混凝土裂缝端部粘聚力的计算

混凝土裂缝端部断裂过程区的粘聚力分布是导致混凝土断裂呈现非线性特性的重要原因。基于混凝土的断裂特性和虚拟裂缝端部存在粘聚力的分析模型，并通过分布函数的特性分析，提出了粘聚力分布函数的两种简化表达式：一为单参数待定式，另一为双参数待定式。由变形体叠加原理，推导出计算单参数待定函数公式和计算双参数待定函数代数方程组。进而通过裂缝张开位移实测数据即可求得粘聚力分布，并且给出了适当的算例分析和讨论。     

混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析

该研究工作对混凝土这一多相的复合材料,通过实验和理论相结合的科学手段,建立了一套完整的描述混凝土裂缝发展的断裂理论以及分析方法。根据实验观测结果提出了双K断裂参数,可以反映混凝土裂缝发展特性。在线形渐进叠加假定基础上,给出了双K断裂参数的解析表达式。根据分布于断裂过程区上粘聚力对裂缝扩展阻力的增强作用,得到了双K断裂参数适用的解析解,并通过实验分析了各种可能因素对双K断裂参数的影响。在考虑粘聚力影响条件下,提出了裂缝扩展阻力的新KR曲线,并将双K断裂参数与之对应起来。研究工作又通过能量的观点提出了与双K断裂参数相对应的以能量释放率为参数的双G断裂参数。通过数值计算和实验分析证实了能量法和应力场法在描述混凝土断裂性能方面的等效性。     

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...     

砼双K断裂参数的实用解析方法

采用标准三点弯曲梁砼试件,利用试验中测得的最大荷载maxP及对应的裂缝口张开位移CMODc计算了砼裂缝亚临界扩展量caD。提出了由虚拟裂缝闭合力)(xs产生的应力强度因子cKI的实用解析方法,进而计算了砼双K断裂参数iniKIC及unKIC。采用这一方法,只需在试验中测得最大荷载maxP及对应的裂缝口张开位移CMODc、砼弹性模量及抗拉强度即可确定双K断裂参数并且无需对cKI进行数值积分。大量的计算分析表明,这一实用解析方法不但可使计算过程进一步简化,而且具有很高的精度。     

基于虚拟裂缝模型求解混凝土等效断裂韧度的实用解析方法

主裂缝亚临界扩展所形成的虚拟裂缝区的粘聚力是影响混凝土断裂韧度尺寸相关性的重要因素。根据混凝土准脆性材料的断裂特性,建立了一种基于虚拟裂缝模型的求解混凝土等效断裂韧度的实用解析方法。首先根据复合材料力学和线弹性断裂力学的基本原理,将虚拟裂缝的粘聚力作为相应的边界条件,运用修正的剪滞理论,分区引入变异层,建立了分层剪滞模型;然后根据能量法则,推导出求解混凝土等效断裂韧度的解析计算模式;最后针对相关试验的数值解,得到了混凝土等效断裂韧度的解析解。结果表明,对于不同的子层数,体积系列试件的混凝土等效断裂韧度均方差和变异系数分别低于0.0398和0.0384,高度系列试件的混凝土等效断裂韧度均方差和变异系数分别低于0.0394和0.0363,从而证明了混凝土等效断裂韧度是与试件尺寸无关的断裂参数;且与数值解相比,解析解的均方差和变异系数更小,证明了本文解析方法具有更好的鲁棒性。由此得出结论,基于虚拟裂缝模型所建立的解析模式为求解混凝土等效断裂韧度提供了一种可靠的、实用的解析方法。     

黏聚裂纹阻抗的弯曲梁承载力

在混凝土类软化材料断裂研究中,裂纹端部损伤区被简化为具有黏聚应力分布的非线性裂纹,该黏 聚力对裂纹扩展有阻抗作用。裂纹体的应力强度因子是断裂力学标志载荷作用与几何构型因素的量化表达指标; 黏聚力形成的阻抗强度因子数值,与黏聚裂纹长度和材料极值拉伸应力存在数量关系。通过双K断裂判据,以 带切口的三点弯曲梁为断裂力学模型,分析了裂纹黏聚阻力对断裂过程的影响规律,计算该弯曲梁结构断裂试 样的最大承担载荷;其结果比较符合实验数据。     

用能量方法研究混凝土断裂过程区的力学性能

准脆性混凝土自由裂缝前缘断裂过程区的发展与其非线性断裂特征及尺寸效应现象密切相关。它的物理力学行为的量化分析对理解混凝土断裂破坏机理和建立适用于混凝土结构裂缝稳定分析和安全评估断裂准则尤为重要,一直是混凝土断裂力学研究的核心问题。该文依据Hillerborg给出的断裂能定义,给出了计算单位长度断裂过程区发展能量耗散的通用表达式。以三点弯曲梁为例,采用非线性软化本构关系,进一步给出了计算此平均能量耗散的具体步骤及对应的公式。在根据实测的三点弯曲梁的断裂能回归拟合了特征裂缝张开位移w0后,计算了每个试件整个断裂全过程中不同荷载时刻断裂过程区耗能的平均值。结果表明:随着裂缝扩展,断裂过程区能量耗散的变化和试件尺寸无关,可描述断裂过程区混凝土材料的力学性能。     

基于零厚度粘聚力单元的钢筋混凝土板在爆炸荷载下的动态破坏过程分析

军火库或危险品仓库存在着偶然爆炸的威胁,而钢筋混凝土是这些建筑物的主要构成材料,因此研究钢筋混凝土结构在爆炸荷载下的破坏过程具有重要意义。该文基于LS-DYNA动力有限元程序,利用任意拉格朗日–欧拉（ALE）方法,以及多物质流固耦合方法对混凝土结构在爆炸荷载作用下的动态破坏过程进行研究。为了更好分析混凝土结构在爆炸荷载作用下的动力响应,采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料本构模型,并引入零厚度粘聚力单元来模拟混凝土的动态破坏过程,克服基于侵蚀算法单元删除带来的质量损失问题。该文首先介绍零厚度粘聚力单元模型的生成过程并对比试验结果,验证所建立的零厚度粘聚力单元模型的合理性。其次,对比不同爆炸荷载下基于侵蚀算法以及零厚度粘聚力单元两种不同模拟方法的模拟结果,验证基于零厚度粘聚力单元模拟的优越性。最后基于零厚度粘聚力单元模型,分析不同爆炸荷载对混凝土结构动态破坏过程以及碎片抛射的影响。     

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。     

自重对混凝土三点弯曲梁断裂性能的影响

自重对三点弯曲梁试件的断裂性能有重要影响,而以往基于三点弯曲梁研究混凝土的断裂性能时,很少考虑自重引起的试件初始裂缝张口位移（CMOD_ini）的影响。为了研究CMOD_ini对三点弯曲梁断裂性能的影响规律,给出了CMOD_ini及考虑CMOD_ini影响的有效裂缝长度（a_c）和失稳断裂韧度（K_IC^un）的计算公式,并用不同试件尺寸及不同初始缝高比的三点弯曲梁试验数据进行了对比分析。结果表明：当试件初始缝高比为0.4时,CMOD_ini受试件尺寸影响较小,即使试件尺寸达到2200 mm×550 mm×240 mm时,自重对其CMOD_ini、a_c及K_IC^un的影响均小于5%。CMOD_ini受初始缝高比的影响较大,且随着初始缝高比的增大而增大,对于尺寸为1143 mm×305 mm×76 mm,初始缝高比为0.818的三点弯曲梁试件,自重对其CMOD_ini、ac及K_IC^un的影响分别为24.26%、1.73%和17.31%。可见,当三点弯曲梁试件尺寸及初始缝高比均较大时应该考虑自重引起的CMOD_ini的影响。     

不同软化曲线形状对裂缝扩展阻力G_R曲线的影响

最近基于裂缝粘聚力提出了描述裂缝扩展全过程阻力变化的GR曲线,所发展的解析解相关于骨料桥联咬合作用造成的非线性断裂过程区的能量耗散,故与该区域材料使用的拉伸软化本构关系即应力-裂缝张开口位移软化曲线有密切联系。鉴于此,该文采用4种不同的软化曲线研究了软化曲线形状对裂缝扩展阻力GR的影响。结果发现,GR曲线对软化曲线敏感,GR曲线的合理性依赖于软化曲线的准确性。在使用准确软化曲线的前提下,GR曲线的特征点与软化曲线的特征点存在相对应关系。     

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。     

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。     

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△a_c,据此求得了混凝土起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、等效断裂韧度K_Ic^un值。计算结果表明,随着试件尺寸的增大,△a_c增大,但K_Icⁱⁿⁱ、K_Ic^un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。     

基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究

针对钢筋混凝土梁裂纹扩展问题,基于扩展有限元法,建立了预置裂纹的简支混凝土梁三维模型,用粘聚裂纹模型描述裂纹面间的力学行为,采用线性的软化曲线表示裂纹尖端断裂过程区的应变软化行为,分别对素混凝土梁和钢筋混凝土梁的复合断裂过程进行模拟,分析了纵向钢筋对裂纹扩展路径、荷载-挠度和荷载 -CMOD (裂缝开口处张开位移)曲线的影响,并与文献中的试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合良好,展示了扩展有限元法在结构断裂破坏分析方面的独特优势。