逆推混凝土软化曲线及其断裂能的研究

断裂能是描述混凝土受拉开裂的重要参数。混凝土的断裂能可通过RILEM推荐的断裂功的方法确定,还可通过拉伸软化曲线下的面积确定。基于虚拟裂纹模型并采用Levenberg-Marquardt优化算法,由三点弯曲切口梁断裂试验获得的(荷载-裂缝口张开位移)曲线做逆分析,获得混凝土的软化曲线。在位移控制加载的试验机上完成6组不同尺寸的三点弯曲梁的稳定断裂试验。与单轴直接拉伸试验相比,逆推法获得的混凝土软化曲线试验具有容易实现和试验成功率高的优点。两种方法获得的混凝土断裂能变化趋势相同,随试件尺寸增大而增大,到达一定试件尺寸,断裂能不再增大。研究结果还表明,逆推获得的软化曲线具有尺寸效应,可用来解释断裂能的尺寸效应。     

论测定断裂能的三点弯曲法

三点弯曲法作为一种常用的断裂能测定方法，由于测试结果存在尺寸效应．其有效性受到怀疑。本文从理论分析说明这种尺寸效应主要是由于采用的计算公式不准确而引起的，并进一步以水泥砂浆的试验结果对理论分析进行证实。     

关于三点弯曲法确定混凝土断裂能的分析

在分析三点弯曲法测量混凝土断裂能误差来源的基础上,对试验机系统进行特殊设计,可以排除绝大多数误差来源。荷载－挠度曲线下降段被截断的尾部曲线对断裂能测量结果的影响较大,采用荷载－挠度曲线下降段尾部曲线的形式估算被截断的尾部曲线对断裂能测量结果的影响,基本上解释了断裂能测量结果的尺寸效应现象。     

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。     

基于P-CMOD曲线确定混凝土断裂能及尺寸效应分析

混凝土断裂能是评估混凝土断裂性能的关键参数。然而三点弯曲试验测得的挠度δ离散性较大,传统方法采用荷载-挠度(P-δ)曲线得到的断裂能误差较大。为了得到更准确的断裂能,假设带预制切口的混凝土梁绕虚拟裂缝的尖端旋转,合力矩做的功除以断裂面积等于断裂能,用荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线代替P-δ曲线计算断裂能,对已有的公式进行简化。对5组不同尺寸混凝土梁进行三点弯曲试验,使用简化的方法计算混凝土的断裂能。结果表明,两种方法计算的断裂能,有着明显的差异,同时P-CMOD曲线计算的断裂能离散性更小,表现出较好的稳定性。此外,对不同尺寸试件的峰值处荷载Pc、挠度δc、最大张口位移CMODc以及两种方法计算的断裂能的尺寸效应进行了分析。     

两种混凝土断裂韧度的Bazant尺度律分析

选用两种不同性质混凝土的三点弯曲梁试验数据,用材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)推荐的方法,得到了材料有效断裂过程区长度和真实断裂韧度的值,从而确定了两种混凝土试件各自断裂韧度的Bazant尺度律公式.用公式分别预测了几何相似较大尺寸试件的断裂韧度值,与试验测试值相比,两种材料试件的误差均不超过5%.结果表明,Bazant尺度律公式揭示了混凝土类准脆性材料试件断裂韧度尺寸效应的规律,能很好地预测试件断裂韧度的测试值,并且预测精度几乎不受试件材料性质变化的影响.     

混凝土局部断裂能的三线性模型

混凝土断裂能具有明显的尺寸效应。局部断裂能沿试件韧带方向的分布可以解释断裂能的尺寸效应。已有研究表明,局部断裂能的分布受试件的前后边界及初始裂缝尖端虚拟边界的影响,进而得到局部断裂能的三线性分布模型。本文基于该局部断裂能分布的三线性模型,计算了不同缝高比的混凝土三点弯曲梁的断裂能大小,并解释了断裂能的尺寸效应。结果表明,当缝高比在0.3至0．5范围内变化时,计算得到的断裂能无明显变化。     

龄期及粗骨料级配对高坝混凝土断裂能GF和断裂韧度KIC的影响规律

本文首先用同一尺寸带切口的混凝土三点弯曲梁，分别在７天，１４天，２１天和２８天龄期下，测试其断裂能ＧＦ和断裂韧度ＫＩＣ。结果表明，各龄期混凝土断裂能ＧＦ的倒数与龄期倒数之间的关系是线性的。通过三个系列，不同骨料级配的带切口的三点弯曲梁试验，得到了骨料级配对ＧＦ和ＫＩＣ的影响规律。研究结果表明，可以用湿筛法制成的混凝土梁的ＧＦ，ＫＩＣ值代替原配比大尺寸混凝土梁的ＧＦ，ＫＩＣ值。     

混凝土尺寸效应机理的有限元分析

混凝土断裂破坏时产生尺寸效应是普遍存在的一种现象，在假设裂尖形状、大小及裂纹宽度不变而裂纹长度随结构尺寸按比例变化的前提下，用有限元方法分析了三点弯曲梁内应力的分布情况，并讨论了裂尖形状对应力分布的影响。结果表明：在加载点相对位移相同时，梁内最大应力随结构尺寸的增加而增大，裂尖形状对梁内最大应力影响很小；当尺寸较小时，结构尺寸效应比较显著，随着尺寸的增加，结构尺寸效应逐渐减小。     

基于扩展有限元法的混凝土梁断裂性能数值分析

用扩展有限元法对混凝土梁的断裂性能进行了数值研究。以试验所测具有尺寸效应的混凝土断裂能G_f作为基础数据,利用局部断裂能的双线性模型,通过最小二乘法拟合得到与尺寸无关的混凝土真实断裂能G_F。在此基础上,基于扩展有限元法,首先对比分析了采用断裂能G_f、G_F的模型,然后以真实断裂能G_F作为混凝土的参数,对不同缝高比和不同梁宽的混凝土三点弯曲梁的断裂性能进行数值分析。分析结果表明:当利用扩展有限元法对混凝土断裂问题进行计算时,采用真实断裂能G_F作为混凝土材料参数更准确有效;随着初始缝高比增大,混凝土梁断裂韧度先增大后逐渐减小;混凝土梁断裂韧度与梁宽无关。     

岩样单轴压缩塑性变形及断裂能研究

首先研究了应变软化阶段岩石试件轴向塑性变形。假设局部化开始于峰值强度而轴向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切带的相对塑性剪切位移与应力水平及剪切带宽度有关，剪切带宽度由梯度塑性理论确定。剪切带的相对塑性剪切位移在轴向的分量为轴向塑性压缩位移。研究结果表明：剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率有一定的影响；若剪切带倾角存在尺寸效应，不同高宽比试件的相对应力-塑性变形曲线不是一条严格直线，而是一个狭窄的区域，类似“马尾”。但是，剪切带倾角对相对应力-塑性变形曲线斜率的影响是有限的，峰后应力-塑性变形曲线的斜率基本上是常量，这与前人的一些试验现象相符。然后，研究了单轴压缩条件下岩石试件全部断裂能的尺度律。全部断裂能由峰前断裂能及峰后断裂能两部分构成。在峰值强度前，采用Scott模型描述了材料的非线性弹性特征，得到了峰前断裂能的解析解。结果表明：峰前断裂能与试件的高度有关。在峰值强度后，材料的剪切应力-塑性剪切应变的本构关系为线性应变软化，采用梯度塑性理论计算了由于剪切带塑性剪切变形而消耗的断裂能。目前提出的关于全部断裂能尺寸效应的解析解的正确性被前人的试验结果的线性回归结果验证。增加试件高度，全部断裂能增加。增加弹性模量，全部断裂能降低。若不考虑剪切带倾角及抗压强度的尺寸效应，全部断裂能存在尺寸效应的原因是：峰前的均匀塑性变形。     

钢纤维体积率对高强混凝土断裂性能的影响

通过对相对切口深度为0.2、0.3、0.40、.5的钢纤维高强混凝土三点弯曲试验,研究钢纤维体积率对高强混凝土断裂性能的影响。结果表明:在相对切口深度为0.20、.3、0.4、0.5的条件下,随着钢纤维体积率的增大,钢纤维高强混凝土断裂韧度和断裂能均显著增加。通过对试验结果的统计分析,分别建立断裂韧度、断裂能与劈拉强度之间的关系式。     

混凝土断裂能G_F的尺寸效应

断裂能ＧＦ是基于虚拟裂缝模型并考虑了混凝土软化特性的断裂参数，这个参数在混凝土的非线性开裂计算中是必不可少的．本文采用楔入劈拉法研究了试件高度对混凝土断裂能的影响．研究结果表明，ＧＦ在一定范围内存在尺寸效应．然而当试件高度ｈ＞５００ｃｍ时，基本上无尺寸效应．这一结论对大体积混凝土结构的非线性开裂计算有着重要的意义．     

基于三维裂隙网络的RQD尺寸效应与空间效应的研究

 岩石质量指标(RQD)是岩土工程与地质工程中的重要概念,在岩体性质分析中起到了重要作用,但RQD存在着明显的尺寸效应与空间效应,这在以后岩体工程设计计算中并没有引起充分的重视。为研究RQD的空间效应,采用三维裂隙网络模拟方法模拟现场真实岩体,并在模型中设立大量测线获取岩体中不同位置的RQD值。结果表明,岩体中不同位置的RQD值并不相同,存在明显的空间效应。为获取可整体代表岩体好坏程度的RQD值,需在大量RQD样本的基础上进行分析。另外,为更好地体现岩体的非均质性,研究不同阈值下的RQD范围,最终确定可充分反映待分析岩体的最佳阈值,为4 m。尺寸效应是RQD参数的重要性质,通过改变测线长度的方法探讨RQD在不同尺度下的变化情况。总结、提出RQD的计算模型与公式,即：A-A模型、T-T模型、A-A-S模型、Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式。分别研究与对比不同模型下RQD的尺寸效应,结果表明,采用A-A-S模型可充分减少尺寸效应带来的RQD的计算误差;当阈值较大时,Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式存在一定的误差,基于三维裂隙网络模拟的方法进行RQD的计算将会更为准确。     

混凝土断裂韧度的尺寸效应

本文采用最大尺寸为2500mm×600mm×600mm共计33根三点弯曲切口梁进行了断裂试验,分别研究了试件体积、高度、厚度、跨度对断裂韧度的影响规律。试验结果表明,断裂韧度随试件体积的增大而增大;分别对各个尺寸因素而言,断裂韧度与试件厚度无关,随试件跨度的增大而有减少的趋势。随试件高度的增大而显著增加。     

钢纤维对高性能混凝土弯曲韧性和断裂能影响的试验

参照国际材料与结构联合会标准(RILEM),对钢纤维高性能混凝土开口梁进行三点弯曲试验。试验结果表明,钢纤维类型和掺量均为影响高性能混凝土弯曲韧性和断裂能的重要因素。高性能混凝土的能量吸收能力和断裂能随纤维掺量的提高而提高;与低强凸痕型钢纤维相比,端部带弯钩的高强钢纤维对高性能混凝土弯曲韧性和断裂能的提高效果更为显著。综合利用断裂能和弯曲韧性指标,才能更全面地描述混凝土在弯曲过程中的受力与破坏特征。     

大理岩I–II复合型动态断裂的实验研究

 利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(f50 mm,f130 mm,f200 mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验–数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf))。在100 μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响：对于静态情况为I–II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,f50 mm尺寸试样仍处于复合型加载,而f130 mm,f200 mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动。岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释。考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响。     

测定混凝土断裂参数试验方法的研究

对卵石、碎石混凝土试件进行了三点弯曲试验和楔入劈拉试验。计算、比较了卵石、碎石混凝断裂韧度、断裂能 ,发现采用三点弯曲法和楔入劈拉法测定的断裂参数接近。     

An experimental study on acoustic emission energy as a quantitative measure of size independent specific fracture energy of concrete beams

Notched three point bend specimens (TPB) were tested under crack mouth opening displacement (CMOD) control at a rate of 0.0004 mm/s and during the fracture process acoustic emissions (AE) were simultaneously monitored. It was observed that AE energy could be related to fracture energy. An experimental study was done to understand the behavior of AE energy with parameters of concrete like its strength and size. In this study, AE energy was used as a quantitative measure of size independent specific fracture energy of concrete beams and the concepts of boundary effect and local fracture energy were used to obtain size independent AE energy from which size independent fracture energy was obtained.