研究了边界效应模型(BEM)与尺寸效应模型(SEM)的本质区别及设计应用功能。研究发现:对于SEM,不同缝高比α的试件须应用4个不同的多参数经验方程,且SEM仅限于试验数据拟合功能。BEM仅有唯一解析解,一方面,可由试验数据拟合确定材料参数——断裂韧度KIC和拉伸强度ft;另一方面,可由已确定的KIC和ft建立描述结构破坏的完整设计曲线。基于BEM,进一步分析了试件到结构变化(尺寸高度W从25到25000 mm),对材料3种破坏模式(ft强度控制、KIC韧度控制、准脆性断裂)的本质影响规律。理论研究表明:对于裂缝非常长和尺寸非常大的结构,已满足线弹性断裂条件,因而无须采用尺寸效应模型。尺寸效应的研究仅可应用于裂缝尖端靠近前边界或者后边界的情况,尺寸效应仅为边界效应的特例。最后,基于W依次为40、93、215和500 mm,α依次为0、0.02、0.075、0.15和0.3的混凝土三点弯曲梁的断裂试验成果,采用BEM系统分析了不同试验数据的组合情况对材料参数KIC和ft确定的影响规律。试验结果分析表明:当试验数据满足一定数量后,从整体数据中任意删去1组或2组数据,采用BEM确定的KIC和ft变化较小而基本一致。由不同尺寸W而相同缝高比α的几何相似试件,或不同缝高比α而相同尺寸W试件的峰值荷载Pmax,都可确定出材料参数KIC和ft。本文所提BEM为解决由小尺寸试件确定无尺寸效应的材料参数,及由材料参数预测实际结构破坏等问题提供了新的思路。     

用边界效应理论考虑断裂韧性和拉伸强度对破坏的影响

采用边界效应理论,研究了断裂韧性和拉伸强度对材料与结构破坏的影响。边界效应模型中通过引入等效裂缝,可同时反映试件前边界与后边界对断裂特性的影响;基于等效裂缝与特征裂缝的比值,即可判断试件处于强度准则、韧度准则或准脆性断裂等何种破坏模式。边界效应模型不仅适用于线弹性断裂条件,而且适用于弹塑性断裂分析,解决了ASTM规范及RILEM规范的局限。鉴于ASTM规范确定材料断裂韧度对试件初始缝长与试件尺寸等的严格限制,本文基于边界效应理论,建立了由RILEM规范中小尺寸试件确定材料断裂韧度与拉伸强度的方法,相关试验成果证明了所提方法的合理性与适用性。     

基于粘结裂缝模型的混凝土断裂过程及参数研究

为研究混凝土细观结构对混凝土断裂参数的影响,基于ＡＢＡＱＵＳ平台进行二次开发,自编０厚度粘结单元嵌入程序,建立混凝土细观粘结裂缝模型对文献中的水工二级配混凝土断裂过程进行数值模拟并验证数值模型的准确性。在此基础上结合边界效应模型预测混凝土的断裂参数以及分析骨料粒径、骨料形状对混凝土断裂参数的影响。结果表明:混凝土细观粘结裂缝模型能准确模拟混凝土损伤断裂全过程,数值模拟得到的荷载－裂缝口张开位移曲线关键点与文献中试验所得关键点平均值相对误差在１０％以内;数值模拟结果经边界效应模型计算得到的混凝土抗拉强度、断裂韧度与文献中采用规范公式计算的相对误差在７％以内;随着骨料平均粒径的增大,混凝土材料的抗拉强度逐渐减小,断裂韧度逐渐增加。该研究可为混凝土断裂参数的预测提供参考。     

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。     

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。     

钢纤维混凝土断裂过程测试与力学性能

为了研究钢纤维混凝土的断裂过程和承载力的估算方法，通过加载试验机分别对四种不同尺寸的钢纤维混凝土试件进行楔入式劈裂断裂实验，并对其中两个试件粘贴应变片进行跟踪电测。实验得到了一系列载荷–位移关系曲线，由数据计算获得各个试件的载荷与张开位移关系曲线，以及断裂损伤区变形随载荷变化曲线。结合黏聚裂纹应力强度因子与双 断裂准则，对各组试件的承载力进行估计，并将其计算值与实验结果的平均值作比较，两者较吻合；表明用断裂力学原理分析该类材料结构的初期失效，和估计中小尺寸构件的承载能力是可行的。     

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。     

Mode-I fracture and durability of FRP-concrete bonded interfaces

In this study, a work-of-fracture method using a three-point bend beam （3PBB） specimen, which is commonly used to determine the fracture energy of concrete, was adapted to evaluate the mode-I fracture and durability of fiber-reinforced polymer （FRP） composite-concrete bonded interfaces. Interface fracture properties were evaluated with established data reduction procedures. The proposed test method is primarily for use in evaluating the effects of freeze-thaw （F-T） and wet-dry （W-D） cycles that are the accelerated aging protocols on the mode-I fracture of carbon FRP-concrete bonded interfaces. The results of the mode-I fracture tests of F-T and W-D cycle-conditioned specimens show that both the critical load and fracture energy decrease as the number of cycles increases, and their degradation pattern has a nearly linear relationship with the number of cycles. However, compared with the effect of the F-T cycles, the critical load and fracture energy degrade at a slower rate with W-D cycles, which suggests that F-T cyclic conditioning causes more deterioration of carbon fiber-reinforced polymer （CFRP）-concrete bonded interface. After 50 and 100 conditioning cycles, scaling of concrete was observed in all the specimens subjected to F-T cycles, but not in those subjected to W-D cycles. The examination of interface fracture surfaces along the bonded interfaces with varying numbers of F-T and W-D conditioning cycles shows that （1） cohesive failure of CFRP composites is not observed in all fractured surfaces; （2） for the control specimens that have not been exposed to any conditioning cycles, the majority of interface failure is a result of cohesive fracture of concrete （peeling of concrete from the concrete substrate）, which means that the cracks mostly propagate within the concrete; and （3） as the number of F-T or W-D conditioning cycles increases, adhesive failure along the interface begins to emerge and gradually increases. It is thus concluded that the fracture properties （i.e.     

Mode-Ⅰ fracture and durability of FRP-concrete bonded interfaces

In this study, a work-of-fracture method using a three-point bend beam (3PBB) specimen, which is commonly used to determine the fracture energy of concrete, was adapted to evaluate the mode-Ⅰ fracture and durability of fiber-reinforced polymer (FRP) composite-concrete bonded interfaces. Interface fracture properties were evaluated with established data reduction procedures. The proposed test method is primarily for use in evaluating the effects of freeze-thaw (F-T) and wet-dry (W-D) cycles that are the accelerated aging protocols on the mode-Ⅰ fracture of carbon FRP-concrete bonded interfaces. The results of the mode-Ⅰ fracture tests of F-T and W-D cycle-conditioned specimens show that both the critical load and fracture energy decrease as the number of cycles increases, and their degradation pattern has a nearly linear relationship with the number of cycles. However, compared with the effect of the F-T cycles, the critical load and fracture energy degrade at a slower rate with W-D cycles, which suggests that F-T cyclic conditioning causes more deterioration of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP)-concrete bonded interface. After 50 and 100 conditioning cycles, scaling of concrete was observed in all the specimens subjected to F-T cycles, but not in those subjected to W-D cycles. The examination of interface fracture surfaces along the bonded interfaces with varying numbers of F-T and W-D conditioning cycles shows that (1) cohesive failure of CFRP composites is not observed in all fractured surfaces; (2) for the control specimens that have not been exposed to any conditioning cycles, the majority of interface failure is a result of cohesive fracture of concrete (peeling of concrete from the concrete substrate), which means that the cracks mostly propagate within the concrete; and (3) as the number of F-T or W-D conditioning cycles increases, adhesive failure along the interface begins to emerge and gradually increases. It is thus concluded that the fracture properties (i.e., the critical load and fracture energy) of the bonded interface are controlled primarily by the concrete cohesive fracture before conditioning and by the adhesive interface fracture after many cycles of F-T or W-D conditioning. As demonstrated in this study, a test method using 3PBB specimens combined with a fictitious crack model and experimental conditioning protocols for durability can be used as an effective qualification method to test new hybrid material interface bonds and to evaluate durability-related effects on the interfaces.     

大尺寸混凝土试件断裂过程中的声发射信号特性分析

为研究混凝土断裂过程中声发射参量的特性及其在同组试件之间的离散性,设计了4组混凝土三点弯曲梁试件进行损伤断裂全过程试验。通过分析试验得到的声发射参量特性值表明:声发射参量中振铃计数和能量均能很好的表征混凝土从起裂、稳定扩展到失稳扩展的损伤断裂全过程;门槛值的变化对振铃计数造成的影响最为显著,但在同组试件之间振铃计数的离散性小,且试件尺寸越大,声发射各参量离散性越小,表明声发射参量能够揭示大尺寸混凝土的损伤断裂破坏机理。     

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。     

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。