关于复合裂纹脆性断裂理论的探讨

本文对最大正应力理论、能量释放率理论、应变能密度理论和等W线上的最大正应力理论等作了评论。本文提出了最大拉应变理论和最大拉应变能密度理论。认为最大拉应变和最大拉应变能密度才是材料脆性断裂的决定因素,最大剪切应变能密度是材料剪切断裂的决定因素。     

基于统一强度理论的巴西圆盘劈裂强度分析

基于统一强度理论,构建了考虑2个较大主应力相互影响并适用于不同拉压比材料的巴西圆盘试验应力分析的统一劈裂破坏强度准则,通过参数变化得到常用的多种强度准则推导结果;为了验证理论公式,对C35商品混凝土试件进行了巴西圆盘劈裂试验,在试验研究基础上对统一强度准则演化出的多种强度准则计算结果进行对比分析。结果表明:材料的拉压比和中间切应力及相应作用面上正应力组合的加权参数对材料劈裂抗拉强度影响很大,最大拉应变强度理论和最大拉应力强度理论计算得到的劈裂强度分别为上、下限值,其他强度理论得到的值在两者之间,从而验证了统一强度理论对巴西圆盘劈裂试验分析的可靠性和适用性。     

抗裂圆环的干缩应力分析Ⅴ.不均匀干燥时水泥基材料弹性模量的影响

根据弹性力学基本方程,研究了不均匀干燥时水泥基材料弹性模量对径向位移分布、径向应变分布、环向应变分布、径向应力分布和环向应力分布的影响,并与均匀干燥情况进行了比较。通过比较发现,不均匀干燥时的最大径向位移、最大径向应变、最大环向应变和最大径向应力都比均匀干燥时的小。采用实芯钢芯时,不均匀干燥时的最大环向拉应力也比均匀干燥时的小;采用空芯钢芯时,不均匀干燥时的最大环向拉应力有可能超过均匀干燥时的最大环向拉应力。水泥基材料的弹性模量越高,这种可能性就越大。     

抗裂圆环的干缩应力分析 Ⅰ.均匀干燥时的理论分析

利用弹性力学方法分析了抗裂圆环在水泥基材料发生均匀干缩变形时的径向位移分布、径向应变分布、环向应变分布、径向应力分布和环向应力分布。给出了这些分布的数学表达式,并对这些表达式进行了分析。研究结果表明,在均匀干燥过程中,水泥基材料圆环径向受压,环向受拉,最大环向拉应力在圆环的内侧。环向应变是多种应变的叠加,而不仅是环向拉应力作用的结果。     

抗裂圆环的干缩应力分析 Ⅵ.不均匀干燥时钢芯壁厚的影响及抗裂性能判据

在弹性力学基本方程的基础上,研究了不均匀干燥时钢芯壁厚对径向位移分布、径向应变分布、环向应变分布、径向应力分布和环向应力分布的影响规律,并将其结果与均匀干燥情况进行了比较。通过比较发现,当钢芯壁厚较薄时,不均匀干燥时的最大环向拉应力大于均匀干燥时的最大环向拉应力;当钢芯壁厚较厚时,不均匀干燥时的最大环向拉应力小于均匀干燥时的最大环向拉应力。临界钢芯厚度随水泥基材料弹性模量的增大而增大。     

重组竹的单轴与纯剪应力应变关系

重组竹是将竹丝束平行组坯、经高压胶合而成的一种生物质复合材料,是一种极具潜势的建筑结构材料。研究重组竹的基本力学性能和应力应变关系,是建立此类材料本构关系和进行重组竹结构非线性分析的基础。将重组竹理想化为横向各向同性复合材料,通过试验,给出了重组竹各主轴方向的单轴与各主平面的纯剪力学参数,建立了各种应力状态下的应力应变关系。结果表明,重组竹力学性能优于常用的结构用木材,且变异性较小。重组竹顺纹受拉强度约是顺纹受压强度的2倍;横纹受拉强度远远低于横纹受压强度;横切面内的剪切模量及强度远远低于另外两个方向,且横纹剪切强度是顺纹剪切强度的3倍。重组竹的应力应变关系和破坏模式与纤维参与受力程度密切相关。顺纹受拉时,拉应力完全由纤维承担,破坏表现为纤维的脆性拉断,强度最高,应力应变为完全线性关系;其他应力状态下,破坏均发生在基体或纤维-基体界面,若裂纹的扩展受到纤维限制,破坏呈渐进性,强度较低,应力应变曲线由早期的线性关系转入后期的非线性关系;当裂纹的扩展未受到纤维限制,破坏强度最低,应力应变呈线性关系。     

堆石料状态相关三维多重机制边界面模型

堆石料的应力应变特性与材料的密度、压力等状态密切相关。针对堆石料的变形与强度非线性,在临界状态和边界面弹塑性理论框架内,建立了一个堆石料状态相关三维多重机制边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机制和一系列空间分布的相互独立虚拟微观剪切机制。每个微观剪切机制包含3个方向的微观剪应力–应变关系和微观应力–剪胀关系。引入一个与密度、压力相关的状态参数,用以统一描述不同状态下堆石料的变形和强度特性。模型包含12个参数,多数具有明确的物理意义。对2种堆石料三轴压缩试验结果进行模拟计算,模型模拟值与试验结果吻合良好,说明模型能够较合理地预测堆石料的应力应变特性。     

黄土隧道地震反应分析初探

本文对一座黄土铁路隧道的地震反应进行了数定性有限元分析。采用了一种与E1 Centro地震加速度等效的短时程人工正弦型扫描地震加速度作为输入。用弹塑性模型模拟材料的应力-应变关系,并将超过屈服面的应力调整到屈服面上。采用纽马克(Newmark)逐步积分法求解运动微分方程,按照瑞利(Rayleigh)阻尼确定阻尼矩阵。进行了黄土的动、静三轴压力试验,确定了相应的材料参数。分析结果表明,黄土将对地震波产生一定的放大作用;在水平地震作用下,体系将主要产生剪切变形,最大水平位移发生在最大跨度点上;衬砌将主要承受拉应力,衬砌周围黄土亦将产生拉应力。     

棉花秸秆水泥基砌块材料单轴受压性能研究

配置3种不同强度等级棉花秸秆水泥基砌块,进行单轴受压试验。研究棉花秸秆水泥基砌块在单轴受压状态下的破坏过程与形态,分析材料抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变全曲线、峰值应变、极限应变等单轴受压力学性能;提出3种不同强度等级棉花秸秆水泥基砌块材料的应力-应变全曲线本构方程,并与普通混凝土砌块的应力-应变全曲线对比。结果表明:棉花秸秆水泥基砌块材料呈剪切破坏;棉花秸秆在水泥基砌块中的拉结作用提高了材料的残余强度与稳定承载能力;用两段式方程对棉花秸秆水泥基砌块应力-应变全曲线进行拟合的结果与试验结果吻合较好。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

砼抗剪强度和剪切变形的研究

抗剪强度和剪切变形是砼的基本力学性能,又是强度理论研究和有限元分析的重要数据。本文用有限元方法分析了现有几种抗剪试件的应力状态,论证了破坏剪切面上的剪应力分布不均匀,且存在数倍于剪应力的正应力,因而不能给出准确的砼抗剪强度值。作者设计了四点受力等高变宽梁的抗剪试验方法,试件跨中剪切面接近纯剪状态,故给出的抗剪强度较为可靠。按此方法进行了不同强度(f_cu=17～64MPa)砼的试验,测定了抗剪强度和峰值应变,研究了它们与抗拉、抗压强度的关系,建议了剪应力-应变曲线方程,以及剪切模量的计算式。     

抗裂圆环的干缩应力分析Ⅳ.不均匀干燥时干缩应力的理论分析

用弹性力学方法分析了抗裂圆环在水泥基材料发生不均匀干缩变形时的径向位移分布、径向应变分布、环向应变分布、径向应力分布和环向应力分布。给出了这些分布的数学表达式,并对这些表达式进行了分析。研究结果表明,在不均匀干燥过程中,水泥基材料圆环径向受压、环向受拉、最大环向拉应力在圆环的外侧。     

平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

饱和砂土液化后的剪切吸水效应

饱和土在自然排水条件下随着剪切作用而发生的含水量增大的行为和过程被称为剪切吸水现象。本文发展了一种新的试验方法,成功地再现了从较松到密实状态的饱和砂土在振动液化后的剪切吸水现象,探讨了剪切吸水速率对饱和砂土液化后应力应变关系的影响。试验结果表明,具有相同密度的饱和砂土,其液化后的应力应变关系随剪切吸水速率的不同而呈现出硬化、理想塑性及软化的不同变化。文中给出了判定这些不同的液化后应力应变响应产生的条件     

大跨度钢结构抗连续倒塌动力分析

利用有限元法对某大跨度钢结构进行连续倒塌动力分析。采用能量法和平均应力法来确定失效柱位置,在考虑列车行驶等偶然荷载的作用下,选定柱22、柱11进行连续倒塌分析。研究结果表明:柱11单根失效时,结构最大应变为2.38×10~(-3),小于钢材极限拉应变。其中远离柱11靠近柱12和柱21梁单元处产生高架层最大应力,网壳最大应力、应变出现在失效柱的网壳斜柱及相邻区失效柱;柱22单根失效时,应变最大值为3.68×10~(-3),失效柱附近梁单元产生最大应变,小于材料极限拉应变。站房网壳最大应力、应变出现在柱11支撑网壳斜柱以及邻近的网壳单元;柱11、柱22同时失效时,结构最大应变为5.78×10~(-3),较单根柱失效时应变值大幅提高,已发生塑性变形,但仍未超出材料极限塑性应变限值,双柱失效并未引发整体结构的连续性倒塌。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

混凝土单轴加载动力性能试验研究

为了探究混凝土单轴加载动力性能,设置了三种不同强度等级的混凝土和四种加载应变率,用液压伺服试验机和材料直剪仪对混凝土开展单轴受压、单轴劈拉和剪切进行试验研究,得到了不同加载工况下混凝土的破坏形态和强度特征值,并分析了加载应变率对混凝土受压、劈拉和剪切力学性能的影响。结果表明,加载应变率对混凝土受压、劈拉和剪切加载方式均具有明显影响;随着加载应变率的提高,混凝土剪切破坏形态由静力加载应变率剪切破坏断面不平整和平行于剪切方向裂缝较为不规整,发展至动力加载应变率混凝土剪切破坏断面较为平整和平行于剪切方向破坏裂缝逐步平直;混凝土剪切强度随着加载应变率的提高逐步增大,受加载应变率影响剪切强度提高幅度低于劈拉加载方式,高于受压加载方式;同时,从定量和破坏机理角度分析了加载应变率对混凝土力学性能影响。     

原状黄土硬化屈服的损伤试验研究

进行了原状黄土三轴剪切试验过程中的CT扫描,结合CT数据与应力-应变曲线,利用损伤理论方法解释了土硬化屈服破坏过程。提出了损伤应力和应变门槛值的确定方法,并定义了六种损伤变量(横观各向同性有效弹性模量损伤变量、简单有效弹性模量损伤变量、密度损伤变量、体积损伤变量、体积密度损伤变量、面积密度损伤变量),在此基础上得出了硬化屈服损伤过程中的损伤演化曲线和演化方程。     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。