大初始缝高比混凝土试件双K断裂参数的试验研究

双K 断裂准则能够定量描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。该文采用混凝土三点弯曲梁试件,通过在试验中测得的起裂荷载P_ini、最大荷载P_max及临界裂缝口张开位移CMOD_C计算了初始缝高比为0.3~0.9共7组试件的起裂断裂韧度K_ICini 和失稳断裂韧度K_ICun 。结果表明,当初始缝高比为0.3~0.7时,混凝土裂缝扩展经历起裂、稳定扩展和失稳破坏3 个阶段,双K 参数均是与初始缝高比无关的材料参数;当初始缝高比大于或等于0.8 时,混凝土裂缝起裂后便进入失稳扩展阶段,起裂荷载即为最大荷载,且计算得到的K_ICini 仍与初始缝高比无关。因此,在确定K_ICini 时,仅需测得初始缝高比大于或等于0.8试件的P_max,将P_max作为P_ini直接计算得到K_ICini。同以往的试验方法相比,其结果更为准确且试验方法简单。     

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

混凝土非线性断裂韧度G_(Ic)及其尺寸效应

就混凝土而言，在裂缝失稳扩展前，由于裂缝尖端的微裂区而产生非线性变形并伴有裂缝的亚临界扩展。这种非线性变形与亚临界扩展，使混凝土材料在断裂前吸收更多的能量。本文从试验得出的荷载－位移的非线性曲线出发，求得了材料抵抗裂缝扩展的非线性断裂韧度，并探讨了试件缝高比及高度对的影响。     

岩石-混凝土界面拉伸断裂性能的率相关性研究EI北大核心CSCD

该文弯曲断裂试验获得了不同应变率下界面的抗拉强度、荷载-加载点位移曲线、荷载-裂缝口张开位移曲线、起裂荷载和峰值荷载,通过夹式引伸计法和DIC法获得了临界裂缝扩展长度。并计算了界面断裂能及双K断裂参数,分析了不同应变率下界面断裂过程区演化规律及特征长度的变化。结果表明:随应变率的增大,断裂能和起裂韧度增大,临界裂缝长度和失稳韧度先增加后减小,断裂过程区长度及特征长度随应变率的提高而减小。该文从裂缝发展路径、自由水粘性、惯性效应三方面探讨了岩石-混凝土界面断裂参数的率效应。     

小尺寸混凝土试件双K断裂参数试验研究

采用最大尺寸为680mm×160mm×40mm的标准三点弯曲梁试件,利用在初始裂缝两侧粘贴电阻应变片并利用混凝土裂缝扩展到此处时其应变回缩的方法测得了起裂荷载Pini,在此基础上根据Pini及初始缝长a0得到了起裂断裂韧度KIiCni;根据在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODC计算了混凝土等效裂缝长度aC,据此计算了失稳断裂韧度KIuCn。结果表明:采用电阻应变片法可准确测定混凝土的起裂荷载Pini,且方法简单。试验结果还表明:在本试验范围内,三点弯曲梁法测得的混凝土双K断裂参数KIiCni、KIuCn与试件高度无关,进一步说明了混凝土双K断裂参数可以作为描述混凝土裂缝扩展的断裂参数。     

基于声发射技术的30CrMnSi钢断裂机理研究

采用三点弯曲试样加载过程声发射监测实验,结合断口SEM观察及X射线能谱分析,考察了30CrMnSi合金钢延性断裂的整个物理过程.结果表明:30CrMnSi钢的断裂过程从宏观上可以分为裂尖塑性变形、裂纹亚临界扩展和裂纹失稳扩展三个阶段.其机理如下:裂尖塑性变形过程是位错的滑移、堆积而引起的孔洞形核和长大;裂纹亚临界扩展过...     

光弹贴片法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展过程

该文采用光弹贴片方法对最大尺寸为2500mm×600mm×200mm的混凝土四点剪切梁,Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究,通过照相机拍摄光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,得到了混凝土裂缝稳定扩展阶段完整而直观的观测结果。根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列,测得了四点剪切荷载作用下裂缝尖端附近主应变场分布,得到了荷载-裂缝扩展量曲线。根据光弹贴片所观察的裂缝扩展长度?a,借助有限元计算了裂缝扩展过程中尖端应力强度因子的变化,并模拟断裂过程。结果表明,对于混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,裂缝在失稳扩展前存在着明显的亚临界扩展,采用光弹贴片方法可有效地记录这一过程,而以往不考虑裂缝扩展量得到的断裂准则是偏于保守的。试验结果还表明,在裂缝起裂后,虽然加载方式仍为Ⅰ-Ⅱ复合型,但断裂类型已由Ⅰ-Ⅱ复合型退化为纯Ⅰ型断裂。     

梯度复合材料裂纹扩展路径和起裂载荷的有限元分析

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF),采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角,并模拟了裂纹扩展路径,计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比,验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时,垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展,且偏转角在梯度指数线性时出现峰值,并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时,材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。     

低热水泥全级配混凝土断裂试验及尺寸效应分析

该文分析了低热水泥全级配混凝土断裂性能的尺寸效应规律。通过在大坝工程施工现场浇筑成型试件有效高度为0.75 m、1.5 m和2.25 m的楔入劈拉试件并开展试验,获得低热水泥全级配混凝土稳定的双K断裂参数。基于试验结果,采用理论方法推求全级配混凝土无尺寸效应的失稳和起裂韧度,预测任意尺寸试件的最大和起裂水平荷载。研究发现,当韧带高度与骨料最大粒径比值大于等于6.0后,双K断裂参数趋于稳定。尺寸效应模型及其演化形式可用于确定全级配混凝土无尺寸效应的起裂和失稳断裂韧度,定量分析强度与韧度对裂缝扩展的影响,并可通过引入等效几何参数,分别建立任意尺寸试件最大和起裂水平荷载的预测方程。     

环氧沥青混凝土裂纹起裂与失稳扩展的临界特征

为了获取环氧沥青混凝土的裂纹起裂与失稳扩展临界点,重构了环氧沥青混凝土非均质(集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构三维虚拟试件,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟三点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,分析了裂缝发展过程中裂缝尖端张开位移(CTOD)和裂缝口张开位移(CMOD)之间的变化关系。研究结果表明:裂尖张开位移δ₂₅参数的使用为理解实际流入断裂带用于裂缝扩展的那部分能量开辟了一条新思路;裂缝尖端张开位移和裂缝口张开位移关系曲线的两个转折点描述了裂缝起裂和临界失稳扩展状态,环氧沥青混凝土断裂过程中裂缝的扩展经历了起裂、稳定扩展和失稳扩展3个阶段;δ₂₅-CMOD曲线分析法可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段。     

基于声发射技术的非标准自密实混凝土三点弯曲梁动态断裂特性

对不同初始缝高比的自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)非标准三点弯曲梁开展不同加载速率下的断裂试验,获得其断裂的荷载-裂缝嘴张开口位移曲线及峰值荷载、断裂韧度、临界缝高比增量、弹性模量和柔度系数等断裂参数,结合Pearson相关性检验公式及加载速率效应模型,定量分析初始缝高比、加载速率与断裂参数间的相关性强弱及SCC断裂参数的加载速率效应。结果表明峰值荷载、断裂韧度及弹性模量均存在一定的加载速率效应,柔度系数仅与初始缝高比强相关,弹性模量和断裂韧度是材料的固有属性,不受初始缝高比影响。同时,基于声发射(Acoustic emission,AE)技术对SCC的损伤断裂过程、断裂边界效应及裂缝扩展模式进行分析,结果表明,AE参量能较好地反映混凝土断裂的三阶段特性及边界效应。裂缝的扩展首先以拉伸裂缝为主,剪切裂缝占比随着裂缝扩展过程逐渐增大。      

混凝土断裂过程区长度计算方法研究

该文基于粘聚裂缝概念,以起裂韧度作为裂缝起裂和扩展的准则,提出了混凝土断裂过程区长度的计算方法。以Ⅰ型裂缝为例,计算了不同初始缝长和起裂韧度情况下的断裂过程区长度值,结合以往大体积混凝土的试验数据对其进行了验证。进而分析了断裂过程区长度的影响因素,结果表明:断裂过程区长度随初始缝长的增大而逐渐增大,随起裂韧度的增大而逐渐减小。     

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。     

Fracture toughness of concrete determined on large specimens

It has often been questioned whether linear elastic fracture mechanics can be applied to describe crack propagation and failure of concrete. An important argument is that most test results are obtained on specimens too small to be representative of a material with a composite structure such as concrete. Large specimens with four different geometries have been prepared and tested. Crack length was increased under controlled conditions to at least 250 mm. It was found that fracture toughness increases initially as a crack propagates, but that a length-independent value is reached asymptotically. Within the range of accuracy, asymptotic values obtained with the four different geometries were the same. It is concluded that failure of large size concrete elements can be predicted realistically on the basis of linear elastic fracture mechanics. For comparatively small specimens, however, an approach which takes total fracture energy into consideration (for instance the fictitious crack model) is more appropriate. It is pointed out that the role of subcritical crack growth on fracture toughness needs further investigation.     

基于非接触式观测技术的再生骨料混凝土断裂性能分析

采用非接触式观测技术(DIC)和传统电测法,对不同再生粗骨料取代率(0％、30％、50％、70％、100％)的混凝土进行三点弯曲梁断裂性能试验,得到双K断裂参数、裂缝口张开位移(CMOD)、裂缝尖端张口位移(CTOD)、裂缝扩展长度(△a)以及裂缝扩展路径,验证DIC非接触观测技术的有效性.结果表明:当再生骨料取代率为...     

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。     

混凝土软化本构关系对双K断裂参数的影响

混凝土裂缝扩展的双K 断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。其相 应的双K 断裂参数ini c K I 、un c K I 可通过简便的实验和基于虚拟裂缝扩展粘聚力的解析方法确定。已取得的 研究结果表明，起裂韧度ini c K I 的解析解与所确定的混凝土软化本构关系有关。对于简单实用的双线性软化 本构曲线而言，参数s s 、s w 、0 w 的取值直接影响软化本构关系的确定。根据本课题组新近所做楔入劈 拉实验，经分析对比得到了与实测结果相符合、为确定双K 断裂参数所使用的双线性软化本构曲线的相应 参数。