混凝土断裂力学及其研究现状

混凝土断裂力学是20世纪60年代基于金属断裂力学的基本理论基础而发展起来的固体力学分支．它主要研究含裂缝体的混凝土材料和混凝土结构的破坏过程以及裂缝传播规律，建立断裂准则，探讨如何控制和防止混凝土结构断裂破坏的措施．综述了断裂力学及混凝土断裂力学的产生和发展，对国内外研究混凝土断裂力学的现状进行了介绍和讨论。     

钢-超高性能混凝土组合板横向受弯静力试验及有限元模拟

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）组合板的受弯性能,开展8块该类组合板的受弯试验,分析正、负弯矩作用下的受弯破坏开展全过程.在正弯矩作用下,组合板受弯破坏经历了线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段,结构刚度两次衰减的拐点分别是界面滑移与钢板屈服,结构破坏时加载点附近UHPC局部压碎且剪弯段及端部界面出现脱空现象;在负弯矩作用下,UHPC层出现横向裂缝导致结构刚度第一次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得钢筋应力持续增大直至屈服,最终主裂缝宽度过大导致结构刚度严重衰减,组合板因UHPC层受拉断裂而破坏.采用有限元软件ABAQUS,建立非线性有限元模型.模型中考虑界面接触、材料非线性、混凝土损伤塑性模型等,模拟试验全过程.在与试验结果进行对比分析的基础上,分析影响钢-UHPC组合板抗弯性能的主要因素,包括界面黏结方式、纵筋配筋率、栓钉数及布置,研究这些因素对组合板抗弯极限承载力、结构刚度、跨中挠度等力学性能的影响.     

大坝和湿筛混凝土起裂荷载的确定方法

混凝土材料的断裂破坏特征是准脆性的,也就是说裂缝的发展是一个过程量,断裂荷载-位移曲线呈现非线性是由断裂过程区的发展所造成的,而对于采用双K断裂模型准则来说,要来预测大坝混凝土的裂缝发展状态,需要实测混凝土的断裂控制参数起裂韧度KiniIC和失稳断裂韧度KunIC.裂缝在开裂时,裂缝所对应的初始长度记为a0,所对应的荷载称之为起裂荷载Pini.要获得起裂韧度KiniIC的实测值需要测定起裂荷载Pini的值.Pini的试验确定对双K断裂参数的实测值十分重要.     

混凝土裂缝非线性断裂的简化预测方法研究

混凝土的裂缝断裂问题是评定混凝土结构工程安全的关键问题.结合起裂韧度准则和黏聚力模型,提出了一种混凝土裂缝断裂分析的简化预测方法.通过给定裂缝黏聚力的分布形式,推导了裂缝张开位移、外荷载的表达式,结合拉伸软化曲线给出了相应的求解方程和求解步骤,获得了裂缝起裂至扩展的全过程曲线.其中,裂缝扩展基于起裂韧度准则,黏聚力产生的应力强度因子和位移采用权函数方法进行计算.利用不同尺寸的楔入劈拉试件对断裂全过程进行了计算,结合现有的混凝土断裂试验成果对本文方法进行了验证.结果表明采用本方法可完整的计算裂缝断裂全过程并准确的预测带裂缝构件的极限承载力,从而验证了本文方法的有效性和合理性.     

混凝土微裂缝的实验检测与分析

混凝土的微裂缝的产生、扩展和断裂,影响着混凝土的强度和变形,涉及到混凝土应力应变曲线的本构模型关系,本文通过对混凝土的破坏机理描述,详细分析混凝土微裂缝产生的原因及其受力性能。     

基于裂缝扩展准则的混凝土重力坝裂缝扩展全过程数值分析

将裂缝扩展准则应用于混凝土重力坝裂缝扩展全过程分析,结合虚拟裂缝模型计算了经典混凝土重力坝模型的断裂特性,并与其他数值方法进行了对比。结果表明：利用该数值方法得到的混凝土重力坝模型的外荷载一裂缝口张开位移曲线及裂缝扩展路径与试验结果均吻合良好;当给定了混凝土材料的起裂断裂韧度、断裂能、抗拉强度等参数后,即可采用该数值方法对混凝土重力坝裂缝扩展全过程进行分析。     

拓扑学在有限元法中的应用

研究钢筋混凝土或预应力混凝土的主要困难在于混凝土产生裂缝的问题,随着大容量高速数字电子计算机和有限元法的出现,才有可能分析地研究混凝土物件中的裂缝的生长。但是,裂缝使连续性遭到破坏,给分析带来了困难,本文的目的在于发展一个计算机方法,能在有限元模型中自动形成裂缝线来模似裂缝的生长。网络拓扑的方法使这样的分析较为容易。我们采用系统这一概念,在这系统中把整个结构看作一个结构网络,并把各种不同的结构元件看作网络支,然后把混凝土构件中的裂缝看作网络拓扑的一个变换。     

混凝土结构碳化寿命的时变可靠度分析

在一般大气环境下,混凝土结构的耐久性问题主要是由于碳化引起的钢筋锈蚀问题.碳化造成混凝土结构从新建到最终失效破坏过程包括:混凝土中钢筋开始发生锈蚀;混凝土保护层开始出现顺筋裂缝;裂缝宽度达到不容许值或混凝土保护层锈胀剥落等三个阶段.采用拟Monte-Carlo随机模拟方法,计算了以上述三个状态作为极限我状态所对应的时变失效概率,计算结果令人满意.该方法可以应用于混凝土结构受钢筋腐蚀破坏的耐久性寿命预测中.     

基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.     

混凝土两相不均质模型断裂机理的初步分析

本文以试验为基础,讨论了两相不均质模型的断裂。对模型的裂缝起裂和开展进行了描述和分析。认识到混凝土局部的结构特征对于探讨其破坏过程和断裂机理是很重要的。骨料相的存在使基相中的裂缝起裂容易了,骨料离裂缝尖端越近,这种影响越显著,但裂缝的进一步发展又受到骨料的阻碍。局部的裂缝发展是伴随裂缝型式(Ⅰ型张开、Ⅱ型剪开)的不断复合和转化,不均质性对裂缝发展的阻止作用也是随之变化的。由此分析,对混凝土的断裂机理也有了进一步的认识。     

纤维板增强混凝土缺口试件裂缝扩展数值分析

利用Griffith准则和断裂力学原理讨论了带缺口的素混凝土和纤维薄板增强混凝土三点弯曲梁试件的断裂扩展问题。初步分析表明，纤维增强混凝土缺口试件的开裂荷载比素混凝土缺口试件提高23．9％，而失稳荷载比素混凝土缺口试件提高112．5％。     

橡胶混凝土梁裂缝分形理论分析

通过实验研究橡胶混凝土梁和普通梁在集中荷载下受弯性能,探讨橡胶粉对混凝土梁的承载力、裂缝宽度的影响。实验结果表明:两种梁表面裂缝分布都具有统汁意义上的自相似性;在同一荷载等级下橡胶混凝土梁的最大裂缝宽度小于普通混凝土最大裂缝宽度,胶粉的加入改善混凝土材料抗裂性能;利用分形理论求出各荷载等级下表面裂缝分维值,并建立起表面裂缝分维值与最大裂缝宽度间关系。     

开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟

为了研究氯离子在开裂混凝土中的扩散性能,考虑混凝土细观结构的非均质性,将含有裂纹的混凝土试件视为由砂浆基质、骨料、界面过渡区以及裂纹组成的四相复合材料,建立了带有单条裂纹的二维细观有限元模型.数值模型中,骨料不具有渗透能力,砂浆基质和界面中的氯离子扩散性能由水灰比确定,裂纹相中氯离子扩散系数与裂纹宽度的定量关系由文献中已有试验数据的拟合获得.研究了骨料分布形式对氯离子扩散行为的影响,分析并探讨了不同裂纹宽度下混凝土中的氯离子扩散行为.数值结果与试验数据的良好吻合说明了该方法的准确性.研究结果表明:骨料的随机分布形式基本不影响混凝土中氯离子的扩散行为;裂纹宽度小于50μm时,混凝土中氯离子的扩散行为基本不受裂纹的影响;裂纹宽度介于50~170μm时,氯离子的扩散随裂纹宽度增大而明显加剧;裂纹宽度大于170μm时,氯离子在裂纹附近的扩散趋于二维扩散形态.     

GFRP筋混凝土梁受弯性能试验

为改善GFRP(glass-fiber reinforced polymer)筋混凝土梁裂缝宽度较大的缺陷,提出一种将GFRP筋穿入金属波纹管并灌注水泥基高强灌浆料的新型构造措施,内部高强水泥基灌浆料与GFRP筋的黏结性能较好,共同参与受拉,外部金属波纹管可约束内部黏结裂缝的扩展,并增强与混凝土之间的黏结作用,进而减小GFRP筋混凝土梁的裂缝宽度.为验证其可行性,对配置钢筋、拉挤GFRP筋以及新型构造措施GFRP筋的6根简支梁开展了单调加载受弯试验,考察了GFRP筋混凝土梁在正常使用极限状态下的裂缝分布、平均裂缝间距以及平均裂缝宽度的发展规律.试验结果表明:与普通拉挤GFRP筋相比,新型构造措施可减小梁在使用阶段的裂缝宽度,延缓顺筋裂缝的出现;新型构造措施GFRP筋混凝土梁可满足各国规范0.5 mm最大裂缝宽度的限值规定,普通GFRP筋混凝土梁则不能满足要求;当GFRP筋配筋率接近或大于界限配筋率时,梁表现为首先混凝土受压破坏、最后FRP纵筋受拉断裂的失效模式,其受弯承载力高于钢筋混凝土梁,破坏前有较大的变形能力,平均挠跨比约为1/56.     

混凝土防裂技术在堆石坝面板中的应用

在面板混凝土施工配合比设计时,对混凝土的膨胀性进行补偿,加强混凝土施工过程控制,解决了堆石坝混凝土面板由于受几何尺寸和外部环境作用而产生横向收缩裂缝的问题.介绍了天台黄龙水库混凝土面板堆石坝的面板混凝土配合比设计和施工过程控制相结合的混凝土防裂技术的应用,在避免和减少施工后收缩裂缝方面收到很好的效果.     

劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区的氯离子传输

研究了不同尺度劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区环境作用下的氯离子浓度分布、氯离子传输以及钢筋锈蚀规律.试验结果表明:劈裂裂缝在制备过程中存在裂缝回复,裂缝宽度应以卸载后位移传感器获得的裂纹宽度值为准.裂缝混凝土氯离子浓度随深度增加而下降,然后在10 mm深度以下形成稳定段.裂缝区域稳定段氯离子浓度随裂缝宽度增加而呈指数函数增加,裂缝周边区域稳定段氯离子浓度则随裂缝宽度增加而线性增加;但与裂缝区域氯离子增加幅度相比,其增加幅度不明显.裂缝宽度大于0.05 mm,30d海洋暴露后混凝土裂缝面氯离子渗透深度近50 mm,沿垂直裂缝面向内平均渗透20 mm左右,钢筋表面锈蚀率快速增加.裂缝混凝土氯离子扩散系数与混凝土抗氯离子扩散能力、裂缝密度(包括裂缝的基体宽度/裂缝宽度)、裂缝对氯离子结合性能密切相关.当裂缝密度小于70时,裂缝混凝土氯离子扩散系数线性增加;距裂缝位置越近,混凝土氯离子扩散系数增加越大;裂缝越宽,其对混凝土影响范围越大.     

CFRP布加固混凝土梁裂缝宽度计算方法

为完善CFRP布加固混凝土梁裂缝宽度计算方法,一方面基于粘结-滑移理论,对CFRP布加固混凝土梁的裂缝间距和宽度公式进行推导,提出了适用于计算CFRP布加固钢筋混凝土梁和有粘结预应力混凝土梁裂缝宽度的理论分析方法;另一方面又按照传统钢筋混凝土结构裂缝分析思路,在平均裂缝宽度lm计算公式中引入CFRP布和有粘结预应力筋影响项,在裂缝宽度wm计算公式和钢筋应力不均匀系数ψ的计算公式中引入考虑CFRP布和有粘结预应力筋作用的影响系数δf,并给出相应半理论半经验公式.两种分析方法的计算结果与试验结果吻合较好.     

利用钢渣矿粉制备中低强度等级大体积砼的试验研究

在大体积混凝土工程中，由水泥水化热引起的温度应力导致混凝土开裂这一技术难题一直没有得到解决。采用钢渣矿粉来制备C30、C40强度等级大体积混凝土，实验结果表明，钢渣大体积巍凝土具有很好的抗渗性能和低收缩值；同时应用混凝土结构的温度收缩裂缝控制理论，对阳逻电厂三期工程混凝土进行了温度应力计算分析，证明该大体积混凝土工程具有很好的抗裂性。     

筏板基础大体积混凝土裂缝控制

大体积混凝土施工中容易产生裂缝。在平顶山鸿翔热电公司高层住宅楼基础底板大体积混凝土施工中 ,从混凝土配合比设计、裂缝控制、原材料使用、混凝土浇筑和养护等方面加强管理 ,有效地控制了混凝土裂缝的产生。     

混凝土预制缺口梁试件拉张破裂数值模拟

目的针对混凝土抗压不抗拉的特性,探讨混凝土预制缺口梁断裂过程中裂纹尖端应力分布及裂纹扩展规律．方法采用拉张破裂有限元软件,对预制缺口在梁的顶部和在底部不同位置的模型进行数值模拟,描述拉张破裂后形成的不连续面．结果得出了不同方案中预制梁受拉破裂的破坏形式．缺口到梁跨度中心线的距离越小,梁试件底部拉应力区域越小;缺口到梁跨度中心线的距离越大,梁试件底部的拉应力区域越大．结论由不同方案破坏形式可以看出,缺口梁受拉应力作用发生破裂,形成不连续面;随着破裂面的形成与发展,混凝土梁的结构形式发生相应改变,导致应力状态随之调整．缺口的位置直接影响梁结构的破裂方式,缺口到梁跨度中心线的距离在一定的范围内,缺口控制着梁破坏的形式,破裂沿缺口发展;超出范围以后,缺口的存在不影响梁的破坏形式,破裂的形成、发展形式与无缺口梁的破坏形式相同．