基于扩展有限元的混凝土三点弯曲梁断裂性能数值模拟研究

基于扩展有限元法,模拟了不同宽度混凝土三点弯曲梁的断裂破坏过程,得到了荷载-裂缝口位移曲线;对不同宽度、缝高比、跨高比的三点弯曲梁断裂过程进行模拟并利用双K断裂准则得出了不同宽度、缝高比、跨高比等条件下的应力强度因子,研究了这三种参数的变化对应力强度因子的影响。研究结果表明:当跨高比、缝高比等于0.4,梁宽在100~250 mm范围内变化时,其起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un基本保持不变;当梁宽不变,跨高比等于4,缝高比从0.2增大到0.5时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un呈现先增大后减小的趋势;当梁宽不变,缝高比等于0.4,跨高比从2.5增大到3.5时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ保持不变,失稳断裂韧度K_Ic^un将逐渐增大但幅度很小;当跨高比不变,缝高比等于0.4,梁宽在100~250 mm的范围内变化时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un均呈现先增大后减小的趋势,表明小跨高比的K_Icⁱⁿⁱ、K_Ic^un在梁宽度方向存在一定的尺寸效应。     

硫酸盐侵蚀环境下混凝土双K断裂参数试验研究

为了评估硫酸盐侵蚀环境下混凝土的工作性能并为断裂分析提供依据,采用三点弯曲梁试验方法,研究在硫酸盐侵蚀和干湿循环双重作用下混凝土双K断裂参数等断裂性能的劣化规律.基于断裂力学理论,通过在裂缝尖端表面粘贴应变片来监测裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况,得到在不同硫酸盐侵蚀龄期下试件的P-CMOD曲线.以侵蚀系数为评价指标,采用混凝土双K断裂准则计算构件的失稳韧度和起裂韧度.结果表明:起裂荷载与最大荷载的比值PQ/Pmax大致分布在0.55～0.90,失稳韧度和起裂韧度在侵蚀初期均有较明显的增大,转折点分别为60和30d,之后随侵蚀龄期不断缓慢减小.与失稳韧度相比,起裂韧度受硫酸盐侵蚀因素的影响较敏感.     

砼压模剪切实验与数值分析

应用压模剪切加载方法对混凝土的Ⅱ型断裂破坏进行了实验和数值研究。计算了此加载下砼的Ⅱ型断裂韧度，对此加载下混凝土试件的裂纹扩展方式，断口形貌及裂纹尖端和两裂尖韧带上的应力分布进行了详细的分析，。认为压模剪切试件能有效抑制张拉裂纹的扩展，实现砼的Ⅱ型破坏。     

白鹤滩大坝低热水泥混凝土断裂性能试验研究

为正确评价白鹤滩大坝低热水泥湿筛混凝土断裂性能,在施工现场浇筑成型５组有效高度为２００～６００ｍｍ,初始缝高比为０．４的楔入劈拉混凝土试件,开展不同尺寸试件的断裂性能试验。根据试验结果,采用双 Ｋ 断裂准则对低热水泥湿筛混凝土断裂性能的尺寸效应展开分析。结 果 表明：不同尺寸试件起裂荷载与峰值荷载的比值为０．６６～０．８７;当试件有效高度达到５００ｍｍ 时,即可得到稳定的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能,分别为１．２６ＭＰａ·ｍ１／２,１．９８ ＭＰａ·ｍ１／２和３２０．７９Ｎ／ｍ。研究成果可为白鹤滩大坝开裂风险分析提供必要的材料参数。     

不同尺寸混凝土楔入劈拉试件双K断裂韧度试验研究与理论分析

为了研究不同尺寸的混凝土结构的断裂性能,设计了5组共20个不同截面高度的楔入劈拉试件进行混凝土断裂试验.改进了试验加载装置以抵消竖向力的作用,简化了分析计算.在双K断裂理论的基础上,采用应力强度因子叠加原理对不同截面高度的楔入劈拉试件的有效裂缝长度和双K断裂韧度进行了计算.试验结果表明:在200~700 mm设计的截面高度范围内,试件起裂荷载、失稳荷载及有效裂缝长度均随截面高度的增大而呈线性增大;起裂断裂韧度基本不受试件高度变化的影响;失稳断裂韧度在试件截面高度低于500 mm时表现出一定的尺寸效应,随试件高度增大而逐渐增大,当试件截面高度大于500 mm时其值趋于稳定,可认为是一个常数.     

氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂行为

为评估海洋、盐湖等环境中钢筋混凝土结构耐久性,通过试验与理论相结合探究氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂特性。通电腐蚀5%（质量分数）NaCl、5%NaCl+5%Na₂SO₄溶液中钢筋混凝土试件,对比分析混凝土表观形貌、钢筋锈蚀特征。设计伴随的混凝土腐蚀试验,类比保护层腐蚀劣化,分析混凝土力学性能。结果表明:硫酸盐的存在改变胀裂前混凝土形貌,使得单一氯盐侵蚀下的“白须”消失,表面粉化并出现盐结晶,延长胀裂时间;复合侵蚀下钢筋锈蚀率低于单一氯盐侵蚀,二者均显著低于法拉第定律理论值;锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率线性相关,硫酸盐的存在增大裂缝随钢筋锈蚀发展的速率;通电环境中,受腐蚀混凝土的抗压强度先升高后降低,劈裂抗拉强度不断降低。提出受腐蚀混凝土的抗拉强度演化经验公式。在经典锈胀模型的基础上考虑锈蚀产物对裂缝的填充作用,并将硫酸盐的影响考虑至混凝土抗拉强度、钢筋腐蚀电流密度中,建立复合侵蚀下钢筋混凝土胀裂时间预测模型,并验证了模型的有效性。     

不同含水率混凝土断裂过程声发射试验研究

为研究不同含水率混凝土断裂过程的差异性,将干燥试件浸泡不同时间,使其达到不同含水率,基于声发射技术,对三点弯曲梁的破坏过程进行监测。通过比较声发射信号撞击计数、能量计数和振铃计数等不同发射信号来反映不同含水率对混凝土断裂过程力学性能的影响规律,并结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载,进一步分析水分对起裂韧度和失稳韧度的影响。试验结果表明,相比于P-CMOD曲线,声发射参数变化能更加直观地分析水分对混凝土断裂过程的影响。随着含水率的增加,起裂前,撞击计数累计值呈现增大趋势,起裂后,声发射参数值、峰值以及累计值均呈现减小趋势;损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低,饱和试件较干燥试件最大下降64%;饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大20.8%;     

不同钢纤维掺量的UHPC断裂性能试验研究

采用楔入劈拉试验方法,开展不同钢纤维掺量UHPC和普通混凝土(NC)、高强混凝土(HSC)断裂性能的试验研究。结果表明:与NC和HSC相似,UHPC断裂过程也可分为起裂、裂缝扩展和失稳破坏阶段;不掺钢纤维的UHPC0相比于NC、HSC呈无征兆的脆性断裂,掺入钢纤维后UHPC由多条微裂纹汇聚为一条曲折的主裂缝并因钢纤维的拔出而破坏;与NC相比,UHPC0的起裂韧度提高了31%,失稳韧度和断裂能反而降低(分别为72%和45%),而掺入1%钢纤维的UHPC1的起裂韧度、失稳韧度和断裂能分别提高到3.60倍、10.96倍和49.16倍;随着钢纤维掺量的增加,UHPC起裂韧度大致呈线性增长,失稳韧度与断裂能也随之增长,但其提高幅度逐渐趋缓,表明钢纤维的掺入可改善UHPC强度高而脆性强的特性,提高UHPC抗断裂性能。     

大坝和湿筛混凝土起裂荷载的确定方法

混凝土材料的断裂破坏特征是准脆性的,也就是说裂缝的发展是一个过程量,断裂荷载-位移曲线呈现非线性是由断裂过程区的发展所造成的,而对于采用双K断裂模型准则来说,要来预测大坝混凝土的裂缝发展状态,需要实测混凝土的断裂控制参数起裂韧度KiniIC和失稳断裂韧度KunIC.裂缝在开裂时,裂缝所对应的初始长度记为a0,所对应的荷载称之为起裂荷载Pini.要获得起裂韧度KiniIC的实测值需要测定起裂荷载Pini的值.Pini的试验确定对双K断裂参数的实测值十分重要.     

盐渍土环境中钢筋混凝土基于Wiener随机过程寿命预测

针对西部盐渍土地区混凝土结构耐久性寿命较短的突出问题,将钢筋混凝土试件置于格尔木盐渍土地区进行现场埋置,每隔150d定期搜集试件超声声速、质量及钢筋电阻等无损退化指标,通过动弹性模量评价参数ξ_a、质量评价参数ξ_b、钢筋未锈蚀评价参数ξ_c及SEM图像从宏观、微观两方面进行耐久性损伤劣化评价分析,选择Wiener随机过程建模并进行寿命预测,研究结果表明：在腐蚀离子及气候的综合作用下混凝土ξ_a及ξ_b值呈波动式变化,初期略有上升,中后期加速下降,ξ_a值对混凝土性能变化更敏感,钢筋ξ_c值基本呈直线下降；腐蚀性阴离子进入混凝土中生成Friedel’s盐、硅灰石膏、钙矾石、石膏、碳酸钙等晶体,腐蚀产物呈棒状、杆状、纤维状、针状,钢筋锈蚀产物呈颗粒状、团簇状堆积,表面有蚀坑形成；Wiener随机过程模型可以很好地预测盐渍土环境中钢筋混凝土寿命,各退化指标得到的寿命曲线呈两阶段变化,钢筋退化指标得到的寿命曲线第一阶段持续时间更长,而混凝土退化指标得到的寿命值高于钢筋退化指标得到的寿命,且通过混凝土动弹性模量得到的寿命低于质量退化指标寿命,以钢筋退化指标得到C35、C40、C45钢筋混凝土在格尔木盐渍土环境中的服役寿命分别约为4500d、5000d及5800d。     

Tests and simulation analysis on fracture performance of concrete

To obtain the fracture parameters of concrete, fracture tests were conducted with three-point bending beam method aiming at 30 concrete beams with different sizes and different intensity. The concrete specimen with prefabricated crack to determine the fracture parameters of concrete were conducted and the fracture performance of the specimen was analyzed. The test results show that, initial fracture toughness is unrelated to the size of specimens; while unstable fracture toughness is related to the size of specimens. As for specimens of bastard size, when concrete intensity is relatively low, unstable fracture toughness increases along with the increase of intensity; when concrete intensity is relatively high, unstable fracture toughness will decrease; when concrete intensity increases continuously, unstable fracture toughness will further increase somewhat. As for specimens of standard size, unstable fracture toughness will increase along with the increase of intensity. Aiming at concrete beam specimens, we conducted two-dimensional non-linear finite element analysis, obtained the stress intensity factor, and carried out contrastive analysis with the experimental results.     

非均匀锈蚀钢筋-混凝土黏结性能试验

为探究非均匀锈蚀对钢筋与混凝土黏结性能的劣化规律,浇筑了8榀钢筋混凝土梁试件,首先通过外加电流引入钢筋锈蚀;钢筋达到设计质量损失率后停止通电,记录混凝土表面锈胀裂缝开展情况;然后对梁试件施加三点弯曲荷载以测试其黏结性能;最后梁试件黏结破坏后,将黏结区锈蚀钢筋取出进行三维扫描测试。试验结果表明:钢筋锈蚀产物体积膨胀引起混凝土保护层产生沿纵向受拉钢筋轴线方向的锈胀裂缝,且混凝土表面最大锈胀裂缝宽度与钢筋质量损失率呈对数关系;锈蚀钢筋表面存在锈坑,随着钢筋质量损失率增加到10.3%,锈坑总长度、总宽度和总深度分别显著增加了68.27、40.21、9.98 mm,即锈坑总长度随钢筋质量损失率的增加变化最为显著。基于试验结果,建立了考虑非均匀锈蚀影响的钢筋与混凝土相对黏结强度退化模型以及质量损失率与混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相关关系模型;并据此提出了基于混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相对黏结强度计算模型,且验证了模型的有效性。     

钢结构厚板的低温断裂韧性试验

针对钢结构厚板工程中脆性裂纹事故时有发生的问题,研究了钢材厚度与断裂韧性的关系.采用三点弯曲试样,利用厚板钢材Q345B在低温下对结构进行了裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,试验选取了不同的钢板厚度、不同的试验温度和沿厚度方向不同的取样位置,分析了断裂韧性随钢板厚度、试验温度与取样位置的变化规律,并采用Boltzmann函数对断裂韧性随温度变化曲线进行了拟合,分析了各厚度钢板的韧脆转变温度.试验结果表明:厚板的断裂韧性随温度的降低而减小; 厚度较大的钢板其断裂韧性相对更差; 沿厚度方向从表面到中心位置,断裂韧性逐渐降低.     

粉煤灰取代率对再生混凝土断裂性能影响试验研究

为了研究不同粉煤灰取代率对富含砖粒再生混凝土断裂性能的影响,以RC25为基准再生混凝土,并以粉煤灰取代率为0%、10%、20%、30%为变化参数,制作了四组尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的富含砖粒再生混凝土三点弯曲梁试件。通过三点弯曲梁的断裂韧度试验,研究了富含砖粒再生混凝土随粉煤灰取代率的变化规律。结果表明:当粉煤灰取代率为10%时,富含砖粒再生混凝土的起裂韧度和失稳韧度提高幅度分别为4.61%和7.44%,当粉煤灰取代率超过10%后,随着粉煤灰取代率的增加,断裂韧度逐渐减小,最大降幅为12.21%。给出了富含砖粒再生混凝土的双K断裂韧度与粉煤灰取代率的关系式。     

长江三峡大坝混凝土双K断裂参数试验研究

对长江三峡工程泄洪坝段原材料制成的大坝混凝土及其湿筛混凝土试件做直接拉伸试验,得到大坝混凝土及其湿筛混凝土断裂过程区的本构关系.结合标准三点弯曲切口梁试验,运用双K断裂模型,得到大坝混凝土和湿筛混凝土的双K断裂参数.试验结果表明,三峡大坝混凝土的起裂和失稳韧度均大于其湿筛混凝土,前者分别为后者的1.14和1.19倍.     

尺寸效应对钢筋混凝土梁裂缝的影响

运用断裂力学分析方法并采用断裂韧度判据研究尺寸效应对钢筋混凝土梁裂缝的影响。首先将三点弯曲梁自重、荷载、钢筋以及断裂过程区的粘聚力在裂缝尖端产生的应力强度因子叠加,检验其是否超过断裂韧度,以判断裂缝是否扩展。然后通过增大荷载以及增加裂缝长度的方式迭代计算,求得相应尺寸构件的承载能力,整个计算过程采用Matlab编程来实...     

尺寸效应对钢筋混凝土梁裂缝的影响

运用断裂力学分析方法并采用断裂韧度判据研究尺寸效应对钢筋混凝土梁裂缝的影响。首先将三点弯曲梁自重、荷载、钢筋以及断裂过程区的粘聚力在裂缝尖端产生的应力强度因子叠加,检验其是否超过断裂韧度,以判断裂缝是否扩展。然后通过增大荷载以及增加裂缝长度的方式迭代计算,求得相应尺寸构件的承载能力,整个计算过程采用Matlab编程来实现。研究结果表明,尽管钢筋对混凝土梁的裂缝扩展起到限制作用,使其呈现出“塑性”特征,但是钢筋混凝土梁仍然存在尺寸效应现象,只是与素混凝土相比不明显。     

三点弯曲下PVA-尾矿砂水泥基复合材料断裂特性

针对混凝土的早期开裂问题,设计了PVA-尾矿砂水泥基复合材料三点弯曲梁试验,研究了尾矿砂掺量、缝高比、纤维掺量以及使用条件对断裂韧度和断裂能的影响规律.通过试验得出P-δ曲线和P-COM D曲线,并计算断裂韧度和断裂能.结果表明:断裂韧度与缝高比成反比,且随着纤维掺量的增加而增加,但尾矿砂对断裂韧度的影响却很小;断裂能随纤维掺量的增加而增加,随尾矿砂掺量的增加而降低;正常使用条件下的断裂能、断裂韧度计算值比腐蚀使用条件下的断裂能、断裂韧度计算值均增大约10%.     

硫化氢腐蚀疲劳环境中高压气瓶临界裂纹尺寸计算

针对当前高压天然气瓶缺乏“检验与评价标准”的现状,按照断裂力学与概率统计理论,从H2S应力腐蚀角度出发,在符合实际工况的中等质量分数的H2S溶液、6．7μHz超低周频率下进行了系列试验,得到了腐蚀疲劳裂纹扩展速率dα／dN-△K的数学表达式．用逆推方法,在综合考虑H2S应力腐蚀下的极限裂纹尺寸、腐蚀疲劳环境中的裂纹扩展量、实验数据的随机性与可靠度、不同检验周期实用性的基础上,定量给出了多种检验周期下气瓶初始最大允许裂纹尺寸,绘制了裂纹评定图,为制定气瓶的检验周期及进行寿命评估提供了实验依据．