冻融混凝土基于声发射技术的单轴动态劈拉损伤特性研究

为了研究混凝土冻融劣化后的动态劈拉损伤特性,对历经 0、10、20、30、40 次冻融后的混凝土进行应变速率为 10 － 5 / s、10 － 4 / s、5 × 10 － 4 / s、10 － 3 / s 的单轴劈拉试验,分析了冻融循环次数和应变速率对混凝土劈拉强度和吸能能力的影响,并利用声发射技术分析了劈拉破坏过程中混凝土损伤发展情况。结果表明: 随应变速率增大,劈拉强度线性增大; 随冻融循环次数的增加,劈拉强度线性减小; 随应变速率的增大,混凝土吸能能力增大; 随冻融循环次数的增加,混凝土吸能能力减小; 实时采集的声发射信号可用来描述混凝土劈拉破坏过程; 混凝土劈拉损伤均随应变速率和冻融循环次数的增大而增大,当应变速率为 10 － 3 / s 时的斜率缓慢增加到累计能量的 10% 左右,当加载应力为峰值应力的 80% 左右时,试件内部能量急剧释放,试件迅速破坏。     

应力空间下基于区间搜索法的混凝土动态损伤临界点确定

为对混凝土损伤阶段进行划分,并确定损伤界点,对标准立方体试件进行了不同应变速率(10~(-5),10~(-4),10~(-3),10~(-2)/s)下的单轴压缩试验,定义以混凝土弹性模量为参量的损伤变量,并在应力空间下对混凝土损伤演化规律及损伤界点随应变速率的变化规律进行了深入分析。研究结果表明:1损伤界点应力水平随着应变速率的提高而上升,应变速率的提高使得损伤第1界点与第2界点向着应力较高处推移;2随应变速率的提高,损伤第1阶段区间长度增加,第3阶段区间长度减小,但应变速率的变化对损伤第2阶段影响甚微,且第2阶段应力区间长度在0.3左右。     

混凝土循环加卸载动态损伤演化推移分析及损伤值估计模型

利用多功能三轴仪进行了不同应变速率下的混凝土循环加卸载试验,对声发射信号与应力水平的关系进行了分析,并从声发射撞击数的角度对混凝土损伤演化规律特性进行研究,进一步构建了只含循环次数的单参数损伤值估计模型。研究结果表明在不同的应变速率下,混凝土损伤演化的路径各不相同,当应变较小时,混凝土前期损伤累积程度较大,后期平缓,出现水平段;随着应变速率的提高,混凝土损伤演化路径前移,后一种应变速率相对于前一应变速率所对应的损伤推移值随着累计残余应变的增大呈现出先增大后减小的规律,当累计残余应变一定的情况下,随着应变速率的提高,相邻2种应变速率对应的损伤推移程度在不断减弱;混凝土循环加卸载损伤演化规律具有三阶段损伤模式,统计密度函数能较好地反映循环加卸载损伤演化规律。     

基于声发射技术的混凝土动态劈拉试验研究

为了研究混凝土材料在受拉状态时的动态力学性能,采用新型动态无损检测声发射技术进行了不同加载速率下(10^-5/s ,10^-4/s,10^-3/s,10^-2/s)混凝土劈拉试验,根据实时采集的声发射数据建立了不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系,并在此基础上分析了混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及规律。结果表明混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的三阶段特征,加载前期产生的声发射信号较微弱,材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升;采集的声发射数据能真实地反映混凝土劈拉破坏特性。     

基于声发射的自然与饱水状态混凝土动态劈拉特性对比

为研究自然状态与饱水状态混凝土的动态劈拉特性,进行了不同应变速率(10^-5/s ,10^-4/s ,10^-3/s ,10^-2/s)下的径向劈拉试验,对混凝土劈拉强度进行了深入分析,并利用实时采集的声发射数据分析自然状态与饱水状态混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及破坏规律。结果表明:自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随加载速率的增加而增大。在低应变速率(10^-5/s,10^-4/s和10^-3/s)时,由于自由水的楔入作用,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度小;在应变速率为10^-2/s时,由于Stefan 效应,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土大;饱水状态混凝土的动态增强因子比自然状态混凝土的大,饱水状态混凝土率敏感性更显著;声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致,实时采集的声发射信号可对混凝土的劈拉破坏过程进行较准确的监测。     

基于声发射参数的不同级配混凝土动态劈拉试验研究

对不同级配(二级配、三级配、四级配)的混凝土在不同应变速率下(10^-5/s,10^-4/s,10^-3/s,10^-2/s)下进行了劈拉试验。对混凝土劈拉强度及轴向应变进行了深入分析,并利用实时采集的声发射数据分析了大体积混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及破坏规律。结果表明:随应变速率的增加混凝土劈拉强度呈增加的趋势,混凝土级配越高劈拉强度变化的奇异性越大;混凝土劈裂抗拉破坏过程不具有典型未裂阶段、裂缝阶段和破坏阶段的3阶段特征,加载前期产生的声发射信号较微弱,材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升;采集的声发射数据能较真实地反映混凝土劈拉破坏全过程。     

基于声发射技术的混凝土动态损伤特性研究

为研究混凝土材料动态损伤特性及损伤演化规律,进行了不同加载应变速率下(10^-5/s,10^-4/s,7.5×10^-3/s)的混凝土单轴压缩试验,并实时采集相应的声发射信号;在分析声发射参数与应力应变关系的基础上研究了在循环加卸载条件下混凝土材料的塑性变形特性及损伤特性。结果表明:循环加卸载过程中损伤集中在前期和中期,损伤程度随加载时间的延长逐渐加重,循环次数越多,损伤越严重;随着累积残余塑性应变的增加,损伤变量逐渐增大,加载应变速率越大,峰值前的释放能量越大,混凝土破坏越严重;随加载应变速率的提高,损伤破坏的路径变短,加载应变速率差异越大,损伤破坏路径差异越大,但损伤变化曲线起点与破坏终点重合。     

不同加载速率下混凝土损伤阶段的划分

在不同加载速率（10-5/s,10-4/s,10-3/s,10-2/s）下进行混凝土试块单轴受压试验,基于改进后的Weibull模型构建了损伤变量,并在应变空间下对损伤曲线做了进一步的细化研究。首先根据损伤曲线的特点,提出了合理方法来确定损伤界点在曲线上的位置,两个界点将损伤曲线划分为3个损伤阶段。在此基础上,探讨了加载速率对损伤界点、损伤阶段长度的影响规律。研究结果表明:①第一损伤界点对加载速率的提高较为敏感,并随加载速率的增大几乎呈线性发展,第二损伤界点对加载速率的提高不敏感;②加载速率的提高使3个损伤阶段的区间长度重新分配,对前两个损伤阶段影响较大,对第3个损伤阶段区间长度的影响较小;③两损伤界点位置基本对称分布于峰值应变两侧,大部分损伤集中在峰值应力1倍的峰值应变范围内,且两损伤界点对应的应变水平比值约为3.5,并随加载速率的提高而减小。     

基于声发射循环加卸载时侧压混凝土损伤特性研究

在水平单向侧压应力作用下,进行了竖向等应变步长循环加卸载的混凝土抗压性能试验。对不同侧应力状态下的外包络线、共同点轨迹线和循环加卸载全曲线进行了分析,研究了侧应力对累积残余塑性应变和刚度退化的影响,探索了混凝土在加载全过程中的能量释放特性,基于声发射事件数构建的损伤变量分析了混凝土的损伤规律。研究结果表明:①在整个循环加卸载试验过程中,声发射事件数主要集中在峰值应力以前,峰值应力以后出现较少,峰值应力后的声发射能量随侧向压应力的增大而增大;②混凝土刚度退化速度及累积残余塑性应变随侧压应力的增加而减小;③不同侧向压应力下混凝土损伤发展路径各异,侧压应力越高,损伤路径越短,水平与竖向荷载间的大小比例,决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。     

有侧压混凝土动态劈拉力学性能试验研究

为模拟混凝土结构在地震等动态荷载作用下的真实应力状态,进行不同侧压力下的混凝土动态劈拉试验。对混凝土劈拉强度、峰值应变、弹性模量等力学性能与应变速率、侧压力之间的变化规律展开深入的分析,并基于统计分布理论改进了Mazars劈拉本构模型。研究结果表明,侧压力作用下混凝土劈拉受荷的力学性能仍具有率效应,应变速率和侧压力的增大均会引起混凝土劈拉强度与劈拉弹性模量的提高,混凝土动态峰值应变会随侧压力增大呈现出先减小后增大的变化规律。改进后的本构模型对不同侧压力下的混凝土动态劈拉应力-应变曲线拟合效果都很好,其中上升段拟合参数c值受应变速率与侧压力的双重影响,而下降段拟合参数A_T和B_T值则主要由试验条件决定。与其他学者的数据进行拟合比较,可以发现该模型具有很好的适用性。     

孔隙水压循环次数对混凝土损伤影响

历经不同孔隙水压循环次数（0,10,50和200次）后,进行了中低应变速率(10-4/s)下混凝土常三轴受压损伤特性试验研究,分析其峰值应力、应变和弹性模量等基本力学参数随孔隙水循环次数变化的关系。同时依据受压切线模量的退化定义了损伤变量,得到应力水平比 损伤曲线,对混凝土损伤特性进行了研究。结果表明:①历经不同孔隙水循环后,混凝土常三轴受压峰值应力和应变随循环次数的增加呈指函数增加的趋势;弹性模量随循环次数的增加呈幂函数减小趋势并逐渐趋于平缓。②历经不同孔隙水循环次数后,混凝土的损伤发展速度整体上均大于0次循环,且随着循环次数的增加损伤速度逐渐降低。③通过应力水平比 损伤曲线,将混凝土损伤演化过程分为3阶段:损伤起始阶段、损伤发展阶段和损伤失稳阶段,同时依据所求损伤变量数据,拟合构建了损伤随应力水平比的演化方程。④依据损伤3个发展阶段定义了损伤界点,分析了损伤界点和损伤3阶段的应力水平区间长度随不同循环孔隙水压次数的变化。分析表明,随孔隙水压循环次数的增加,损伤界点对应的应力水平先增后减。     

混凝土冻融劣化后动态单轴抗压特性试验研究

为研究混凝土冻融循环后的动态力学性能,利用10 MN动静三轴仪对不同冻融劣化程度的混凝土在不同加载速率下进行单轴压缩试验,同时采集声发射数据分析试验过程中能量释放及损伤演化规律。最后,选用Weibull-Lognormal损伤本构模型,对试验数据进行拟合分析,并分析不同工况混凝土的损伤随应变的发展规律。研究结果表明:①相同冻融劣化程度时,随应变速率增加,峰值应力增大,峰值应变减小;冻融劣化程度会影响峰值应力的率敏感性;②在应变速率相同时,随冻融循环次数增加,峰值应力随之减小,峰值应变随之增大。③混凝土冻融劣化后应力应变关系峰前服从Weibull统计分布,峰后服从Lognormal统计分布。④在相同应变速率下,随着冻融循环次数的增加,混凝土的累计塑性应变整体呈增大趋势。     

荷载历史对混凝土动态受压损伤特性影响试验研究

为了研究荷载历史对混凝土应力应变全曲线、动态抗压强度及应力和应变空间动态损伤特性的影响,在应变速率10-5/s～10-2/s范围内,对历经了0%、30%、50%和75%极限抗压强度荷载历史后的普通混凝土受压试件进行了单轴动态抗压试验。试验结果表明,不同应变速率下历经荷载历史后,混凝土应力应变全曲线发生明显的变化;混凝土动态抗压强度随着应变速率的增加而增加,荷载历史超过某一槛值后,混凝土抗压极限强度明显降低;混凝土损伤应力槛值随着应变速率的增加而增加,历经超过损伤槛值的荷载历史后,混凝土的损伤应力槛值随着荷载历史的增加而减小,且损伤值随着荷载历史的增加而增加;混凝土损伤应变槛值受应变速率的影响不大,但随着荷载历史的增加而减小,且损伤值随着荷载历史的增加而增加。     

带初始损伤混凝土的动态抗压性能研究

对65个直径为68 mm的混凝土圆柱体试件进行试验分析,系统研究了不同初始损伤程度的混凝土试件在冲击荷载作用下的动态抗压特性。通过对混凝土试件预加不同的静态荷载,从而在试件内产生不同程度的初始损伤;利用SHPB设备进行不同速率下的冲击试验,研究初始损伤程度对混凝土动态抗压强度、应力应变关系以及破坏模式的影响。试验结果表明,初始损伤对混凝土动态抗压强度产生重要影响,其影响程度与混凝土试件的初始损伤程度密切相关,损伤程度在阈值以下时对混凝土的动态抗压强度影响较小,超过阈值时影响显著;随应变率增加,带损伤混凝土的动态抗压强度显著提高;含水率的增加降低了带初始损伤混凝土动态抗压性能。基于试验结果,提出了综合考虑初始损伤程度影响和应变速率效应的抗压强度预测模型。     

基于声发射技术的冻融劣化混凝土损伤特性研究

利用动静力三轴仪进行冻融劣化后的混凝土单轴循环加卸载试验,试验过程中同步采用声发射装置全程采集声发射数据,对声发射能量参数与应力应变的关系进行分析,并进行基于声发射技术的混凝土损伤特性分析。结果表明:整个循环加卸荷过程中,声发射的能量数主要集中出现在加载阶段,卸载阶段的能量数很少或几乎没有;混凝土的损伤变量随着累计塑性应变的增大呈现先缓慢增大、随后迅速增大、最后趋于缓慢增大的变化趋势;通过分析不同冻融循环次数、不同应变速率下的损伤变化规律,将混凝土循环加卸荷的损伤过程分为损伤起始、损伤稳定发展、损伤破坏三个阶段;在相同应变速率下,随着冻融循环次数的增加,混凝土的累计塑性应变整体上呈增大的趋势。     

基于声发射技术的钢纤维混凝土受压损伤本构关系研究

通过6组钢纤维混凝土试件轴心受压应力－应变全曲线试验,得到试件的应力－应变全曲线、 声发射撞击数－时间关系曲线和声发射参数,研究钢纤维参数对混凝土力学行为和声发射特性的影响。 结果表明:随着钢纤维体积掺量和长径比增加,混凝土峰值应力和峰值应变明显提高,其韧性和延性得 到显著改善;利用声发射参数分析可区分钢纤维混凝土试件的破坏模式;随着钢纤维的掺入,试件由受 拉破坏向剪切破坏转变。基于试验数据,建立了钢纤维混凝土单轴受压损伤本构关系方程,可为纤维混 凝土的工程应用和相关规程的修订提供参考。     

混凝土双轴动态等比例受压损伤试验研究

采用大型静、动态电液伺服试验系统对普通混凝土受压试件在应变率10^-5～10^-2/s范围内进行双轴动态等比例直接抗压试验。以切线模量的退化来度量损伤,从损伤的角度分别在应力和应变空间分析了混凝土动态损伤阈值随应变率的变化规律和混凝土的动态损伤演化规律。研究表明,随着应变率的增大,应力空间下损伤开始发展阶段的应力阈值也随之增加,应变空间下损伤开始发展阶段的应变阈值在减小。分析了动态荷载下混凝土的抗压强度、弹性模量的变化规律,结果表明,随着应变率增加,混凝土的弹性模量也在增加;混凝土的抗压强度、临界应变与应变率之间呈线性关系。     

混凝土单轴循环加卸载试验及声发射特性

利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴试验系统和SAEU2S声发射信号采集系统, 研究了单轴循环荷载作用下混凝土强度变化及声发射特征。结果表明:混凝土在单轴循环荷载作用下,其抗压强度与回弹值的比值随应变速率的增加而增大,通过线性拟合发现混凝土抗压强度与回弹值的比值率效应表现明显;混凝土在单轴循环加卸载过程中,声发射定位研究揭示了混凝土开裂位置及发展状况,并将混凝土变形分为4个阶段进行研究,结合每个阶段声发射累积定位数情况,分析了混凝土损伤变化;对循环加卸载过程中声发射累积定位数的分析发现,卸载后再次至最大历史应力水平前大量声发射信号产生说明混凝土不满足Kaiser效应;基于声发射定位数与应力随时间变化关系的研究认为,混凝土强度与应力水平有关,与内部结构也有关。     

基于Weibull统计理论的混凝土率型损伤本构模型研究

为研究混凝土在股役期间的材料特性,进行了不同应变速率下(10^-5,10^-4,10^-3和10^-2/s)的混凝土单轴受压试验,分析了混凝土材料基本力学特性,试验结果表明:随着应变速率的提高,峰值应力和初始弹性模量呈现增大的趋势,峰值应力的变化规律并不明显。基于Weibull和Lognormal统计分布理论,以及Lemaitre应变等效原理,引入应变速率因素,构建出混凝土材料分段式率型单轴受压损伤本构模型。依据试验数据,确定了所建立的率型损伤本构模型参数;给出了不同速率下混凝土单轴受压应力-应变和损伤变化规律曲线。结果表明:建立的混凝土率型本构模型能够反映不同应变速率下混凝土单轴受压损伤全过程。     

混凝土动态损伤的滞后特性

混凝土材料在动载作用下存在应变率敏感效应,其产生机理尚待深入研究。本文总结了混凝土材料动态力学性能的基本规律,并基于混凝土在损伤过程中声发射凯塞效应的观测及相关研究成果,分析研究了惯性效应、预静载和水的黏性等因素对动载作用下混凝土材料的损伤滞后特性的影响,提出了在动载作用下混凝土材料变形滞后所产生的损伤滞后最终表现为应变率强化效应的观点。同时,通过全级配混凝土试件的弯折数值模拟计算,并基于动载作用下的变形滞后的观点,讨论了所引入率效应强化参数的物理意义。