混凝土I型裂缝扩展准则比较研究

针对混凝土I型裂缝扩展问题,分别采用以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则、最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则,数值模拟了强度等级C20、C40、C60、C80和C100的混凝土三点弯曲梁裂缝扩展全过程,获取了试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线并与试验结果进行了比较。结果表明,三种准则中以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算得到的峰值荷载及P-CMOD全曲线与试验结果差别最小。随着混凝土强度等级的提高,最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则计算出的P-CMOD曲线与试验结果相比均有较为明显的偏离,但以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算结果与试验曲线更为吻合。试验与计算结果表明,以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则更适用于不同强度混凝土材料的断裂分析。     

全级配混凝土I型裂缝扩展全过程数值模拟

该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K 断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明:规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K 断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K 断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的K_R阻力曲线。     

确定混凝土开裂与拉伸强度及双K断裂参数

该文考虑混凝土材料的非均质特性,发展了确定无尺寸效应的混凝土开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数的断裂理论与相应方法。基于三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的断裂试验,确定出对应的开裂强度与起裂韧度、拉伸强度与断裂韧度等材料参数,并与试验强度值及由双K断裂模型确定的双K断裂参数进行了比较,从而验证了所提模型与方法的合理性与适用性。基于确定的材料参数,分别建立了混凝土起裂与断裂破坏的全曲线,给出了确定无尺寸效应起裂韧度的混凝土试件最小理论尺寸。建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式,对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载,以及不同混凝土的起裂韧度进行了成功预测。     

基于裂缝扩展准则的K_R阻力曲线研究

根据混凝土I型裂缝扩展准则,将起裂断裂韧度作为材料参数,提出了一种新的计算混凝土结构裂缝扩展过程KR阻力曲线模型。该模型认为,裂缝扩展阻力由混凝土材料固有的抗裂能力和粘聚力提供的阻力组成并等于裂缝扩展的驱动力;应用该模型并借助有限元法计算了混凝土三点弯曲梁、楔入劈拉试件的裂缝扩展量、断裂过程区（FPZ）长度,在此基础上...     

低热水泥全级配混凝土断裂试验及尺寸效应分析

该文分析了低热水泥全级配混凝土断裂性能的尺寸效应规律。通过在大坝工程施工现场浇筑成型试件有效高度为0.75 m、1.5 m和2.25 m的楔入劈拉试件并开展试验,获得低热水泥全级配混凝土稳定的双K断裂参数。基于试验结果,采用理论方法推求全级配混凝土无尺寸效应的失稳和起裂韧度,预测任意尺寸试件的最大和起裂水平荷载。研究发现,当韧带高度与骨料最大粒径比值大于等于6.0后,双K断裂参数趋于稳定。尺寸效应模型及其演化形式可用于确定全级配混凝土无尺寸效应的起裂和失稳断裂韧度,定量分析强度与韧度对裂缝扩展的影响,并可通过引入等效几何参数,分别建立任意尺寸试件最大和起裂水平荷载的预测方程。     

大初始缝高比混凝土试件双K断裂参数的试验研究

双K 断裂准则能够定量描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。该文采用混凝土三点弯曲梁试件,通过在试验中测得的起裂荷载P_ini、最大荷载P_max及临界裂缝口张开位移CMOD_C计算了初始缝高比为0.3~0.9共7组试件的起裂断裂韧度K_ICini 和失稳断裂韧度K_ICun 。结果表明,当初始缝高比为0.3~0.7时,混凝土裂缝扩展经历起裂、稳定扩展和失稳破坏3 个阶段,双K 参数均是与初始缝高比无关的材料参数;当初始缝高比大于或等于0.8 时,混凝土裂缝起裂后便进入失稳扩展阶段,起裂荷载即为最大荷载,且计算得到的K_ICini 仍与初始缝高比无关。因此,在确定K_ICini 时,仅需测得初始缝高比大于或等于0.8试件的P_max,将P_max作为P_ini直接计算得到K_ICini。同以往的试验方法相比,其结果更为准确且试验方法简单。     

小尺寸混凝土试件双K断裂参数试验研究

采用最大尺寸为680mm×160mm×40mm的标准三点弯曲梁试件,利用在初始裂缝两侧粘贴电阻应变片并利用混凝土裂缝扩展到此处时其应变回缩的方法测得了起裂荷载Pini,在此基础上根据Pini及初始缝长a0得到了起裂断裂韧度KIiCni;根据在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODC计算了混凝土等效裂缝长度aC,据此计算了失稳断裂韧度KIuCn。结果表明:采用电阻应变片法可准确测定混凝土的起裂荷载Pini,且方法简单。试验结果还表明:在本试验范围内,三点弯曲梁法测得的混凝土双K断裂参数KIiCni、KIuCn与试件高度无关,进一步说明了混凝土双K断裂参数可以作为描述混凝土裂缝扩展的断裂参数。     

混凝土断裂过程区长度计算方法研究

该文基于粘聚裂缝概念,以起裂韧度作为裂缝起裂和扩展的准则,提出了混凝土断裂过程区长度的计算方法。以Ⅰ型裂缝为例,计算了不同初始缝长和起裂韧度情况下的断裂过程区长度值,结合以往大体积混凝土的试验数据对其进行了验证。进而分析了断裂过程区长度的影响因素,结果表明:断裂过程区长度随初始缝长的增大而逐渐增大,随起裂韧度的增大而逐渐减小。     

混凝土软化本构关系对双K断裂参数的影响

混凝土裂缝扩展的双K 断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。其相 应的双K 断裂参数ini c K I 、un c K I 可通过简便的实验和基于虚拟裂缝扩展粘聚力的解析方法确定。已取得的 研究结果表明，起裂韧度ini c K I 的解析解与所确定的混凝土软化本构关系有关。对于简单实用的双线性软化 本构曲线而言，参数s s 、s w 、0 w 的取值直接影响软化本构关系的确定。根据本课题组新近所做楔入劈 拉实验，经分析对比得到了与实测结果相符合、为确定双K 断裂参数所使用的双线性软化本构曲线的相应 参数。     

岩石-混凝土界面拉伸断裂性能的率相关性研究EI北大核心CSCD

该文弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝口张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载,通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数,分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明:随应变率的增大,断裂能和起裂韧度增大,临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小,断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。该文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。     

用3D离散元实现Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合断裂的模拟

将变形体离散元分别与弥散式旋转裂缝模型和分离式裂缝模型耦合起来,采用上述两种非线性断裂力学模型分析了混凝土、岩石等准脆性材料的Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式的开裂行为,以实现从连续介质到非连续介质转化的数值模拟。基于变形体离散元方法的界面接触本构关系提出了混凝土Ⅰ/Ⅱ混合型开裂的拉剪分区开裂准则;基于缝面法向开度增大对刚度强度的逐渐折减实现了界面裂缝扩展的模拟。作为数值验证,通过单边切口非对称三点弯梁试验的数值计算与试验结果对比,表明两种断裂力学模型均能够合理预测裂缝的起裂和扩展,在混合形式的荷载条件下,裂缝通常以Ⅰ/Ⅱ型拉剪混合模式起裂,而后以Ⅰ型为控制方式稳定扩展。文末指出,基于离散单元法的分离裂缝模型能够实现系统在外载作用下破坏全过程仿真。     

半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展过程分析的Williams单元

该文对半刚性基层沥青路面结构采用弹性层状体系平面应变分析模型,利用改进的Williams级数,结合广义参数有限元法和常规等参元,建立了反射裂缝裂尖应力强度因子分析的广义参数Williams单元,并推导了Williams单元的刚度方程,据此研究了正对称荷载和偏载分别作用时,反射裂缝扩展过程中应力强度因子的变化规律;重点分析了偏载作用下路面结构层参数与应力强度因子之间的关系。Williams单元中含有与应力强度因子相关的参数,可以直接获得裂尖应力强度因子。算例分析表明:Williams单元与传统方法的计算结果吻合较好,且格式简单,计算精度高,适用于沥青路面反射裂缝扩展过程分析。     

光弹贴片法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展过程

该文采用光弹贴片方法对最大尺寸为2500mm×600mm×200mm的混凝土四点剪切梁,Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究,通过照相机拍摄光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,得到了混凝土裂缝稳定扩展阶段完整而直观的观测结果。根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列,测得了四点剪切荷载作用下裂缝尖端附近主应变场分布,得到了荷载-裂缝扩展量曲线。根据光弹贴片所观察的裂缝扩展长度?a,借助有限元计算了裂缝扩展过程中尖端应力强度因子的变化,并模拟断裂过程。结果表明,对于混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,裂缝在失稳扩展前存在着明显的亚临界扩展,采用光弹贴片方法可有效地记录这一过程,而以往不考虑裂缝扩展量得到的断裂准则是偏于保守的。试验结果还表明,在裂缝起裂后,虽然加载方式仍为Ⅰ-Ⅱ复合型,但断裂类型已由Ⅰ-Ⅱ复合型退化为纯Ⅰ型断裂。     

电测法确定低强混凝土裂缝起裂和等效裂缝长度

该文设计了3种低强度混凝土三点弯曲切口梁,测试研究其双K断裂参数。试验中采用标距为5 mm和10 mm的应变片以半桥连接方式测量预制裂缝的起裂荷载,比较其工作性,发现应变片测量起裂荷载具有强度敏感性,短标距应变片更适宜测量本试验用低强度混凝土的裂缝起裂。试验中另沿韧带方向布置4组半桥应变片,根据各测点处拉应变回缩时的荷载与裂缝口张开位移,计算裂缝发展至测点高度时刻的等效裂缝长度,并与此时的实际缝长比较,结果表明双K断裂模型在预测裂缝长度方面具有较好的适用性。     

权函数法计算的混凝土断裂韧度

在采用解析方法确定混凝土的双K断裂韧度时,粘聚断裂韧度计算的准确性直接影响起裂韧度断裂控制参数计算的准确性。根据权函数法,给出了基于CEB-FIP粘聚应力软化函数计算的粘聚断裂韧度的表达式。使用最大高度为1000mm的五组楔入劈拉紧凑拉伸试件测量的最大荷载和临界裂缝嘴张开口位移,计算了混凝土的双K断裂韧度,并与积分解析计算公式进行了对比。结果表明,两种解析计算方法较为吻合,最大误差不超过2%。     

基于虚拟裂缝模型的混凝土等效断裂韧度

本文采用虚拟裂缝模型,将临界裂缝尖端张开位移ＣＴＯＤｃ作为控制参数,利用三点弯曲梁试件通过迭代求得了混凝土裂缝亚临界扩展量的临界值△ａｃ,据此求得了混凝土起裂断裂韧度ＫｉｎｉＩｃ、等效断裂韧度ＫｕｎＩｃ值。计算结果表明,随着试件尺寸的增大,△ａｃ增大,但ＫｉｎｉＩｃ、ＫｕｎＩｃ值却是与试件尺寸无关的断裂参数。这表明线弹性断裂韧度准则可应用于混凝土结构的裂缝评定。     

几何与非几何相似试件确定混凝土韧度及强度

几何相似与非几何相似试件,分别为尺寸效应与边界效应模型的推荐试件型式。考虑尺寸效应和边界效应模型的各自特点与优势,提出了改进的混凝土离散颗粒断裂模型。基于几何相似与非几何相似两类试件的断裂试验,确定出混凝土的材料参数——断裂韧度与拉伸强度,并与试验强度值及由尺寸效应模型确定的断裂韧度进行了比较。结果表明:当韧带高度(W-a0)与骨料代表尺寸di的比值约为10时,对应的断裂韧度与拉伸强度的确定曲线的相关系数最佳,且与试验强度值、尺寸效应模型断裂韧度计算值吻合较好。采用几何相似、非几何相似、几何与非几何相似试件确定的混凝土材料参数,分别建立了不同情况下混凝土断裂破坏设计预测曲线,其±20%即可涵盖全部试验数据。基于统计归纳,可取虚拟裂缝扩展量Δafic=ndi和特征裂缝长度a*∞=0.5di,进而建立了峰值荷载与断裂韧度、峰值荷载与拉伸强度的解析关系式,实现了由实测峰值荷载直接确定出混凝土的断裂韧度与拉伸强度的目的,预测值的±15%可涵盖所有试验数据。基于解析公式,预测了满足线弹性断裂的大尺寸真实结构的峰值状态。     

钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响

通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并基于线性相关系数陡降法计算了起裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度明显高于普通乱向钢纤维增强水泥基复合材料;起裂韧度随钢纤维体积分数的增加而逐渐增大,当钢纤维体积分数达到0.9%左右时,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度值趋于稳定;在本试件高度范围内(40~100mm),起裂韧度随试件尺寸增加而逐渐增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的增长趋势较为平缓。此外,从裂缝尖端夹杂改变其应力强度因子的角度解释了钢纤维的掺入及定向对起裂韧度的提高作用。     

测定混凝土应变软化曲线的J积分法

本文提供用普通材料试验机对含有不同初始裂缝深度混凝土劈裂试件进行断裂试验的结果。试验得到了稳定的荷载位移全过程曲线。求得了断裂韧度JIC、δC、断裂能GF；并由J积分法推导出了混凝土材料的拉应变软化曲线。     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。