关于混凝土材料断裂试验的缺口敏感性

一、引言在混凝土材料的断裂试验中,常涉及该种材料的缺口敏感性问题。一般认为当有缺口试件的名义应力σ_n(按材料力学方法求得的缺口处净截面破坏应力)小于无缺口试件的名义应力——材料极限强度σ_u(即σ_n/σ_u     

海水腐蚀条件下304不锈钢疲劳性能试验研究

对304不锈钢光滑及缺口疲劳试件在无腐蚀及模拟海水腐蚀条件下进行单轴拉压疲劳试验,研究海水腐蚀条件对304不锈钢疲劳特性的影响。将模拟海水条件下的试验结果与无腐蚀试验条件下的结果对比,定量分析在海水腐蚀条件下应力幅值及缺口深度对其疲劳性能的影响。结果表明:海水腐蚀对光滑试件的疲劳性能影响较小,而对缺口试件的疲劳性能影响较大;并且随着应力幅和缺口深度增加,疲劳试件对海水腐蚀的敏感性增加。     

不同钢板厚度的脆性断裂力学特征研究

针对厚钢板强度不足、裂纹敏感性等问题,通过有限元模型构建含缺口尖端的钢板材料,分析不同厚度下钢材缺口尖端应力场分布情况,对钢板脆性断裂倾向进行研究。研究结果表明:在弹性应力阶段,对于50～150 mm的特厚钢板,随钢结构厚度的增加而应力呈现出小幅增长的趋势。沿Z向,σz在缺口尖端取得最大值,靠近裂纹尖端局部区域应力降低并不明显,靠近钢板表面呈直线下降;塑性变形阶段,随着应力水平的增加,特厚板应力衰减速率降低,特厚板的塑性变形受到约束,导致钢板更容易发生脆性破坏。厚钢板的最大拉应力随荷载增加的增幅更为明显,最大拉应力依然在非塑性区且不断增大,最终导致材料发生脆性破坏。     

基于GTN损伤模型的参数敏感性分析

利用ABAQUS有限元分析软件,建立缺口圆钢棒试件单轴拉伸材性模型。通过UMAT子程序,引入GTN微细观损伤本构模型描述材料本构关系,改变GTN损伤模型参数值,分析轴拉极限荷载和断裂位移预测结果对各GTN参数(形核时的平均等效塑性应变ε_n,形核应变的标准差S_n,形核粒子的体积分数f_n,初始孔洞体积分数f_0,考虑孔洞聚合作用引入的模型校准参数q_1、q_2,材料出现宏观裂纹时的孔洞体积分数f_F)的敏感性。采用曲线拟合轴拉极限荷载、断裂位移与GTN参数之间的关系,获取其对各参数的敏感度。结果表明:参数变化对断裂位移的影响较极限荷载更大。各参数对极限荷载的敏感度因子值最大为0.010 7,各参数敏感性由大到小依次是ε_n、S_n、q_1、f_n、q_2、f_0、f_F;而各参数对断裂位移的敏感度因子值最大为1.31,各参数敏感性由大到小依次是q_2、q_1、f_n、f_F、ε_n、f_0、S_n。     

含裂纹三点弯曲试样裂纹尖端应力状态分析

裂纹尖端的应力状态与构件的断裂性能关系密切,尤其是厚度方向应力的影响更为显著。含裂纹三点弯曲试样是材料断裂行为研究的一种常用模型,本文以含裂纹三点弯曲试样为模型对裂纹尖端的应力状态进行了有限元分析。分析结果表明,平面内应力σx和σy最大值均出现在距离裂纹尖端一定距离处,并随着加载的进行而向外移动;厚度方向应力σz在裂纹顶端数值为零,在缺口尖端附近存在一个最大值,平面应变系数的最大值超过0.5,接近0.6。     

SHPB试验中不同加载升时应力平衡时间对波阻抗比的敏感性

为研究分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中不同加载升时试件应力平衡时间对波阻抗比变化的敏感性,将矩形波、梯形波、坡形波等典型的入射加载波形统一表达为具有不同前沿升时的梯形波形式。利用一维应力波理论,分析入射加载弹性应力波在试件中的传播过程,推导出具有任意前沿升时的梯形波入射加载情况下试件内沿加载方向应力分布的相关计算公式。计算得出不同试件–压杆波阻抗比的试件,在不同前沿升时的梯形波入射加载情况下,试件应力平衡时间变化曲线和应力均匀性变化时程曲线,分析入射加载的前沿升时和试件–压杆波阻抗比等有关参数对试件应力平衡时间和应力均匀性的影响规律,得到了一些较为有益的结论,为指导SHPB试验的方案设计和进行有关分析提供理论依据。     

不同加载率作用下双材料巴西圆盘动态抗拉强度试验研究

水泥砂浆广泛应用于岩石工程中,如巷道锚喷支护及山体滑坡注浆加固等,由于温度变化,岩石与砂浆之间的过渡区容易形成微裂隙薄弱区,同时地下岩体结构又常常承受着动载荷的作用,如爆破、冲击及地震等,因此研究岩石与水泥砂浆界面过渡区(interface transition zone,ITZ)的强度及其破坏特征具有重要的意义。为此提出了岩石–砂浆双材料巴西圆盘构型,采用分离式霍普金森压杆系统对两种界面粗糙度(光滑和粗糙)的双材料巴西圆盘进行了冲击实验;同时,为了比较单一材料与双材料破坏性能的差异,还制备了单一花岗岩、砂岩和砂浆的巴西圆盘试样。为了克服双材料巴西圆盘的应力分布不均匀的问题,使用实验–数值法确定了其中心抗拉强度。并且,采用Python语言建立了两种试件批量嵌入cohesive单元的数值模型模拟双材料试件ITZ的失效过程。结果表明:(1)当动态加载率相同的条件下,双材料界面粗糙度对试件的应变率影响不大,但对试件抗拉强度影响较大;(2)相比于花岗岩–砂浆试件,界面粗糙度对砂岩–砂浆试件动态初始抗拉强度影响更大;(3)基于数值模型得出圆盘模型中心处存在切应力τ_(xy),但拉应力σ_x远大于切应力τ_(xy);(4)嵌入cohesive单元的数值模型破坏规律和现象与试验试件较为接近,校验了方法的有效性。     

建筑用高强钢厚板在高应力三维度下的断裂模式

为研究高强钢厚板在高应力三维度下的断裂模式,对18个厚度为26mm的Q345钢缺口板进行了拉伸断裂试验和基于结构钢椭球面断裂模型及偶联屈服模型的数值分析.结果显示:高强钢厚板缺口板在几何变化剧烈、应力高度集中的缺口根部断裂;缺口根部刻弧半径和缺口宽度愈小的试件;断裂延性愈差;断裂指数的分布规律和应力三维度具有较高的关联度,位于板厚中面的缺口根部应力三维度最高,是裂纹起裂点;当应力三维度介于0.43~0.72时,高强钢厚板的等效断裂应变和应力三维度较好地遵循幂函数演化.     

基于有限元的装载机动臂的疲劳分析

<正>工程中常用的疲劳分析方法有3种:名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法[1]。名义应力法是一种以名义应力为基本参数,以材料的S-N曲线为主要设计依据的方法,适合高周疲劳问题,是     

水泥基材料塑性收缩抗裂判据研究

采用自行设计的塑性抗拉强度、塑性收缩开裂应力测定装置测试了水泥砂浆、混凝土塑性抗拉强度和塑性收缩开裂应力.出现塑性收缩开裂时,试件表面实际的塑性收缩开裂应力应大于或至少等于其塑性抗拉强度,据此提出了以试件的毛细管收缩开裂应力临界作用深度来计算其他试件的名义开裂应力,再以此计算它们的塑性收缩开裂抗裂指数,从而得出水泥基材料塑性收缩开裂抗裂判据的思路.实验发现:当抗裂指数≤1.360时,水泥砂浆、混凝土出现塑性收缩开裂;当抗裂指数>1.360时,水泥砂浆、混凝土不出现塑性收缩开裂.     

“纸条拉力赛”实验方案设计与结果分析

以纸和Q235钢作为实验材料,在已有缺口的试件上开孔,减弱缺口产生的应力集中效应,在轴向受拉的作用下,提高试件承载力。通过实验得出减弱缺口应力集中效应明显的开孔方式。对2种材料试件得出的结论进行对比,并利用有限元软件辅助分析试件最大内力,用MATLAB处理数据,使实验数据可视化。经试验和有限元模拟分析得出开孔方式最佳的方案。     

砖骨料地聚物再生混凝土力学性能试验研究

为推动废弃黏土砖的资源化利用,设计了45个含不同砖骨料取代率(0%,30%,50%,70%,100%)的地聚物再生混凝土试块(15个立方体试块和30个棱柱体试块),并对其力学性能进行试验研究。通过单调受压试验,研究砖骨料地聚物再生混凝土试块抗压强度与砖骨料取代率的关系,得到了棱柱体试块的应力-应变曲线,并对其峰值应力、弹性模量、峰值应变和极限应变等进行分析。结果表明：砖骨料地聚物再生混凝土呈现碎块慢慢剥落,最终在纵截面出现一条斜向贯穿裂缝而引起斜向剪切裂缝破坏;随着砖骨料取代率的升高,试件的抗压强度呈下降趋势,但延性有所提高;当σ≤0.35 f_ck时,表面并无细微裂纹,试块处于弹性受压状态;当0.35f_ck≤σ≤0.85 f_ck,试件表面微裂缝开展,试块在由弹性向弹塑性过渡的阶段;当0.85 f_ck≤σ≤1.0 f_ck,试件表面破坏加剧,内部有声响及裂缝扩展;峰值荷载过后,试件破坏并丧失承载力。随着砖骨料取代率的增大,试块弹性模量明显降低,棱柱体混凝土试块的峰值应力呈梯度化下降...     

纤维增强超细尾砂充填体微观破坏机制

纤维增强充填体(FRB)在采空区充填中具有明显的优势,为研究FRB微观破坏机制,以不同配比的玻璃纤维增强超细尾砂充填体为研究对象,利用电子万能试验机、扫描电镜、核磁共振仪和声发射监测仪开展系列试验,从微观层面系统分析FRB的裂隙扩展及损伤演化过程。研究表明：玻璃纤维的掺入能够显著优化充填体材料的初始结构,减少初始缺陷,其中以灰砂配比为1∶12试件的优化效果最为明显;FRB试件和无纤维充填体(CPB)试件的破坏模式存在显著的区别：CPB试件破坏以主裂隙贯穿试件为主,局部位置存在剥落现象,而FRB试件破坏则以较多的小尺度次生裂隙为主,这是由于纤维对充填体材料的阻裂作用所致。因纤维的阻裂作用也使得FRB和CPB的声发射(AE)特性呈现明显的差异：CPB试件在屈服点σ_cd(约在85%应力峰值)之后,振铃计数出现“AE下降区”,而FRB试件在屈服点σ_cd之后,振铃计数则表现出明显的“AE上升区”。研究结果不仅能够为推广玻璃纤维充填体的应用提供理论指导,且可为玻璃纤维增强充填体达到其峰值强度预测提供声发射判据。     

混凝土在冲击荷载下的力学行为

目前,对混凝土动载力学行为的研究无论在理论上还是方法上都很不成熟,瑞士惠特曼教授曾将日本三桥的随机过程模型用来描述混凝土的快速破坏,发现混凝土的抗压、抗拉、抗折强度与应力速率的关系可描述为:式中σ_0、σ分别为在应力速率σ_0和(?)下的破坏强度;β是与材料性质有关的参数,称为“材料常数”。(1)式表明:材料的动态响应完全取决于它的“材料常数”。可见,材料的β与它的动载力学行为有着内在联系。但是,目前对“材料常     

多向压复合应力状态下A-E-C的强度性能研究

为准确认识引气混凝土(A-E-C)在多向压复合应力状态下的强度性能,通过试验对立方体强度为C30的A-E-C进行了单向压、双向压(应力比α=σ2∶σ3=0.25∶1.0,0.50∶1.0,0.75∶1.0,1.0∶1.0)以及三向压(应力比α=σ1∶σ2∶σ3=0.1∶0.25∶1,0.1∶0.5∶1,0.1∶0.75∶1,0.1∶1∶1)加载状态下的强度特性研究.对试件的破坏形态以及6个面上裂缝的走向进行了观察描述,根据试验结果,分析了应力比对多向压复合状态下A-E-C的极限强度的影响规律;并与在单向压、多向压(双向压以及三向压)复杂荷载作用下普通混凝土的研究内容进行了比较分析.在此基础上,建立了相应的破坏准则,为A-E-C结构的有限元分析提供了试验、理论依据.     

基于V型缺口梁的聚乙烯纤维增强超高延性水泥基复合材料受剪性能试验研究

基于9根聚乙烯纤维增强超高延性水泥基复合材料(PE-ECC)和3根无纤维基体浇筑的V型缺口梁受剪性能试验，研究不同配合比和纤维体积掺量对V型缺口PE-ECC梁的剪切性能的影响。结果表明：对照组无纤维基体V型缺口梁表现为明显的脆性破坏特征，而V型缺口PE-ECC梁均发生延性破坏；V型缺口PE-ECC梁试验过程中裂缝主要出现在缺口两侧加载点与支座之间的区域，呈现明显的多缝开裂现象，当荷载达到峰值荷载之后试件的下支座处出现主裂缝并且试件具有明显的挠度，这与无纤维基体试件有着显著的区别；当纤维体积掺量在0%～2%范围内时，V型缺口PE-ECC梁的受剪承载力和延性随纤维体积掺量的增大而增加，且纤维体积掺量为2%的试件的裂缝开展较纤维体积掺量为1%的试件更加充分；当纤维体积掺量为2%时，PE-ECC梁的名义抗剪强度平均值为9.46MPa,为同配合比PE-ECC轴心抗拉强度的1.79倍。     

不锈钢焊接工字形截面残余应力分布试验研究

通过焊接加工10个不锈钢工字形截面试件（选材包括奥氏体型S30408和双相型S22253两种），采用分割法将试件截面切分成条带，量测释放的残余应变，计算得出截面的残余应力大小与分布形态。结果表明：试件截面的残余拉应力峰值低于材料的名义屈服强度，对于奥氏体型S30408和双相型S22253两种不锈钢试件的截面残余拉应力峰值分别约为其名义屈服强度的80%和60%。基于试验结果对现有简化分布模型的评估表明其应用的局限性，提出可以较准确描述不锈钢焊接工字形截面残余应力分布的建议简化模型，结合现有的其他试验数据，对建议简化分布模型的适用范围进行了验证和推广，可以为不锈钢结构构件的稳定性研究和设计提供参考。     

反复荷载作用下钢筋的本构关系

本文通过钢筋试件在反复荷载作用下σ-ε关系的试验研究,探讨了不同加载历史对σ-ε关系的影响。试验表明,历经循环加载后的σ-ε曲线与上一荷载循环与之同方向荷载的卸载点应力、应变值及当前加载循环的起始应变值有关,与历经的荷载循环次数基本无关;其σ-ε骨架线不再具有与单调加载的σ-ε曲线同样的屈服台阶长度,较早进入了硬化阶段。本文在试验基础上提出了考虑加载历史影响的数学模型。计算曲线与试验曲线符合良好,从而为钢筋砼结构的非线性计算分析提供了适用的材料本构关系。     

Q420qD钢材应力腐蚀特征试验研究

为研究Q420qD钢材应力腐蚀特征,对应力水平为0.3倍屈服应力和无应力工况下共60个试件在相同腐蚀环境中进行通电加速腐蚀试验,建立了有应力和无应力腐蚀试件的腐蚀速率模型并进行对比。对部分腐蚀试件表面进行三维形貌扫描,研究了有应力和无应力试件的形貌发展规律、蚀坑深度分布规律以及蚀坑形态与径深比规律。利用差分盒维数计算腐蚀表面分形维数,对比了有应力和无应力试件分形维数随质量损失率和腐蚀时间的变化规律。结果表明:当试件应力为0.3倍屈服应力时,有应力和无应力试件腐蚀速率均表现为先快后慢,在目标腐蚀率小于18%时,有应力和无应力试件腐蚀速率近似为常数,且有应力试件的腐蚀速率近似为无应力试件的1.15倍; 有应力试件腐蚀形貌发展快于无应力试件,且最终腐蚀形态都以均匀腐蚀为主; 有应力和无应力试件表面分形维数变化规律相似,均在腐蚀初期迅速增大,之后出现减小—增大—减小的周期性上下波动现象; 有应力试件分形维数在腐蚀初期发展速率高于无应力试件,且有应力试件的分形维数普遍大于无应力试件; 蚀坑形态以球冠状为主,有应力和无应力试件单个蚀坑深度分布均能较好地服从正态分布规律; 蚀坑径深比变化范围稳定于2～6,平均值在4附近波动。     

铸钢节点对接焊缝有效缺口应力分析

为了研究铸钢节点对接焊缝的疲劳性能和寿命评估方法,对一种常用的铸钢热轧钢对接焊缝试件进行了疲劳试验研究,得到了刚度、位移与疲劳寿命阶段之间的关系。根据疲劳试验现象和断面的电镜扫描结果,提出了该类试件的疲劳失效机理。此外,采用有效缺口应力法预测了铸钢节点对接焊缝的疲劳寿命,并在考虑了平均应力和焊接残余应力的前提下,提出了改进的有效缺口应力法,分别将预测结果与实测疲劳寿命进行了对比。研究结果表明:铸钢节点对接焊缝的疲劳过程可分为稳定阶段和断裂阶段。稳定阶段占总寿命比例≥80%,断裂阶段≤20%。有效缺口应力法能在一定程度预测疲劳寿命的变化趋势,但结果偏危险,改进的有效缺口应力法能提供较安全的预测结果。