钢筋混凝土结构锈胀开裂全过程仿真分析

利用大型有限元软件DIANA,详细分析了锈蚀导致混凝土保护层开裂的全过程.仿真分析表明:混凝土保护层的锈胀开裂过程可分为内裂、扩展、外裂和内外裂缝贯通4个阶段;锈蚀产物膨胀率一定时,混凝土保护层内侧裂缝的产生主要与混凝土抗拉强度相关,其他因素影响甚微;混凝土保护层表面锈胀开裂及其裂缝贯通主要与相对保护层厚度有关,该值越大,裂缝越不容易发展;提高混凝土抗拉强度,能有效延缓锈胀裂缝的产生和发展;在相同条件下,混凝土保护层非均匀锈胀开裂时的钢筋锈蚀率较均匀锈胀开裂时低;混凝土保护层剥落的特征主要与钢筋净间距和保护层厚度的比值相关,当该值较大(>3)时,仅角区保护层发生局部剥落,否则保护层将整体剥落.     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

钢筋混凝土结构裂缝及钢筋锈蚀研究现状

总结了钢筋混凝土结构常见裂缝的类型及其产生的原因，阐述了裂缝区钢筋锈蚀研究的现状，指出了钢筋锈蚀和裂缝的扩展是一个交互作用、动态发展的过程，今后的研究中确定裂缝区钢筋锈蚀和裂缝扩展的相互作用规律，建立其扩展速率预计模型，对实际工程结构的可靠度计算、剩余寿命预测以及选择对其正确的维修加固处理方法都具有十分重要的意义。     

基于数字图像与数值计算的节理岩体锚固效应研究

为了研究锚杆对裂隙岩体的加固作用,通过自主研发的数字图像相关(DIC)试验技术和离散元(DEM)数值计算方法,对预置裂隙岩体试样锚固前后进行测试。从细观层次量化分析了加载过程中两类岩体(未锚固和锚固岩体)裂隙的起裂、扩展等特征,对比了数字图像测量的位移场,应变场和裂隙张开度(COD)以及数值计算得到的裂隙发育数量,区域分布和扩展方向。结果表明:基于DIC测量软件,可精确进行岩体非接触的无损测量,并且能够监测出岩体锚固这种内部隐蔽的过程;加固岩体的锚杆与裂隙交叉位置出现应变集中成核现象,定量地说明了岩体加固对裂隙的抑制作用;同时还得出岩体加固可以改变裂隙扩展类型和主裂隙发育方向。     

基于锈胀开裂路径的混凝土构件耐久性能概率预测模型及应用

基于混凝土锈胀开裂过程的随机性,提出了一种预测钢筋锈蚀程度、锈胀裂缝开展状况及承载力退化程度时变特性的路径概率模型,并编制了计算程序,能有效评估和预测氯离子侵蚀、混凝土碳化及两者耦合作用环境下钢筋锈蚀状况、锈胀裂缝宽度开展及构件承载力退化程度在不同时段的概率分布,实现了混凝土构件从有害物质侵蚀、钢筋锈蚀、混凝土开裂、钢筋锈蚀加剧、混凝土裂缝宽度增大到构件承载力下降的性能劣化全过程的数值模拟。可预测的性能特征参数包括钢筋样本锈蚀百分比,锈蚀率,混凝土开裂面积百分比,裂缝宽度及构件承载力退化百分比。预测结果与现场检测获得的统计结果吻合良好,验证了该模型的可靠性和有效性。图18表5参18     

锈蚀对加固构件加载裂缝开展的影响

桥梁构件在实际工作时往往带损伤工作,为了研究锈蚀损伤对加固构件在实际超载运营时的裂缝开展影响,文中开展了基于实际车辆荷载谱下多组钢筋混凝土构件疲劳试验研究。试验结果表明,碳纤维加固仍能有效提高钢筋混凝土构件的抗裂能力,严重超载下锈胀裂缝对疲劳裂缝的影响较大,建议对锈胀裂缝进行处理。     

基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究

巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的I-II-III型断裂研究一直较为落后。基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹I-II-III型断裂数值模拟,分析KI,KII,KIII分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符。结果表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题的研究奠定了基础。②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著。③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现I-II型翼裂纹扩展,侧面出现III型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯I型破坏。④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%。⑤数值模拟与物理试验特征一致。结论与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、I-II-III型断裂问题的研究提供了试验与理论基础。     

Detection and monitoring by FSM for fatigue crack at invisible location of steel plate deck with U-rib

For verifying the applicability of FSM, which is one of the non-destructive inspections based on the potential difference method, for fatigue cracks generated at the invisible location of a steel plate deck with U-rib, a series of experiment and numerical analysis was carried out. In the fatigue experiment, it was confirmed that cracks initiated at the roots of the welds between the deck plate and the U-rib. They propagated concentrically from the roots into the thickness direction of the deck plate. The FC values obtained by the static electric field analysis were agreed with the experimental results. It was indicated that the initiation and propagation of fatigue crack could be detected and monitored by FSM. It was known that the crack initiation at either welds of the left or right sides of the U-rib could be judged by noting the behavior of the FC value of the pair. It was confirmed that the initiation and propagation of fatigue cracks could be detected and monitored with high accuracy by FSM with noting the FC value of the pair possible to be used actually.     

地下电站顶拱裂缝的近景摄影监测

四川映秀电厂的渔子溪地下电站厂房从衬砌施工以来,陆续发现几百条裂缝。在电站运行的几年中,其裂缝不断扩展、增多。对此曾用位移计、钢筋应力计、裂缝宽度计等测量围岩地应力和衬砌裂缝的状况,有利于了解围岩和衬砌初期的工作情况,但对于长期和全面的监测还有困难。采用近景摄影量测方法,可进行全区域和裂缝尖端的摄影量测,能得到裂缝分布和裂缝扩展状况的图像,以及了解裂缝扩展速度和变化,有利于分析地下洞室衬砌的稳定程度。     

基于不确定性的氯离子侵蚀环境下普通混凝土结构的耐久性研究

针对氯盐侵蚀环境下普通混凝土结构的锈胀开裂,通过分析普通混凝土结构的腐蚀损伤发展特点,建立氯离子侵蚀环境下普通混凝土结构的耐久性失效准则。基于工程实例,采用不确定性分析方法,通过Monte Carlo随机模拟,对氯离子侵蚀环境下普通混凝土结构的锈胀开裂时间开展了可靠性分析研究,得出了其近似概率密度分布,通过假设检验,确定其服从对数正态分布,并给出其在不同保证率情况下锈胀开裂时间的取值。     

压剪应力条件下砂岩双面剪切细观开裂扩展演化特性试验研究

 利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同法向应力条件下的剪切试验,借助声发射技术及图像处理技术,对细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入探究。研究结果表明：对于压剪应力条件下的双面剪切试验,加载过程中的大部分阶段,试件表面损伤不明显,表面裂纹出现在峰值剪应力之前;当剪应力达到峰值前,Hit率有一个急剧增加的过程,说明砂岩内部已有裂纹产生,而试件表面并无明显变化,一段时间后才在表面观测到细小裂纹,推测裂纹由内向外扩展;试件发生宏观破坏后,左右两侧裂纹呈八字形或梯形分布,由于竖向剪切力引起的岩体内部剪切破坏占主导作用且砂岩内部晶粒间存在一定的几何物理性质差异,主裂纹基本沿预定剪切面扩展的同时表现出开裂扩展的不规则性;裂纹多在石英、长石等矿物颗粒的边缘即砂岩中相对薄弱的环节产生,随着应力水平的增加,裂纹也会穿过矿物颗粒形成穿晶破裂,这种现象多在石英颗粒中出现,这与其特有的微结构特征有关。     

基于边界元法各向异性岩石的裂纹传播路径分析

 利用边界元法来探讨各向异性大理岩的裂纹传播特性,如应力强度因子与裂纹倾角及材料各向异性的关系、裂纹初始开裂角度与裂纹传播路径的预测及仿真分析。将边界元法结合最大围压断裂准则来预测各向异性材料的裂纹初始开裂角度及模拟各向异性材料的裂纹传播路径,并将数值分析结果与前人的初始开裂角度及试验所观察的传播路径得到的结果进行比较,研究结果表明,数值分析结果与试验结果均较为吻合。因此,所提出的裂纹传播方式可准确地分析各向同性及各向异性材料的裂纹传播特性。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

Theoretical and numerical studies of crack initiation and propagation in rock masses under freezing pressure and far-field stress

Water-bearing rocks exposed to freezing temperature can be subjected to freezeethaw cycles leading tocrack initiation and propagation, which are the main causes of frost damage to rocks. Based on theGriffith theory of brittle fracture mechanics, the crack initiation criterion, propagation direction, andcrack length under freezing pressure and far-field stress are analyzed. Furthermore, a calculation methodis proposed for the stress intensity factor （SIF） of the crack tip under non-uniformly distributed freezingpressure. The formulae for the crack/fracture propagation direction and length of the wing crack underfreezing pressure are obtained, and the mechanism for coalescence of adjacent cracks is investigated.In addition, the necessary conditions for different coalescence modes of cracks are studied. Using thetopology theory, a new algorithm for frost crack propagation is proposed, which has the capability todefine the crack growth path and identify and update the cracked elements. A model that incorporatesmultiple cracks is built by ANSYS and then imported into FLAC3D. The SIFs are then calculated using aFISH procedure, and the growth path of the freezing cracks after several calculation steps is demonstratedusing the new algorithm. The proposed method can be applied to rocks containing fillings such asdetritus and slurry.
2014 Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences. Production and hosting byElsevier B.V. All rights reserved.     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

基于数字图像技术的TRC加固砌体裂缝发展研究

采用纤维编织网增强混凝土进行砌体墙的加固,并利用数字图像相关技术（DIC）可以全场测量的特点,在全场范围内对加固砌体墙在承受荷载时所产生的裂纹扩展情况进行探测.探测结果表明：随着荷载的增加,砌体墙加固层持续开裂,由微裂纹逐渐形成肉眼可见的裂缝,裂缝的形态和扩展路径与应变场的变化相对应.     

脆性材料裂纹与损伤相互作用的试验研究

为研究岩石等脆性材料的损伤对裂纹动态扩展的影响,采用动态透射焦散线方法,模拟脆性材料裂纹与损伤相互作用的动态过程,进行多种损伤情况下有机玻璃试样裂纹动态扩展过程试验研究,讨论不同类型损伤对脆性材料裂纹动态扩展规律的影响和裂纹与损伤相互作用的机制。试验结果表明:不同类型的损伤对裂纹扩展影响不同,除裂纹型损伤外,其他几种类型损伤的存在均会引起裂纹扩展出现短暂停滞,停滞时间与损伤的尺寸及距离扩展裂纹路径的距离有关系;裂纹扩展路径上存在单个圆孔时会影响裂纹扩展速度,裂纹消耗能量增大;而多个圆孔情况下,材料局部弱化,裂纹扩展速度增大,而裂纹扩展消耗能量降低;表面损伤和局部贯通裂纹的尺寸、相对裂纹扩展路径距离等影响裂纹扩展速度,但能量消耗并未增大;对称裂纹相互竞争,同步扩展,裂纹尖端位置或裂纹长度的微小差别(例如裂纹长度相差3.68%)就会对裂纹起裂产生明显影响,导致2个裂纹起裂时间不同,裂纹扩展以后,先起裂的裂纹尖端应力强度因子大说明能量集中到相应裂纹尖端,从而越有利于该裂纹的扩展,扩展速度也就越大(相差约38.9%),相同条件下裂纹扩展所消耗的能量也越大。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。