基于临界裂缝口张开位移的混凝土试件最大荷载的优化设计

将最大荷载和临界裂缝口张开位移在混凝土失稳断裂点处结合起来,以一个量化数学模型同时评价构件的安全性和裂缝的稳定性。以双G断裂模型为理论基础,通过混凝土三点弯曲梁和楔入劈拉试件的断裂试验,运用最小二乘原理和交叉检验方法进行优化设计,建立了构件所能承受的最大荷载和临界裂缝口张开位移关系的量化数学模型。本模型基于弹性模量、试件高度、初始裂缝长度等参数。与断裂试验的实测结果相比较,模型的均方根精度在三点弯曲梁系列达到97.1%,在楔入劈拉试件系列达到93.9%,平均预测精度95.5%。利用该模型,可以在混凝土裂缝扩展中以失稳断裂为标准,对最大荷载进行优化设计并监测构件在使用过程中的可靠性。     

不同扩展准则下混凝土断裂全过程分析

分别采用基于双K断裂模型和虚拟裂缝模型的裂缝扩展准则,计算了混凝土三点弯曲梁试件的荷载-裂缝口张开位移曲线(P-CMOD曲线),并与试验结果进行了对比,结果表明:基于两种模型的裂缝扩展准则的计算结果与试验结果差别不大,但采用基于双K断裂模型的裂缝扩展准则计算的结果与试验结果更为接近.     

砂浆断裂过程区的研究

对砂浆三点弯曲加载梁试件载荷-裂纹口张开位移-初始裂纹尖端张开位移-沿初始裂纹及韧带直线方向若干点张开位移全曲线进行了研究.结果表明,在该全曲线下降段沿初始裂纹及韧带直线方向张开位移近呈线性分布;裂纹口张开位移与平均裂纹张开角呈线性关系,该关系不决定于初始裂纹相对长度,但决定于试件高度.提出断裂过程区长度估计值公式,证实了临界应力强度因子的初始裂纹长度和试件高度尺寸效应来源于试件在最大荷载及加载过程中断裂过程区长度的产生和变化.     

基于裂缝扩展准则的混凝土重力坝裂缝扩展全过程数值分析

将裂缝扩展准则应用于混凝土重力坝裂缝扩展全过程分析,结合虚拟裂缝模型计算了经典混凝土重力坝模型的断裂特性,并与其他数值方法进行了对比.结果表明:利用该数值方法得到的混凝土重力坝模型的外荷载-裂缝口张开位移曲线及裂缝扩展路径与试验结果均吻合良好;当给定了混凝土材料的起裂断裂韧度、断裂能、抗拉强度等参数后,即可采用该数值方法对混凝土重力坝裂缝扩展全过程进行分析.     

混杂纤维混凝土带切口梁的跨中挠度与裂缝口张开位移研究

选用总体积掺量不超过1%的钢纤维(SF)、塑钢纤维(MPF)和聚丙烯单丝纤维(PF),进行混杂纤维混凝土带切口梁三点弯曲试验,通过荷载-挠度曲线分析了纤维混杂方式和掺量对混凝土弯曲韧性的影响,对裂缝口张开位移-挠度曲线进行线性拟合,初步探究了基于荷载-裂缝口张开位移曲线的弯曲韧性评价方法。研究结果表明:三元混杂纤维增强混凝土具有较素混凝土、单掺及二元混杂纤维混凝土更优的弯曲韧性,基于弯曲韧性的最优混杂组合为0.7%SF、0.19%MPF、0.11%PF;跨中挠度δ与裂缝口张开位移呈较好的双折线关系,由基于荷载-挠度曲线的弯曲韧性评价方法得出的结论,与由基于荷载-裂缝口张开位移曲线的弯曲韧性评价方法得出的结论一致,通过荷载-裂缝口张开位移曲线对混杂纤维混凝土的弯曲韧性进行评价是可行的。     

基于细观数值模拟的混凝土断裂过程区特性研究

基于细观数值模拟方法研究了混凝土裂缝尖端断裂过程区特性。采用多尺度方法对不同尺寸的三点弯曲梁试件进行建模,并利用非局部损伤模型模拟了断裂过程区的演变过程。结合现有试验对数值计算方法进行了验证。研究表明:基于数值模拟方法得到的荷载—裂缝口张开位移曲线与试验结果吻合较好。峰值荷载时刻对应的临界断裂过程区长度随着试件高度的增加而逐渐增加,临界损伤区域面积亦相应增加,临界断裂过程区长度与试件高度的比值随试件高度的增加趋于稳定。     

水泥砂浆断裂韧度的尺寸效应研究

用两种不同配合比的水泥砂浆分别制作了三组几何相似的矩形截面直裂缝三点弯曲梁.在MTS815材料试验机上进行试验,记录了试件的荷载-加载点位移(P-δ)和荷载-裂缝端口张开位移(P-ωCMOD)的全过程曲线.利用最大荷载和初始裂缝长度求得的线弹性断裂韧度存在明显的尺寸效应.为此,基于虚拟裂缝模型,认为裂缝端口张开位移是荷载、自霞和黏聚力共同作用的结果,求解该位移公式得到断裂过程区长度值,用断裂过程区长度修正初始裂缝长度后,再代入三点弯曲梁应力强度因子公式,进而得到尺寸效应程度较弱的等效断裂韧度值.     

基于DIC方法的地聚合物混凝土断裂过程分析

为了量化研究地聚合物混凝土断裂过程参数的演化过程,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法及夹持引伸计法对含初始缺口粉煤灰基地聚合物混凝土试样在三点弯曲加载过程中的裂缝口张开位移(CMOD)、裂尖张开位移(CTOD)及裂缝扩展长度进行测试与计算分析.结果表明:DIC测试的裂缝口张开位移与夹持引伸计测试值吻合较好,试样经历了起裂、裂缝的稳态和亚稳态扩展及失稳破坏阶段;基于DIC测试的裂尖张开位移与基于弹性等效的理论计算吻合较好,但基于DIC裂缝扩展长度的测试值与弹性等效裂缝扩展长度的计算值之间存在较大偏差,导致这一差别的主要原因是由于地聚合物混凝土与水泥混凝土一样存在断裂过程区.     

水压下混凝土断裂试验研究

主要研究在水压作用下大型混凝土试件的试验加载装置及水压测量装置.试验采用楔入式紧凑拉伸试件形式,在试件表面粘贴全桥应变片和安装夹式引伸计测定裂缝的起裂、扩展长度和裂缝开口位移;在侧面安装压力传感器,测定压力水在裂缝内的实时变化情况.试验中采用橡胶板、薄钢板和球角钢架3层密封装置,保证高水压下水不渗漏,试验过程完整进行.为了得到完整水压作用下试验曲线,采用两种加载方式去除附加约束影响,分别为恒定裂缝张开位移和恒定荷载.     

基于电子散斑干涉技术的混凝土断裂性能研究

为研究混凝土断裂性能,对预制切口混凝土梁进行三点弯曲试验,利用电子散斑干涉(Electronic Speckle Pattern Interferometry,ESPI)技术测量梁表面的场位移。为进行对比分析,采用线性位移传感器(Linear Variable Differential Transformers,LVDTs)和夹式位移计分别测量试件梁的跨中挠度(δ)和裂缝口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement,CMOD)。试验结果表明:ESPI测量的结果与LVDTs、夹式位移计测得结果比较吻合,证实了ESPI测量梁表面场位移的精确性和可行性。在峰值荷载,CMOD约为27μm,挠度δ约为58μm,裂缝尖端位移CTOD约19.2μm。ESPI结果表明,试件梁主裂缝起始于预制切口尖端,沿着接近切口平面的路径向试件梁顶部的加载点扩展,裂缝轨迹呈蜿蜒状。断裂过程区集中在梁跨中附近,宽度约为10mm~15mm,在裂缝发展初期呈核状,在裂缝发展后期呈不规则的狭长带状。     

用RILEM方法得到混凝土断裂韧度的尺度律

用两种不同配合比的混凝土制作了几何相似的直裂缝矩形截面三点弯曲梁,在MTS 815材料试验机上测试这两种混凝土的力学参数并记录了三点弯曲试件的荷载-加载点位移和荷载-裂缝端口张开位移的全过程曲线。用最大荷载和初始裂缝长度求得的断裂韧度KIC存在明显的尺寸效应,对此问题,用材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)推荐的方法分别得到两种混凝土材料的真实断裂韧度和有效断裂过程区长度,从而确定了混凝土断裂韧度的尺度律公式。从该公式能直接得到材料大尺寸试件的断裂韧度和断裂过程区长度,还能预测同材料的试验室尺寸下几何相似试件的断裂韧度测试值。     

岩石闭合裂缝的压剪断裂形态

介绍了对含闭合裂缝岩石试件在达到峰值压剪荷载时卸荷的裂缝断裂形态观察结果。结果表明,原有闭合裂缝已张开;裂缝尖端区域岩石晶粒已破碎,并可见碎粒剪切错动与偏转;次生裂缝组的走向与微裂区的形状呈不对称的桑叶状,与张开裂缝（切口）尖端岩石断裂形态相似;岩石压剪主剪断面沿该破裂区上部边界扩展。     

基于扩展有限元法梁裂纹扩展有限元分析

基于ANSYS有限元平台的扩展有限元方法(XFEM),应用最大周向应力准则判断裂纹扩展趋势,对三点弯曲混凝土梁裂纹扩展过程进行数值模拟。构建了加载过程中荷载-裂纹张开位移曲线(F-CMOD),并模拟裂纹扩展全过程。对比数值模拟与实验所得的荷载-裂纹张开位移曲线,对比发现二者较为吻合,进一步证明数值模拟的可靠性。求解了不同加载时间的应力强度因子,并建立了应力强度因子随时间变化曲线,相比于其他求解方式,扩展有限元有着裂纹网格划分简单等优势。     

基于楔入劈拉测试方法的全级配大坝混凝土裂缝扩展试验研究

为了研究全级配大坝混凝土裂缝扩展机理,针对3组不同缝高比的全级配大坝混凝土带缺口立方体试件开展了楔入劈拉试验,同时采用数字图像相关方法测量试件表面位移。结果表明：峰值荷载随着初始缝高比的增大而减小。虚拟裂缝长度在裂缝尖端位移达到临界值时达到最大,且随着初始缝高比的增大而减小。宏观裂缝扩展速度和有效裂缝长度随着初始缝高比的增大而减小。有效裂缝长度随着骨料粒径增加而增加,且增长倍数随骨料粒径和试件有效高度的增大而增大。     

不锈钢管与钢纤维增强再生混凝土组合柱的轴压性能研究

研究了不同再生骨料替代率下,不锈钢管与钢纤维增强再生混凝土组合柱的轴压性能,获得了试件的破坏形态、荷载-位移曲线和轴压刚度。结果表明:根据荷载-位移曲线的变化特征,可将试件按承载力稳定性分为不稳定和稳定两类;不稳定试件峰值荷载后的荷载-位移曲线快速探底,此后荷载开始缓慢提升,轴向变形快速增大;稳定试件峰值荷载后的荷载-位移曲线沿水平方向发展,试件的持荷能力突出;试件的轴压刚度在0.3~0.9倍的峰值荷载时达到最大,此时钢与混凝土的材料损伤相对较小,钢管对混凝土的约束效应相对有效;随着再生骨料替代率的增大,试件的轴压刚度逐渐降低;钢纤维抑制了裂缝的发展,维护了混凝土的整体性,从而提高了试件的轴压刚度。     

四点剪切梁法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂能G_F~*及其试件尺寸影响规律

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ-Ⅱ见复合型断裂G_F~*的试验研究.试验过程中除测得了极限荷载P_(max)外,还测得了各试件的荷载-加载点位移(F_1-δ_1、F_2-δ_2)全过程曲线,荷载-裂纹嘴张开位移(Craek Mouth Open Displacement)曲线和荷载-裂纹嘴滑移位移(Craek Mouth Slide Displacement)曲线.根据试验结果计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂能G_F~*,分析了试件尺寸对G_F~*的影响规律并与混凝土Ⅰ型断裂能G_F进行了比较,讨论了试件的三种不同破坏形态及其断裂机理.利用抹平裂缝模型(Smeared Crack Model)对四点剪切梁试件进行了断裂分析,计算结果与试验结果吻合较好.     

PVA纤维和纳米SiO2对地聚合物砂浆断裂性能的影响

针对72个尺寸为100mm×100mm×400mm的预切口小梁试件进行三点弯曲断裂试验,以临界有效裂缝长度、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能等参数为评价指标,研究了纳米SiO_2质量分数或聚乙烯醇(PVA)纤维体积分数对地聚合物砂浆断裂性能的影响.结果表明:在一定掺量范围内,纳米SiO_2或PVA纤维的掺入可以提高地聚合物砂浆的断裂性能;PVA纤维或纳米SiO_2掺入地聚合物砂浆后,能较大幅度地提高小梁试件的峰值荷载、临界有效裂缝长度、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能,这些断裂参数在纳米SiO_2掺量或PVA纤维掺量逐渐增大时皆呈现先增大后减小的趋势,并且在PVA纤维体积分数为1.0%或纳米SiO_2质量分数为1.5%的条件下达到最大值,此时小梁试件的荷载-裂缝口张开位移曲线最饱满,与坐标轴之间的包络面积最大.     

FRP黏结长度对混凝土三点弯曲梁断裂参数的影响

为探讨纤维增强复合材料(FRP)加固带裂缝混凝土结构的最优性价比,采用损伤断裂试验,研究了FRP黏结长度对混凝土三点弯曲梁试件断裂参数的影响.通过在混凝土三点弯曲梁试件表面粘贴应变片,测试了FRP加固混凝土开裂破坏起裂荷载;利用夹式引伸计测得荷载-裂缝口张开位移曲线,根据改进的断裂韧度计算公式,计算出FRP黏结长度不同的混凝土三点弯曲梁试件的有效裂缝长度a_c,失稳韧度K■和起裂韧度K■.结果表明:对于相同初始裂缝深度的混凝土三点弯曲梁试件,FRP加固混凝土的峰值荷载随着FRP黏结长度的增加而增大,K■和K■均随着FRP黏结长度的增加先增大再减小,当FRP黏结长度为25mm时,FRP加固混凝土三点弯曲梁试件K■和K■的平均值均达到最大,阻裂效果最佳;采用声发射(AE)无损检测技术,对上述混凝土断裂过程中的声发射参量进行识别和采集,发现对于初始缝高比为0.4的FRP加固混凝土三点弯曲梁试件而言,其FRP最佳黏结长度为25mm.     

混凝土结构裂缝扩展和裂缝宽度的数值预测

对混凝土结构裂缝扩展和裂缝宽度进行数值预测。裂缝早期,以分布式小裂缝为主。通过具有旋转裂缝方向的弥散裂缝模型对其进行描述。随后的较大裂缝通过在各自有限元的位移区嵌入一个隔断进行描述。具有这种隔断的裂缝模型可以对初始裂缝方向的错误预报进行修正。对裂缝法向扩张,以及表面裂缝横向剪力传递形成的切向位移进行解释。通过一系列试验,对法向和剪切荷载作用下的混凝土试件进行模型验证,并将其应用于工程实践解决相关的实际问题。第一个问题涉及嵌入混凝土中钢锚杆的承载性能,第二个问题涉及经过不同类型混凝土外覆加固的预损伤板的结构性能。     

龄期对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响

通过开展不同龄期的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究龄期对定向及随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响.根据试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析不同龄期的钢纤维增强水泥基复合材料裂缝扩展的全过程.结果表明:钢纤维增强水泥基复合材料的弯曲强度随着龄期的增加而增加;在7 d龄期内,随着龄期的增长,定向钢纤维增强水...