混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则及裂缝扩展全过程的数值模拟

本文将起裂断裂韧度作为材料参数,提出了混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则,即当外荷载引起的裂缝尖端应力强度因子与黏聚力引起的裂缝尖端应力强度因子的差值达到起裂断裂韧度时,裂缝开始扩展。在此基础,上采用有限元法对混凝土Ⅰ型裂缝的断裂过程进行了数值模拟,分别计算了不同尺寸混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移全曲线、临界裂缝亚临界扩展量、失稳断裂韧度并与应用DIANA软件的数值分析结果及试验结果进行了比较,吻合良好。研究还表明,只要给出混凝土的弹性模量、抗拉强度和起裂断裂韧度,即可用本文提出的方法计算混凝土失稳断裂韧度及裂缝扩展全过程。     

UHTCC三点弯曲梁裂纹扩展的数值模拟研究

为了探究超高韧性水泥基复合材料(简称UHTCC)断裂性能,选取三点弯曲梁作为研究对象,应用ABAQUS软件中的扩展有限元方法(XFEM)分析模块,模拟分析了加载条件下三点弯曲梁的裂纹扩展过程和规律,并进行了UHTCC力学参数敏感性分析。根据数值模拟结果,分析了三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载、起裂韧度、临界等效裂缝长度、失稳断裂韧度等指标。结果表明,数值模拟结果与物理试验结果总体一致,UHTCC比普通混凝土具有很好的抗开裂能力和延性;在弹性模量、抗拉强度、断裂能参数原值的基础上,分别提高30%和降低30%。分析了3个力学参数对三点弯曲梁的起裂荷载、失稳最大荷载及其对应的裂缝张开位移影响程度。参数敏感性分析结果表明,弹性模量愈小,抗拉强度愈大,材料断裂失稳延性愈明显,而断裂能对断裂失稳延展性影响不明显。研究成果为UHTCC的材料设计、推广应用以及相应的结构分析等具有参考价值。     

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。     

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。     

相对切口深度对混凝土断裂性能影响试验研究

以双K断裂模型为理论基础,采用混凝土标准三点弯曲梁试件,通过试验测得相对切口深度a0/h为0~0.6的5组试件的起裂荷载P_(ini)、断裂荷载P_(max)及临界裂缝口张开位移CMOD,计算得到起裂韧度K_(Ic)~(ini)、K_(Ic)~(un)断裂韧度,并使用立体显微镜对破坏后的混凝土进行切口尖端裂纹以及断裂面观察,探究其裂缝开展情况,以分析相对切口深度对混凝土断裂性能的影响。结果表明:相对切口深度越大,则试件起裂越早,而起裂荷载与断裂荷载的比值随初始缝高a_0的增大无明显变化,初始缝高对起裂荷载和断裂荷载的影响呈线性相关;起裂韧度和断裂韧度随着相对切口深度的增大无明显减小趋势,两者的比值随相对切口深度也无明显变化,即双K断裂参数取决于材料本身固有特性,与切口深度无关;混凝土断裂过程复杂,存在明显的亚临界扩展阶段,该阶段裂纹绕开骨料发展,整个断裂过程中裂缝扩展路径呈现出曲折型。     

长期荷载对混凝土断裂性能影响的试验与数值研究

徐变对混凝土结构的耐久性有重要影响。为研究徐变对混凝土断裂性能的影响,对带有预制 裂缝的混凝土梁进行了30％极限荷载和起裂荷载两种水平的弯曲徐变试验,持载时间116ｄ,并对徐变 后试件进行三点弯曲梁试验。试验结果表明,30％极限荷载应力水平下,试件中裂缝没有发生扩展,而 起裂荷载应力水平下,试件中裂缝产生扩展。通过考虑微裂缝扩展的影响,计算了起裂荷载作用后试件 的临界裂缝扩展长度、断裂能和断裂韧度。计算结果表明,徐变过程中微裂缝的扩展对断裂能的影响不 大,但是持续起裂荷载作用后试件的临界裂缝扩展长度和失稳断裂韧度提高。最后,考虑徐变裂缝断裂 过程区的黏聚力松弛效应,引入基于起裂断裂韧度的裂缝扩展准则,数值计算了荷载－裂缝口张开位移 曲线,与试验结果对比吻合良好,验证了考虑长期荷载作用的裂缝扩展全过程数值方法的可行性。     

四点剪切条件下岩石-混凝土界面裂缝扩展过程研究

采用四点剪切型试件进行岩石-混凝土界面断裂试验,研究不同加载方式、缝高比、偏缝率下界面裂缝的扩展过程。采用界面断裂力学的方法计算裂缝尖端应力强度因子,提出了能预测裂缝发展不同模式的界面裂缝扩展准则,结合岩石-混凝土界面的拉伸软化本构曲线,通过有限元方法对四点剪切加载条件下界面裂缝扩展过程进行模拟,数值结果与试验结果吻合良好。结果表明:在得到界面、混凝土与岩石的抗拉强度、断裂能和起裂断裂韧度后,可以采用数值的方法预测裂缝扩展的不同模式,求解岩石-混凝土界面裂缝在Ⅰ-Ⅱ复合型应力场下的起裂荷载、极限荷载、裂缝扩展长度等断裂参数,模拟裂缝扩展全过程。更多还原     

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。     

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。     

内部裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响

为研究混凝土梁内部贯穿裂缝缺陷对其断裂性能的影响,设计了含不同裂缝缺陷混凝土梁的三点弯曲断裂试验,研究不同长度、位置及数量的水平裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响。通过试验测得的P-D_m曲线以及相关试验数据计算得到含不同裂缝缺陷的混凝土断裂参数与断裂能。对比结果可知:混凝土三点弯曲梁的起裂荷载和起裂韧度受水平裂缝缺陷参数变化的影响较小,而失稳荷载和失稳韧度受水平裂缝缺陷的影响较大;水平裂缝越长,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度和断裂能也越小。水平裂缝距离试件的底部越近,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度和断裂能也越小。水平裂缝数量越多,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度越小,断裂能也越小。该现象表明混凝土试件中含线性缺陷导致材料的缺失量越大,其完全断裂所消耗的能量越小,且测得的断裂参数值也越小。     

大掺量粉煤灰及塑钢纤维混凝土断裂性能研究

断裂韧度是衡量大掺量粉煤灰混凝土断裂性能的重要参数,在粉煤灰混凝土中掺入纤维能够改善其脆性大和易开裂的缺点。利用三点弯曲梁试验,通过控制异型塑钢纤维体积率、灰胶比和水胶比3个参数,分别考察它们对大掺量粉煤灰混凝土断裂韧度的影响。研究表明,大掺量粉煤灰混凝土的断裂韧度随异型塑钢纤维体积率的增加而增大,随灰胶比、水胶比增大而减小。     

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。     

预应力钢骨超高强混凝土梁抗弯性能非线性分析

为全面了解预应力钢骨超高强混凝土梁的受力性能,采用ANSYS对预应力钢骨超高强混凝土梁在静力荷载作用下的抗弯受力过程进行数值模拟分析,并与试验结果进行比较。结果表明,该模型所得的开裂荷载、极限荷载、钢筋屈服荷载以及荷载位移曲线与试验结果接近,验证了有限元模型的正确性。模型为预应力钢骨混凝土结构的非线性分析提供了一种较为准确的数值模拟方法。     

基于 ABAQUS 的混凝土软化曲线逆推分析开发应用

本文根据相关三点弯曲梁试验数据建立数值仿真模型对混凝土双线性软化曲线进行了逆推分析。为获得能够准确反映混凝土断裂过程区软化特性的软化曲线,通过 Python 脚本自编程,利用进化算法,以双线性软化曲线参数为优化变量,以数值仿真模型计算得到的 P － CMOD 曲线同试验测得的 P － CMOD 曲线之间的误差为目标函数,在 ABAQUS 平台上开发了对混凝土双线性软化曲线逆推分析程序。针对切口三点弯曲梁的逆推分析结果显示,双线性软化曲线第一下降段斜率决定数值计算得到的 P － CMOD 曲线的荷载峰值,逆推得到的 P － CMOD 曲线的荷载峰值同试验测得的 P － CMOD 曲线的荷载峰值之间的误差不超过 5% ,逆推得到的断裂能同试验计算得到的断裂能之间误差不超过10% ,说明该方法获得的软化曲线能够较准确地反映混凝土断裂过程的结构响应,验证了所提方法的有效性。     

高掺量钢纤维自密实混凝土梁抗弯性能分析

通过不断试配,获得体积掺量为3.0%的高掺量钢纤维自密实混凝土的配置方法,并在混凝土力学性能测试中得到相应配合比下混凝土的力学性能指标。利用ANSYS有限元软件,对所设计的试验梁以实测材料参数为依据进行数值模拟。计算结果表明,体积掺量为3.0%的钢纤维钢筋自密实混凝土梁与普通钢筋自密实混凝土梁相比,其开裂荷载、屈服荷载、弯曲韧性及结构刚度得到明显提升。通过对3.0%的高掺钢纤维自密实钢筋混凝土梁与普通钢筋自密实混凝土梁在裂缝宽度随荷载的变化规律及同一截面不同高度处混凝土应变的分布情况的对比分析,发现钢纤维具有良好的阻裂作用,并能有效提高混凝土的极限拉应变。