钢筋混凝土三点弯曲梁断裂韧度计算模型

基于虚拟裂缝模型,针对钢筋混凝土试件在三点弯曲作用下开裂截面的受力特征,在合理假定的前提下,给出了一种计算钢筋混凝土三点弯曲梁的失稳断裂韧度的解析方法。然后,应用该方法计算了初始缝高比 α₀（初始裂缝长度与试件高度的比值）分别为0.2,0.3,0.4,0.5的三点弯曲试件的最大荷载和临界有效裂缝长度,进而求得了钢筋混凝土三点弯曲梁的失稳断裂韧度。通过对计算结果与试验数据的误差分析,发现失稳断裂韧度最大误差为4.915%,说明这种方法可以较为准确地预测三点弯曲梁的失稳断裂韧度。在此基础上研究了初始缝高比 α₀对失稳断裂韧度的影响,发现失稳断裂韧度基本上不随 α₀ 变化,失稳断裂韧度可以作为材料常数,应用于裂缝扩展状态的判断。     

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。     

混凝土试件四点加载剪切断裂试验研究

有关混凝土Ⅱ型断裂的试验研究是混凝土断裂问题中的热点和难点问题。通过6组24个四点剪切试件对裂缝的剪切扩展过程以及断裂韧度K_Ⅱc进行试验研究,由试件的荷载-应变(P-ε)曲线、荷载-时间(P-t)曲线和荷载-裂缝尖端滑移位移(P-CTSD)曲线,确定试件的破坏荷载、裂缝尖端混凝土应变以及裂尖滑移位移。试验中可见,试件裂缝扩展方向并不平行于剪力方向,而是从裂缝尖端扩展至近加载点附近,表现为倾斜裂缝。试验结果表明,混凝土试件的Ⅱ型断裂韧度K_Ⅱc变化范围为0.5～1.1(MPa·m^0.5)。K_Ⅱc随近加载点与预制缝之间的距离减小而增大;K_Ⅱc随初始缝高比的增大而增大。经分析可知,试验过程中形成加载的高窄剪力区容易引起混凝土的剪切断裂。     

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。     

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。     

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。     

基于扩展有限元法的混凝土三点弯曲梁裂缝扩展模拟研究

扩展有限元法(X-FEM)是一种研究裂纹扩展的有效路径,其基于单元分解的思想引入了加强函数,避免了在处理非连续问题时对网格重新划分。利用扩展有限元法模拟了混凝土三点弯曲梁开裂的全过程,得到了三点弯曲梁在不同缝高比、不同试件厚度条件下的荷载-位移曲线(P-CMOD),结合线性叠加原理和双K断裂准则计算其断裂参数,同时对这些参数进行比较分析。对不同距离偏置裂缝三点弯曲梁进行数值模拟,分析了初始裂缝位置对裂纹发展规律和承载力的影响。通过与已有试验得到的断裂规律进行比较,结果表明:起裂荷载和失稳荷载随缝高比增大而减小;随着试件厚度增大,起裂荷载和失稳荷载随之增大,但起裂韧度和失稳韧度没有明显变化;数值模拟结果符合试验的断裂规律,验证了扩展有限元的合理性。     

三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能

通过橡胶混凝土三点弯曲梁断裂试验,测取橡胶混凝土的荷载、挠度和裂缝开口位移值,并绘制荷载-挠度曲线和荷载-裂缝开口位移曲线;根据《水工混凝土断裂试验规程》和ASTM规范计算断裂韧度与断裂能,研究不同橡胶掺量对混凝土断裂性能的影响,以及声发射累积能量和断裂能之间的关系,并对比分析两部规范中给出的不同断裂韧度计算公式的计算结果。研究表明:掺入橡胶后混凝土能承受的最大荷载降低,起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、断裂韧度、断裂能和声发射累积能量均降低;混凝土梁的有效裂缝长度和最大挠度在橡胶掺量为10%时最小,在橡胶掺量为20%和30%时增大;延性指数随橡胶掺量的增加逐渐增大,最大提高了41%;通过拟合混凝土的断裂能和声发射累积能量曲线,可得出y=a+becx形式的经验式。掺入橡胶后混凝土韧性和变形能力提高,脆性得到了改善,并可利用经验式推断达到某一声发射能量值时混凝土的破坏程度。     

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。     

光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及双K断裂参数的尺寸效应

本文采用最大尺寸为1200mm×1200mm×200mm的楔入劈拉试件，利用光弹贴片法对混凝土预制缝的起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究。采用照相机及数码摄像机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程，获得了各级荷载下各试件裂缝的亚临界扩展量。在此基础上，根据试验测得的起裂荷载Pini及最大荷载Pmax计算了混凝土起裂断裂韧度KICini及失稳断裂韧度KICun。结果表明，混凝土KICini与试件高度无关，而当试件高度大于600mm时，所测得的KICun也与试件高度无关，这说明混凝土双K断裂参数(KICini及KICun)可以作为混凝土的材料参数。     

静水压力下混凝土双K断裂参数试验测定

本文主要研究混凝土在机械荷载和水压力的双重作用下，裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况。试验采用楔入劈拉试件，试验时每间隔一定的机械荷载，施加一个循环的一定数值的水压力，直至试件断裂。试验采用“恒定裂缝张开位移”和“恒定荷载”两种加载方式，恒定裂缝张开位移是对水压力作用下的试件进行的定性对比分析，恒定荷载是对固定水压力作用下的试件，通过表面粘贴应变片的方法监测裂缝的起裂和扩展长度。采用混凝土裂缝扩展的双K断裂准则计算了粘聚韧度、失稳韧度和起裂韧度，并与试验测定结果进行了比较。结果表明，随着水压力的逐渐增大，试件的可承受最大荷载逐渐减小，裂缝的起裂提前。     

配筋对混凝土双K断裂参数的影响研究

为了确定在混凝土中配筋对试件断裂参数的影响,采用尺寸为1 000 mm×200 mm×200 mm的3组不同缝高比的钢筋混凝土试件进行试验。通过在初始裂缝两侧粘贴应变片确定了起裂荷载,计算出了钢筋混凝土试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度,并与相同缝高比的素混凝土试件进行了对比。结果表明,在混凝土中配筋,其起裂断裂韧度与失稳断裂韧度分别可以提高8.6%与15%;缝高比越大,钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度值越小;钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度的比值要比素混凝土试件的小,表明在混凝土试件中加入钢筋后可以提高结构的延性;钢筋混凝土试件的初始缝长与临界有效缝长的比值介于0.65～0.88。     

混凝土K_R阻力曲线的实用解析方法

根据混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则,提出了新的KR阻力曲线及计算新方法。该KR阻力曲线认为,裂缝的扩展阻力由混凝土材料起裂断裂韧度KiniIc和黏聚力提供的阻力组成并等于裂缝扩展的驱动力。采用该方法,只需给出混凝土的起裂断裂韧度KiniIc,弹性模量E,抗拉强度ft和断裂能GF便可计算混凝土的KR阻力曲线,而无需测定试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)全曲线。在此基础上,研究了混凝土三点弯曲梁试件强度等级从C20到C120的KR阻力曲线,计算了强度相同初始缝高比不同以及初始缝高比相同而试件高度不同的混凝土KR阻力曲线,并探讨了各种情况下的断裂过程区长度以及黏聚力分布。研究结果表明:混凝土强度等级提高,KR阻力曲线上升,但其上升幅值逐渐减小,强度等级在C60以后,其上升幅值趋于稳定;混凝土的KR阻力曲线存在一定的尺寸效应,当韧带长度足够大时,KR阻力先增大,而后趋于稳定;混凝土强度等级提高,最大完整断裂过程区长度减小;试件的尺寸对断裂过程区长度也有着较大影响。     

不同初始缝高比楔入劈拉试件断裂试验研究

为研究初始缝高比对混凝土断裂性能的影响,设计4组共32个不同初始缝高比的试件进行楔入劈拉试验。测定试件断裂过程中的荷载、裂缝张口位移、混凝土应变等参数的特征值及全过程曲线。以双K断裂理论为基础,计算不同初始缝髙比试件的有效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度Kⁱⁿⁱ_IC和失稳断裂韧度K^un_IC等断裂参数。试验结果表明:有效裂缝长度a_c随缝高比的增大而增大,裂缝亚临界扩展量Δa_c随缝高比的增大而减小;起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响,失稳断裂韧度随缝高比的减少有所增大,当a₀/D≥0.5时,为一常数。