混凝土三点弯曲梁动态断裂破坏的扩展有限元分析

基于扩展有限元理论,模拟混凝土三点弯曲梁在不同加载速率下的断裂破坏过程,研究加载速率对混凝土三点弯曲梁断裂损伤特性的影响。结果表明,不同加载速率下混凝土梁的荷载-挠度曲线以及荷载-开口位移曲线均包含线性上升、非线性上升与非线性下降3个阶段,混凝土梁发生失稳断裂破坏所需的能量会随着加载速率的增大而增大。混凝土三点弯曲梁的应力强度因子增幅会随加载速率的增大而增大。不同加载速率下混凝土三点弯曲梁构件的损伤耗能发展全过程均可被划分为损伤初始阶段、损伤萌发与稳定发展阶段以及损伤不稳定阶段。     

不同加载速率下钢筋混凝土梁力学性能试验研究

利用MTS电液伺服试验系统对钢筋混凝土梁进行不同加载速率下的力学性能试验,采用位移控制的单调加载方式,加载速率分别为0.1mm/s、0.5mm/s、1.0mm/s、5.0mm/s和10.0mm/s,研究加载速率对钢筋混凝土梁力学性能的影响,分析加载速率对钢筋混凝土梁破坏形式、荷载-变形曲线的影响,及加载速率对钢筋混凝土梁的开裂、极限、破坏荷载,开裂、极限、破坏位移以及延性和耗能能力的影响。结果表明：随着加载速率的提高,钢筋混凝土梁的裂纹分布更加均匀,且宽度逐渐减小;钢筋混凝土梁的开裂、极限、破坏荷载,开裂、屈服、极限位移和位移延性系数都随着加载速率的增加明显增大;随着加载速率的增加,钢筋混凝土梁的耗能能力得到显著提高。     

结构面剪切过程中声发射特性的试验研究

为研究结构面岩体在压剪荷载作用下的声发射特征和规律,利用水泥砂浆作为模型材料制作具有不同起伏高度的不规则锯齿形结构面,研究不同起伏高度、不同剪切速率和不同法向压力下声发射参数的变化规律和发生机制。试验结果表明:结构面剪切时理想的累积撞击曲线可以划分为平静期、缓慢上升期和急剧上升期3个阶段;随结构面起伏高度的增大,发生宏观剪切破坏时能量率峰值变大、累积撞击数变小;随剪切速率的增大,能量率曲线和撞击率曲线在剪切过程中波动性增强,能量率峰值、撞击率峰值和累积能量随剪切速率的增大有减小的趋势;声发射参数随法向压力变化规律性不强,但随法向压力的增大,破坏时对应的能量率峰值和累积能量有减小的趋势,撞击率峰值和累积撞击数有增大的趋势。研究成果可为声发射技术用于监测和预报现场结构面岩体的静力或动力剪切破坏提供指导。     

不同加载速率下CFRP加固混凝土梁动态力学性能试验研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,为此对CFRP加固混凝土梁试件开展了4种加载速率(0.1、0.01、0.001mm/s和0.0005mm/s)下的力学性能试验，通过位移控制的单调加载方式研究不同加载速率对CFRP加固混凝土梁试件的破坏过程、荷载-裂缝张口位移曲线、断裂能和延性指数的影响。基于实时、动态的声发射无损检测技术，对不同加载速率下CFRP加固混凝土梁断裂过程中的声发射参量进行识别和采集，从声发射角度分析了CFRP加固混凝土梁的受力特性。结果表明：低加载速率下，试件侧面预制缝附近伴有其他裂缝产生，且加载速率越低，其裂缝越明显；CFRP加固混凝土梁的开裂、极限、破坏荷载随加载速率的提高而增大；随着加载速率的提高，CFRP加固混凝土梁的断裂能和延性指数均明显增大；声发射累积振铃计数随加载速率的提高而增大。     

基于扩展有限元的混凝土梁断裂破坏仿真研究

基于扩展有限元方法,模拟不同缝高比以及截面高度混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程,构建了混凝土梁荷载-开口位移的数学模型,研究初始缝高比及构件尺寸对混凝土梁应力强度因子以及损伤耗能的影响发展规律。研究结果表明,混凝土梁三点弯曲的荷载-开口位移发展曲线可以分为线性上升、非线性上升与非线性下降三个阶段。混凝土梁抵抗断裂破坏的能力会随着初始缝高比的增大而减小,随着构件截面高度的增大而增强。相同荷载下混凝土应力强度因子会随着初始缝高比的增大而增大,随着截面高度的增大而减小。混凝土梁构件三点弯曲加载过程中的损伤耗能具有明显的三阶段发展演化规律。     

应力波作用下三点弯曲梁破坏过程数值模拟

岩石类准脆性材料三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏受应力波加载速率以及应力波峰值的影响。使用新发展的并行RFPA2D-Dynamic数值模拟工具对三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,研究了不同加载速率和加载峰值的破坏规律。数值模拟结果与物理实验结果具有较好的一致性。在低加载速率下,三点弯曲梁发生拉伸破坏,且只出现一条裂纹;在较大加载速率时出现多条平行拉伸裂纹;在大加载速率时出现拉伸、剪切复合裂纹。应力波峰值较小时形成单一的拉伸裂纹,而随着加载峰值的提高,形成多条平行拉伸裂纹。     

不同加载方式下混凝土梁损伤演化规律研究

为了研究不同加载方式对梁损伤的影响规律,对普通钢筋混凝土梁进行了单点、两点对称加载试验。通过收集加载过程中的声发射参数和力学参数,从声发射能量角度描述梁破坏的3个阶段,基于声发射速率过程理论建立普通钢筋混凝土梁的损伤演化模型。结果表明:应力水平-能量曲线3个阶段特征分明,各阶段间的突变点可作为预警的"前兆点"。建立的应力水平和声发射累积能量之间的函数关系式用于实时定量评价材料破坏程度具有较高精度,并且得出声发射累积能量与损伤变量具有线性关系,可利用声发射能量参数为工程中结构健康评测提供参考。     

高温后型钢再生混凝土梁的受剪性能试验研究

为研究高温后型钢再生混凝土梁的受剪性能,考虑再生粗骨料取代率、温度、混凝土强度等级3个变化参数,设计了17个试件进行不同高温后的静力加载试验。通过试验测试到不同高温型钢再生混凝土梁的物理及力学性能指标,并观察了该类梁高温后的受力破坏过程及形态,获取了其极限承载力以及受力破坏全过程的荷载-挠度曲线等重要资料,并分析了各变化参数对高温型钢再生混凝土梁的初始刚度、峰值荷载、延性系数及能量耗散的力学性能指标的影响规律。研究结果表明:随着温度的升高,型钢再生混凝土梁的质量变轻、初始刚度和峰值荷载降低,延性系数、能量耗散值则先减小再增大。取代率对各力学性能指标影响不大。随着混凝土强度的增大,初始刚度和峰值荷载增大,延性系数变小,能量耗散值基本不变。     

单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

不同频率增幅疲劳荷载下双裂隙花岗岩破裂演化声发射特性与裂纹形态研究

为了揭示疲劳加载频率对裂隙岩石破裂演化特征的影响,采用GCTS-RTR 2000岩石力学试验系统、实时声发射监测和试验后CT扫描相结合的手段,对预制裂隙逼近角为50°的矿山岩石开展了增幅疲劳加载力学试验。试验结果表明:(1)随加载频率的增加,岩石的强度、变形和疲劳寿命随之增大,岩石体积应变增加速率呈现出稳定增加到突增的趋势,在最后一级疲劳水平变形迅速增加直至试样破坏。(2)声发射振铃数、声发射能量变化、以及裂纹扩展行为受控于加载频率。累计振铃计数和累计能量随加载频率的增加而增加。频谱分析揭示了6种典型的裂纹演化类型,裂纹大小与频率呈负相关规律,随加载频率的增加,高频高幅信号所占比例降低,说明较高加载频率易形成大尺寸裂纹。(3)岩桥段的CT扫描图像表明受疲劳荷载作用后裂纹网络规模随着加载频率的增加而增大,在低加载频率条件下,预制裂隙更容易沟通并贯穿于岩桥锁固段,然而,较高加载频率下裂隙不易沟通。试验结果有助于深入理解增幅疲劳荷载作用下不同加载频率对岩石疲劳力学行为及破裂演化的影响,可为岩体在增幅疲劳荷载作用下结构劣化监测预警、模式识别及岩体的长期稳定性提供必要的理论依据。     

双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性研究

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变化趋势一致,剪应力达到峰值所需时间随含水率增加呈减少趋势;双面剪切荷载作用下,砂岩的Hit率–时间曲线、累计Hit数–时间曲线均可分为3个阶段,且Hit率峰值滞后于剪应力峰值;砂岩在双面剪切荷载作用下,内部微裂纹萌生、扩展主要始发生于剪应力达到抗剪强度的1/2时,此时砂岩试件处于微破裂稳定发展阶段;砂岩声发射事件幅值由低到高随剪应力增加呈阶梯状分布;砂岩内部微裂纹扩展方式以绕晶而过为主,穿晶破裂为辅。     

锈蚀钢筋混凝土梁加载过程中声发射信号特征

对不同锈蚀率下钢筋混凝土梁的加载破坏过程进行了声发射试验,研究了声发射事件定位结果与梁构件裂缝开展位置的对应关系及声发射信号特征.结果表明:对于不同锈蚀率下的钢筋混凝土梁,声发射事件定位结果与裂缝位置具有较好的对应性,利用声发射技术对缺陷源进行定位是可行的,并且可根据声发射事件数量的增长情况来判断梁构件的受力阶段;随着应力水平的增大,钢筋混凝土梁声发射信号频段中心由低频向高频转移;随着钢筋锈蚀率的增大,钢筋混凝土梁在破坏过程中的声发射事件数量减少,其释放的总能量降低.     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

Q235A钢在不同加载速率下的声发射特性分析

为了分析加载速率增大过程中材料屈服强度提高的声发射特性,对工程结构常用钢Q235A的拉伸破坏过程进行声发射检测。通过预加载得到了Q235A钢材拉伸试验的声发射门槛确定值,采取铅芯折断试验来确定声发射技术的各时间参数:峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT)。结果表明:试验得到的声发射特征指标(幅值、能量计数、撞击计数等)对不同加载速率下材料塑性屈服阶段的强度变化有较好的信号表达,且材料拉伸过程的声信号参数指标与其力学效应能够准确的吻合。由此可知声发射检测技术为进一步描述钢材损伤的发展过程和材料结构的变化情况提供了可靠依据,对于更合理地把握钢材在不同加载速率条件下的裂纹发育和构件破坏提供了技术参考。     

竖向荷载下钢筋混凝土排水管道结构损伤声发射特征分析

外压荷载是导致钢筋混凝土排水管道结构破坏和失效的重要原因之一,会造成管道破裂、泄漏、甚至路面坍塌。为了有效地表征钢筋混凝土排水管道在外压荷载作用下的损伤特性,采用声发射技术监测钢筋混凝土排水管道在竖向荷载作用下的损伤过程。根据管道加载过程中声发射能量的变化和积累,将管道的损伤阶段分为弹性压缩阶段、塑性破坏阶段和剩余强度阶段。在弹性压缩阶段,由于试样内部发生的破坏活动较少,声发射活动呈现较低水平;在塑性破坏阶段,声发射能量呈现出逐渐递增的趋势;在剩余强度阶段,当达到破坏荷载时,声发射能量和累积声发射能量曲线迅速上升,在管道严重开裂后,声发射能量逐渐下降。根据足尺管件加载破坏过程的声发射特性,提出了基于声发射信号的钢筋混凝土排水管道损伤识别评价指标：声发射能量（E）、累积声发射能量（∑E）以及加载过程中AF/RA（平均频率/上升角）值。该研究对于揭示钢筋混凝土排水管道结构在外压荷载下的损伤失效机理,建立科学的城市排水管道服役安全评价体系,提升排水管道病害治理水平具有重要意义。     

橡胶混凝土轴拉破坏过程中声发射特性

为了研究橡胶掺量对单调荷载下混凝土拉伸破坏的影响,开展了不同橡胶掺量(体积分数0%、5%、10%、15%、20%)的带缺口混凝土棱柱体的单轴拉伸破坏试验,采用声发射技术监测其破坏过程,进一步分析应力-裂缝张开位移曲线、断裂能以及声发射特征参数。结果表明:随着橡胶掺量的增加,混凝土失稳荷载下降,峰值裂缝张开位移增大,橡胶混凝土断裂能大于基准混凝土,并在橡胶掺量为15%时达到最大值; 声发射累计振铃计数及累计撞击次数曲线能够将混凝土破坏过程划分为3个阶段,随着橡胶掺量的增加,声发射活性有所降低,峰值频率由高频向低频转变; 声发射b值能够很好地反映混凝土试件的破坏形式,可以将混凝土试件的破坏过程划分为2个阶段,试件破坏过程中b值整体呈下降趋势,随着橡胶掺量的增加,b值有所增大,主裂纹形成阶段b值最大值与最小值的差值有所减小; 橡胶掺量小于20%时,强度降低速率较快,大于20%时,强度下降减缓。     

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。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

锈蚀钢筋混凝土柱荷载损伤的声发射b值研究

利用声发射(Acoustic Emission,AE)技术分析不同锈蚀率钢筋混凝土柱轴心受压荷载下的断裂损伤特性。对锈蚀率为0、5%、10%、15%的钢筋混凝土柱进行轴心加载试验,分析不同锈蚀率的钢筋混凝土柱表面裂缝分布规律,并根据声发射b值变化捕捉宏观裂纹的出现时刻,通过b值描绘了不同锈蚀率钢筋混凝土柱的初始损伤状态。结果表明:通过加载过程b值曲线中的突降点(声发射信号幅值分布变化)的确定能捕捉到钢筋混凝土柱裂纹宏观拓展时刻,钢筋锈蚀使得构件在加载前便出现了宏观裂缝。通过对加载前期b值曲线中跳跃点分析,证明了轴心受压荷载作用下锈蚀钢筋混凝土中保护层部分作用削弱,主要由核心混凝土承受荷载。