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图像的混凝土受拉破损机理分析

通过混凝土在单轴拉伸荷载作用下的X射线CT试验,研究了混凝土受拉破损的机理.结果表明:CT差值图像可以有效识别裂纹;混凝土试件从初始裂纹出现到试件被破坏发展十分迅速;混凝土受拉破坏可以分为初始裂纹、孔洞的压密阶段,微裂纹的萌生和稳定发展阶段,裂纹贯通、宏观裂纹的出现及试件的破坏阶段.     

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。     

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。     

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。     

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。     

三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT试验分析

 利用RMT150岩石力学测试系统和高分辨率Sensation 40型医用CT机,对恒定围压下不同轴向加载应力阶段的粉砂岩试样进行多次CT扫描试验,得到了不同轴向应力条件下岩石断面的CT图像特征。基于CT数原理,分析了岩石不同应力状态下的损伤演化过程与损伤程度,通过试样CT图像三维重建,较真实地反应了岩石试样细观损伤过程。试验研究表明：试样在试验过程中经历压密、扩容及破坏阶段;岩石压缩损伤演化是有一个相对较长应力段的量变积累过程,裂纹产生及其扩展的质变过程具有突发性;试样破坏后,远离破裂面区域存在“密度回弹”现象。     

基于CT的混凝土动力破坏过程的试验研究

X射线CT是无损探测混凝土内部细观裂纹萌生、扩展、贯通的有效手段.基于现有的医用X射线CT机器,利用与其配套的专用动态加载设备,形成混凝土CT试验系统.归纳了混凝土CT研究的几个关键问题.通过对混凝土CT试验初步成果的分析,发现动压条件下混凝土裂纹起裂点多,裂纹演化速度快,能够解释混凝土宏观动态强度的变化机理.该研究可为探索动载条件下混凝土损伤演化规律提供新的途径.     

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。     

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。     

高拱坝强震开裂与配筋效果研究

本文基于混凝土塑性损伤理论,引入配筋混凝土断裂能加权计算方法,采用组合式钢筋混凝土模型和等效裂缝宽度的概念,提出了一种拱坝坝面配筋混凝土在动力荷载下的等效开裂计算模型,对高拱坝进行了梁向配筋的抗震效果分析。该模型应用于大岗山工程210m高的双曲拱坝的开裂计算,结果表明,尽管坝面配筋无助于防止混凝土裂缝的发生,但能够较有效地控制坝体裂缝的扩展,限制裂缝宽度,对提高坝体整体性与减小横缝开度具有一定的效果。     

基于单轴压缩CT试验的混凝土细观破损分区研究

在混凝土单轴压缩CT试验的基础上，将破损分区理论应用于混凝土CT图像的定量分析，定义了混凝土材料的安全区、损伤进行区和破损区，对分区的CT 阈值标准进行了讨论和经验选定。在此标准下，以CONC10-3扫描断面为例给出了分区的结果。并将3个扫描断面各加载阶段的安全区、损伤进行区和破损区的CT数均值进行统计分析，实现了对各个区上混凝土CT数均值随加载过程的变化规律的研究。利用破损分区理论对混凝土单轴压缩条件下的损伤演化规律进行分析，验证了混凝土材料在加载到破坏过程中经历了压密、扩容、CT尺度裂纹扩展、破坏四个阶段。     

混凝土应变率效应产生机理探讨

混凝土材料在动载作用下存在应变率敏感效应，其产生机理尚待深入研究。本文进行了全级配混凝土试件的细观数值模拟，分析了地震荷载作用下惯性、阻尼以及其它因素对动载增强效应的影响，讨论了所引入率效应强化参数的物理意义，同时分析了静载和动载作用下混凝土裂缝形态、变形滞后效应和损伤滞后效应。通过混凝土细观力学数值试验，分析研究了有关混凝土材料的声发射试验和CT观测成果、Eibl等人的惯性效应理论以及Stefan效应理论，认为在动载作用下混凝土材料变形的滞后性产生了损伤滞后性最终表现为应变率强化效应。     

膨胀土增湿和干燥过程中的细观结构变化研究

为了研究水分对膨胀土裂隙演化的影响,对重塑膨胀土进行了无约束条件下的湿干循环试验,并在试验过程中对土样进行CT扫描,跟踪试样裂隙生成以及闭合情况。研究结果表明:无约束条件下增湿和干燥都能引发裂隙的产生的和闭合;在增湿过程中小裂隙会闭合而大裂隙会扩展;在干燥过程中小裂隙会扩展而大裂隙会收缩。基于CT细观数据定义了损伤变量,建立了湿干循环过程中土的损伤演化方程。     

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点，而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程，本文在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上，建立了细观混凝土力学模型，提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法，对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究，利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明：细观模拟的裂纹形态与试验结果相符；裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程，可以定量描述材料损伤演化的特性；发现了混凝土从“均匀”损伤至局部破坏的临界点；细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小；随着混凝土试件骨料级配数的增加，骨料颗粒和界面减少，整体耗能降低，应力峰值和裂纹分形维均减小。此外，本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从“均匀”损伤进入局部破坏的临界点，是损伤和断裂的分界点，相应的损伤值约为0.8，该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的几个关键问题

位于我国西部强震区的高混凝土坝,如小湾、二滩等,施工期或运行期在坝体表面以及坝体内部出现了一定范围的裂缝。鉴于这些高坝工程的极端重要性,裂缝在地震作用下的扩展性问题为学术界和工程界关注。针对混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的关键性问题,包括地震动输入、坝体已有裂缝及其裂缝处理措施的模拟、缝端混凝土破损路径及其破损程度的模拟等研究现状分别进行讨论。最后指出了下一阶段的研究方向。