混凝土/花岗岩界面Ⅰ-Ⅱ复合型动态断裂试验研究

为研究混凝土/岩石界面在复合型应力条件下的动态断裂性能,考虑四种应变率(10-5~10-2 s-1)及三种模态(21.8°,41.7°和60.3°)工况,对混凝土/花岗岩复合试件进行了四点剪切试验,获得了荷载与裂缝张开位移及裂缝剪切位移的关系曲线;结合界面力学理论和结构动力分析得到了界面Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子,据此得到并分析了断裂韧度、应变能释放率的率相关性及模态比相关性。结果表明:在所研究的应变率和模态角范围内,同一时刻的裂缝张开位移均大于裂缝剪切位移;Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度均随应变率的提高而增加,Ⅰ型断裂韧度随模态角的增大而减小,Ⅱ型断裂韧度随模态角的增大而增加;应变能释放率随应变率和模态角的增加均呈现出增长趋势。     

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/花岗岩界面动态断裂性能的轴拉试验研究

为研究混凝土和花岗岩界面断裂的加载应变率效应,利用MTS试验机对带有双边预制裂缝的花岗岩试件、混凝土试件和混凝土/花岗岩复合试件等三种试件进行了轴向拉伸试验。通过裂缝张开口位移进行控制,获得了不同应变率(10~(-6)～10~(-3) s~(-1))下的荷载-裂缝张开口位移曲线,据此计算了荷载上升段的吸能能力,并基于结构动力分析和断裂力学、界面力学理论获得了试件的断裂韧度;结果表明,三类试件的断裂面形态随着应变率的变化呈现不同的特征,三者的峰值荷载、吸能能力和断裂韧度均随应变率的提高而增加。对三类试件断裂特性在中低应变率范围内的率效应机理进行了分析,对比了准脆性材料界面断裂与母材断裂率效应的异同。     

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。     

冻融条件下玄武岩纤维混凝土断裂韧度研究

该文使用数字图像相关方法实时观测三点弯试验中切口混凝土梁全场变形,分析混凝土梁断裂破坏过程中水平位移和应变的变化规律,基于切口处水平位移和应变变化规律确定起裂荷载,并研究冻融循环次数和纤维掺量对混凝土起裂韧度、失稳韧度、临界开口位移的影响,结果表明:对于C30混凝土而言,起裂韧度和失稳韧度随冻融次数的增加而减小,降幅约为0.6 MPa·m1/2~0.80 MPa·m1/2,两种韧度随玄武岩纤维掺量增加有小幅增加,最大增幅分别约为0.1 MPa·m1/2和0.2 MPa·m1/2,说明玄武岩纤维能提高C30混凝土的抗冻性,但提高程度是一定的,玄武岩纤维不能完全抑制冻融对混凝土的损伤;纤维掺量对失稳韧度的提高幅度要比起裂韧度大;起裂韧度增益比和失稳韧度增益比都随纤维掺量增加先增大后减小,两种韧度增益比均在纤维掺量为2.0 kg/m3时最大,因此,在混凝土强度等级为C30时,2.0 kg/m3可作为最佳纤维掺量;临界开口位移随冻融次数增加而增大,随纤维掺量变化效果不明显,与纤维增强作用相比冻融损伤是影响断裂过程变形性能的主要因素;最后在试验结果的基础上,建立了起裂韧度和失稳韧度随纤维掺量和冻融次数的拟合模型。     

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。     

基于虚拟裂缝模型的混凝土断裂过程区研究

利用虚拟裂缝模型对混凝土断裂过程区进行了研究.以无限大板中心拉伸裂缝模型为例,将过程区裂缝张开位移采用多项式级数形式表示,求得了断裂过程区上的位移分布和粘聚力分布.进而分析了材料参数对断裂过程区上的位移、粘聚力、断裂过程区长度以及峰值外荷载的影响.结果表明:断裂过程区上的位移和粘聚力均为非线性分布.断裂过程区长度随骨料最大粒径增大而逐渐增大,随抗压强度增大而逐渐减小.峰值外荷载随骨料最大粒径和抗压强度增大均逐渐增大.     

基于等效纯弯曲梁的混凝土双K断裂参数研究

因四点弯曲梁跨中裂缝截面附近处于纯弯段,故其从理论上更符合Ι型断裂模式。基于此,该文通过开展跨中带缝的四点弯曲梁试验,将荷载作用下的四点弯曲梁纯弯曲段等效为纯弯曲梁,基于线性叠加原理给出了计算混凝土四点弯曲梁双K断裂参数的计算公式,并研究了不同初始缝高比（0.2、0.3、0.4、0.5及0.6）对四点弯曲梁双K断裂参数的影响,结果表明:随着初始缝高比的增大,试件起裂荷载P_ini,最大荷载P_max及相对临界有效裂缝扩展长度（a_c-a₀）/H均逐渐减小;起裂断裂韧度K_ICini和失稳断裂韧度K_ICun基本保持不变。可见,四点弯曲梁可以用于研究混凝土的双K断裂参数。     

基于声发射技术的非标准自密实混凝土三点弯曲梁动态断裂特性

对不同初始缝高比的自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)非标准三点弯曲梁开展不同加载速率下的断裂试验,获得其断裂的荷载-裂缝嘴张开口位移曲线及峰值荷载、断裂韧度、临界缝高比增量、弹性模量和柔度系数等断裂参数,结合Pearson相关性检验公式及加载速率效应模型,定量分析初始缝高比、加载速率与断裂参数间的相关性强弱及SCC断裂参数的加载速率效应。结果表明峰值荷载、断裂韧度及弹性模量均存在一定的加载速率效应,柔度系数仅与初始缝高比强相关,弹性模量和断裂韧度是材料的固有属性,不受初始缝高比影响。同时,基于声发射(Acoustic emission,AE)技术对SCC的损伤断裂过程、断裂边界效应及裂缝扩展模式进行分析,结果表明,AE参量能较好地反映混凝土断裂的三阶段特性及边界效应。裂缝的扩展首先以拉伸裂缝为主,剪切裂缝占比随着裂缝扩展过程逐渐增大。      

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。     

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。     

不同粗糙度岩石-混凝土界面断裂特性研究

界面粗糙度对岩石-混凝土界面断裂特性有重要影响。为研究不同粗糙度岩石-混凝土界面断裂特性,对岩石表面进行刻槽处理获得六种界面粗糙度,采用三点弯曲梁岩石-混凝土复合试件测量界面的断裂参数。运用数值方法计算了界面的起裂断裂韧度K₁ini,并通过P-δ曲线计算界面的断裂能G_f。试验结果表明,所有试件都沿着界面发生破坏,说明岩石-混凝土界面相对于两侧材料属于薄弱面;采用界面刻槽的方式能够获得较大范围的粗糙度数值,当界面粗糙度R_a从0.676 mm增大到2.028 mm时,岩石-混凝土界面起裂断裂韧度KK₁ini从0.362 MPa·m1/2增加到0.515 MPa·m1/2,提高了42.3%;界面断裂能G_f从17.928 N/m增加到47.802 N/m,提高了166.7%;同时,K₁ini随着粗糙度的提高一直增大,而G_f随着粗糙度的提高先增大后趋于平缓。     

聚丙烯纤维水泥稳定碎石断裂性能试验研究

通过30个尺寸为100mm×100mm×515mm的聚丙烯纤维水泥稳定碎石和普通水泥稳定碎石三点弯曲试件断裂试验,探讨了聚丙烯纤维对水泥稳定碎石断裂韧度(KIC)、断裂能(GF)、临界裂缝嘴张开位移(CMODC)、临界裂缝尖端张开位移(CTODC)、极限裂缝嘴张开位移(CMODmax)和极限裂缝尖端张开位移(CTODmax)的影响。试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入可增大水泥稳定碎石的断裂韧度、断裂能、临界裂缝嘴张开位移、极限裂缝嘴张开位移、临界裂缝尖端张开位移和极限裂缝尖端张开位移;随着聚丙烯纤维体积掺量的增加,断裂韧度、临界裂缝嘴张开位移和临界裂缝尖端位移的变化无明显规律,但断裂能、极限裂缝嘴张开位移和极限裂缝尖端位移基本上呈线性增加的。     

Loading‐rate dependence of mode I crack growth in concrete

Mode I crack propagation process of concrete under relatively low loading rates which cover four orders of magnitude (0.2 μm/s to 2.0 mm/s) is investigated with three‐point bending (TPB) beams. All measured material properties exhibit rate sensitivity and follow a log‐linear relationship with the loading rate. A rate‐sensitive softening curve is established. The complete load‐crack mouth opening displacement (P‐CMOD) curve, crack propagation length, and fracture process zone (FPZ) length are simulated based on crack growth criterion with the fitted material parameters under those loading rates. Results show that the simulated P‐CMOD curves agree well with those of experimental measurements. It is clear that the peak load increases with the loading rate and so is the critical crack mouth opening displacement. Moreover, under the same load level, the length of the FPZ and the cohesive stress at the initial crack tip also increase with the increasing loading rate.     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

Ductile tearing analyses of cracked TP304 pipes using the multiaxial fracture strain energy model and the Gurson–Tvergaard–Needleman model

Ductile crack growth behaviours of TP304 pipes containing different circumferential defects were investigated in the study. Finite element (FE) damage analysis of the ductile fracture was carried out based on an uncoupled multiaxial fracture strain energy (MFSE) model with only two model parameters, which can be calibrated by data from tensile tests and fracture toughness tests. For the purpose of comparison, the Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model was also employed in the FE damage analysis. It is observed that the MFSE model can reproduce the ductile tearing experiments as excellently as the GTN model does. Despite its simplicity, the MFSE model can reasonably predict the magnitudes of the crack initiation load and maximum load, the load‐line displacement, the crack mouth opening displacement, the crack extension and the crack profiles in the full‐scale cracked pipe tests.     

Investigation on the mechanical properties and fracture toughness of graphite

In the present study, mechanical properties and fracture toughness of graphite as a brittle material were investigated. At first, some specimens were examined in two perpendicular directions to derive Young's modulus and ultimate tensile strength. Then, graphite fracture toughness tests were conducted using some three‐point bending specimens with a sharp machined V‐notch by two different methods. The first method is based on the applied force at the moment of fracture, and the second one uses energy released during the test. Moreover, a technique was adopted to reduce differences between the two methods. It was observed that considering the effect of dehydration of the specimens, the fracture toughness was reduced by about 8%. Finally, crack growth simulation of the experiment was performed and indicated that finite element analysis predicts about 25% lower crack length values when critical energy release rate is utilized as a crack growth criterion instead of fracture toughness. In other words, the required input displacement for crack growth would be overestimated by using the critical energy release rate criterion.