层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

框架-核心筒混合结构体系双向地震反应分析方法研究

框架-核心筒结构由于诸多优点而在高层建筑中广泛应用,目前对此种结构体系的研究主要集中在单向地震作用方面,双向地震反应分析研究则较少。在此背景下,本文对材料本构关系、非线性模型建立以及地震波输入方法进行了阐述,并采用3条地震波(Kobe波、Taft波和人工波)对某24层框架-核心筒结构进行了动力时程分析,得到单向和双向地震作用下结构两个主轴方向的弹(塑)性层间位移角和楼层相对扭转角。通过分析不同角度输入时的顶层最大位移,发现结构弹性阶段的最不利加载角度为30°左右,而弹塑性阶段3条地震波的最不利加载角度分别为55°、30°和40°。     

考虑动态应变率效应的混凝土单轴拉伸统计损伤模型

基于准脆性材料细观损伤机制,将损伤概括为"有效受力面积的减小"和"有效受力部位弹性模量的减小"两个方面,可分别利用断裂和屈服2种损伤模式表征;认为材料破坏过程实质上为2种损伤模式累积演化的连续过程。干燥混凝土所表现出的动态本构行为本质上是由于自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观2种损伤累积演化过程的改变。忽略水的黏滞性影响,通过假设不同应变率情况下干燥混凝土损伤演化服从某种相似性规律,建立相应增量形式的单轴拉伸动态损伤本构模型。通过算例和试验结果比较,表明该模型可预测变应变率加载情况下材料均匀损伤阶段的本构行为,等应变率加载可作为其中的一个特例。结合算例从有效应力、名义应力、吸能能力3个角度对材料的动态损伤机制进行探讨。区分开峰值应力状态和局部破坏的临界状态,并建议后者作为本构模型的最终破坏点。此举可充分考虑材料均匀受力阶段的延性,同时避免过多考虑局部破坏阶段本构模型尺寸效应的影响。     

基于应变能密度的非均质岩石损伤本构模型研究

基于岩石细观单元弹性模量近似服从Weibull分布的假设,结合应变能密度理论,建立岩石损伤本构模型,借助声发射事件能量信号和岩石纵波波速提出岩石均质度系数m和弹性模量折减系数K_0确定方法,并对参数进行修正。利用建立的损伤本构模型进行单轴加载模拟,将模拟结果曲线与已有模型理论曲线以及单轴加载实验曲线进行对比,该模型能很好地描述试件应力、应变关系与声发射情况。在此基础上,利用该模型进行石膏试件反复加载模拟,分析其应力–应变及声发射特征,并与室内实验结果进行对比分析。研究结果表明:试件均质度越高,脆性破坏特征越明显;借助声发射信号和岩石纵波波速确定的均质度m以及弹性模量折减系数K_0的计算结果与试验结果吻合。基于应变能密度的岩石损伤本构模型的构建为综合考虑岩石的均质度及反复加载过程对岩石试件影响提供了新的理论依据。     

裂隙对白云岩抗压性能的影响研究

裂隙是影响岩石或岩体压、拉、剪等力学性能的重要因素之一。文章通过对含裂隙的白云岩试件进行单轴压缩试验,分析了不同裂隙优势角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)、裂隙数量密度及裂隙长度密度对白云岩抗压性能的影响。试验得出:(1)当裂隙优势角α=30°时,白云岩的屈服强度σ_q取得最小值25.29 MPa,当α=90°时σ_q取得最大值109.66 MPa,且α与σ_q符合先减后增的二次函数变化趋势;当α=30°时,白云岩的失效强度σ_s取得最小值61.65 MPa,当α=90°时σ_s取得最大值128.70 MPa,且α与σ_s符合先减后增的二次函数变化趋势;当α=30°时,白云岩的弹性模量E取得最小值32.10 GPa,当α=90°时E取得最大值75.65 GPa,且α与E符合先减后增的二次函数变化趋势。(2)随着裂隙数量密度ρ_s的增大,屈服强度σ_q呈先减后增再急剧减小的三次函数变化趋势,失效强度σ_s呈先增后减的二次函数变化趋势,弹性模量E呈先增后减的二次函数变化趋势。(3)随着裂隙长度密度ρ_c的增大,屈服强度σ_q与失效强度σ_s均呈逐渐减小的对数函数的衰减趋势变化,而弹性模量E呈先增后减再急剧增加的三次函数变化趋势。     

沥青混合料动态弹性模量场模型的建立与应用

为获得能表征不同工况下沥青混合料力学性能的本构方程,采用沥青混合料标准马歇尔试件的单轴压缩试验数据,获得以加载速率和应力状态为自变量的动态弹性模量场模型.基于ABAQUS/VUMAT编写了材料本构的用户子程序,依据试验数据分析了模型的可靠性.分别采用沥青混合料劈裂试验中压头的竖向位移数据和沥青混合料小梁弯拉试验中的弯拉强度数据验证动态弹性模量场模型在不同工况下的通用性.结果表明:采用动态弹性模量场模型的计算结果与不同加载速率下沥青混合料的单轴压缩、劈裂和小梁弯曲等工况下的试验数据吻合较好.动态弹性模量场模型能描述沥青混合料材料参数与受力状态和加载历史的依赖性,可为复杂受力状态下沥青混合料结构的力学分析提供一种方法.     

混凝土应变率型弹塑性损伤本构模型

针对混凝土在不同应变率加载作用下的变形和强度特征,在现有试验数据研究基础上,首先提出了基于热力学定律的一般弹塑性损伤模型,再将应变率敏感性参数引入其中,推导出了应变率型弹塑性损伤本构模型.模型计算结果与试验结果比较表明,所建立的本构模型可以很好地描述混凝土在不同加载速率时的力学特征.应用该模型可预测大范围应变加载情况下混凝土破坏强度.结果表明：应变率对混凝土力学性能影响较大.     

古尔班通古特沙漠砂混凝土轴心受压性能试验研究

为了研究古尔班通古特沙漠砂掺量对沙漠砂混凝土轴心受压性能的影响,试验设计了11组沙漠砂混凝土棱柱体,通过轴心加载试验观察其破坏过程和破坏形态,并获取其峰值应力、峰值应变、弹性模量和荷载-位移全过程曲线。最后,通过拟合分析,提出了沙漠砂混凝土的本构方程。试验结果表明:沙漠砂混凝土棱柱体的各项力学性能均比普通混凝土有所降低,但其破坏过程、破坏形态、应力-应变曲线等性能都与普通混凝土十分相似。     

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用，木材表现出明显的地震应变率敏感性，需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果，分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性，建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上，基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型，编写相应的UMAT子程序，并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟，模型结果与试验结果吻合较好，验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。     

隧道锚承载特性及其破坏模式探究

隧道式锚碇的楔形结构造成锚–岩系统在不同的加载阶段表现出不同的承载能力,其中极限承载力又因锚–岩系统的破坏类型不同发掘空间巨大。首先基于一般力学原理和方法,分析锚–岩系统可能的破坏类型和隧道锚承载的阶段性,提出不同阶段隧道锚的承载力估值公式。利用数值试验和自编的破坏面追踪程序,揭示锚–岩系统的破坏演化规律,同时探究锚体结构楔形角和埋深对隧道锚的破坏面形态、破裂角和承载力的影响,主要结论如下:(1)破坏性数值试验追踪得到的锚–岩系统最终破坏形态为下窄上开口的倒喇叭形,室内2D模型试验结果验证了该破坏形态。(2)锚–岩系统的承载具有显著的三阶段特征,加载初期锚–岩界面无附加应力产生,中期界面压应力随工程荷载近似呈线性增长,加载后期界面压力随围岩破坏迅速降低。阶段承载的力学机制在于:隧道锚初始承载力仅依赖于锚体结构自身,由锚碇自重和由自重产生的界面挤压力、抗剪力两部分组成;而极限承载力取决于锚碇夹持岩体的范围,因而依赖于破坏面的位置、形态和破裂角等数据。数值试验揭示的锚–岩界面的应力随荷载变化曲线和锚–岩系统塑性区的扩展过程佐证了力学模型概化和阶段划分方法的合理性。(3)根据锚体楔形角和埋深的敏感性分析结果,发现:浅埋深、大楔形角情况下,破坏面倾向于圆台状;当埋深在35～45 m、楔形角为2°～6°时则破坏面呈喇叭状,埋深较大时倾向于界面破坏。喇叭形较窄段破裂角为2～3倍楔形角,较宽段破裂角则在20°～25°范围内,拐点位置距后锚面的距离稳定在1/2H处。(4)隧道锚的埋深不影响初始承载力,但极限承载力随埋深增加而增大;随楔形角的增加,初始承载力逐渐走低,但极限承载力呈先增后降的变化规律,表明锚碇结构存在优势角。     

基于图像测量三轴试验的土的本构模型构建方法

本构模型是描述材料力学性状的数学物理方程，是进行土工结构变形计算和稳定分析的必要条件。基于图像测量的三轴试验发现，土样在局部出现破坏后，各处的应力应变关系变得不一致，破坏区域和未破坏区域的变形形态和应力应变关系截然不同，土样整体的应力应变曲线是土样各处变形的综合结果。由此可以考虑：土一点只有未破坏和破坏两种状态，未破坏时服从应力应变关系，破坏时沿着破坏方向滑动、服从摩擦规律。因此，构建本构模型的思路可以由描述土样整体从初始加载到形成剪切带的应力应变全过程，变成只描述未破坏状态土的应力应变性质，建立破坏前的应力应变关系模型，选用合适的破坏准则判断一点是否破坏，破坏后应用滑动摩擦定律。     

混凝土三轴压力学性能研究现状

基于普通混凝土和钢纤维混凝土常温单调比例加载下的三轴试验研究,较为系统地介绍了混凝土三轴压试验的研究内容和试验方法,对比分析了两种混凝土的破坏形态、强度、变形等特性,对混凝土破坏准则和本构关系进行了简要论述,根据混凝土三轴试验中存在的问题,提出进一步研究的方向,为混凝土材料的深入研究提供基础。     

冲击加载下板岩压缩破坏层理效应及损伤本构模型研究

为探究动态加载条件下层状板岩的各向异性行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)获得江西层状板岩在高应变率下5组层理面倾角(θ=0°,30°,45°,60°和90°)临界破坏状态力学特征及破坏机制,进而利用元件组合模型理论,建立考虑宏观层理影响的层状岩体动态损伤本构模型。试验及理论分析结果表明:各层理角度试样应力–应变曲线峰值大小不同,但总体变化规律相近,均包含加载前期的弹性压缩阶段,中期的塑形阶段和塑性加强阶段,以及达到峰值后的峰后曲线;临界破坏状态下层理面在试样的破坏中起到重要作用,除θ=0°为穿越层理面的劈裂破坏外,其余层理倾角的破坏模式主要包括:偏向层理面方向的剪切破坏、沿层理面的滑移破坏和沿层理面的劈裂破坏。新建立的层状岩体动态损伤本构模型,综合考虑岩体自身微观损伤和宏观层理面损伤叠加影响,该模型不仅能较好地描述冲击条件下层状岩体应力–应变曲线变化规律,且峰值强度吻合较好,有助于更为准确地描述层状板岩在高应变率下变形破坏行为。     

高温作用后不等肢L形截面型钢混凝土柱偏心受压性能试验研究

对8根不等肢L形截面型钢混凝土柱进行高温作用后的受力性能试验研究,1根未受火柱作为对比试件。柱配钢形式为桁架式配钢,试验中考虑加载角与加载偏心距的影响。通过试验,获得试件破坏形态以及承载力、截面平均应变分布、荷载-滑移曲线和截面变形特性。研究结果表明：柱肢内侧两面受火1 h的不等肢L形截面型钢混凝土柱仍然具有较高的竖向承载能力;空腹式配钢与合理的腹杆布置能够保证型钢与混凝土的协同工作,应变平截面假定仍然适用;不等肢L形截面型钢混凝土柱长肢方向的截面弯曲刚度较短肢的大,加载角0°时的刚度大于加载角45°时的刚度。     

高温作用后不等肢L形截面型钢混凝土柱偏心受压性能试验研究

对8根不等肢L形截面型钢混凝土柱进行高温作用后的受力性能试验研究,1根未受火柱作为对比试件。柱配钢形式为桁架式配钢,试验中考虑加载角与加载偏心距的影响。通过试验,获得试件破坏形态以及承载力、截面平均应变分布、荷载-滑移曲线和截面变形特性。研究结果表明:柱肢内侧两面受火1 h的不等肢L形截面型钢混凝土柱仍然具有较高的竖向承载能力;空腹式配钢与合理的腹杆布置能够保证型钢与混凝土的协同工作,应变平截面假定仍然适用;不等肢L形截面型钢混凝土柱长肢方向的截面弯曲刚度较短肢的大,加载角0°时的刚度大于加载角45°时的刚度。     

Q460D高强度结构钢材循环加载试验研究

高强度结构钢材在实际钢结构工程中已经得到广泛应用,国内外学者已经进行了一些研究,但对于循环荷载下高强度钢材本构关系的研究还很缺乏。通过对17个Q460D高强度结构钢材试件进行14种不同加载制度的单调和循环加载试验,得到不同加载制度下的应力-应变关系,探讨不同加载历史对其本构关系的影响,研究其材料本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性。基于Ramberg-Osgood模型,拟合得到Q460D高强度结构钢材在循环荷载下的应力-应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定Q460D高强度结构钢材的循环加载本构模型参数,并结合有限元程序ABAQUS对上述试验进行准确模拟。研究结果可为准确分析计算高强度钢材钢结构在地震作用下的受力性能提供基本前提。     

基于高速摄影的双预制裂纹大理岩加卸载试验

以大理岩作为试验材料,进行了45°双预制裂纹试件的单、双轴加载和侧向卸载试验研究。利用高速摄影设备记录试件中裂纹的起裂、扩展、贯通和完全破坏过程,结合理论分析得到:(1)3种载荷形式下试件的破坏过程可概括为4个相似的阶段;双轴加载试件的裂纹扩展形态和岩桥贯通方式与单轴加载和卸载有较大不同;卸载试件的裂纹种类和数目远比单轴加载时更多更复杂。(2)由裂纹类型判断在单、双轴加载时,剪应力对破坏起主导作用;卸载时,尤其破坏前阶段拉应力起主导作用。(3)定义新参数M-C有效剪应力M-C,根据其在裂纹尖端附近的分布规律判定新裂纹起裂的危险方位和区域,对比试验过程,得到与预制裂纹夹角约为-135°和45°左右的区域为新裂纹(带)产生的危险区。(4)加载时岩桥贯通是由剪应力引起,卸载时是由拉剪复合作用引起。     

高强混凝土轴压本构关系研究

基于混凝土的细观损伤机制和损伤本构关系模型,推导了高强混凝土轴压弹塑性本构关系,结合已有研究成果,通过对初始弹性模量、峰值应变等模型关键参数进行综合分析,建立了基于混凝土轴心抗压强度参数的计算方法,所得应力-应变关系(含残余变形)既可用于单调加载,也适用卸载后再加载,可与已有的普通混凝土轴心抗压本构关系相协调,与试验结果相比较,预测结果与实际值吻合良好。     

岩石统计损伤本构模型及其参数反演

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。     

细观特征对片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性的影响

压缩作用下,含片理面脆性片岩的渐进破坏表现出各向异性。为探讨片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性特征及其与岩石细观因素的相关性,选取3类石英云母片岩样品,首先开展岩样的细观试验,并定量分析3类样品在微裂隙(孔隙)的细观特征方面的差异。试验发现样品中的云母矿物易定向聚集形成非均质层,微裂隙主要沿该矿物边缘定向展布,而在其他部位则表现出方向的不规则性。进而开展不同片理角α圆柱试样的单轴压缩试验,基于试样破坏形态与应力–应变曲线特征,通过断裂力学的理论分析,得出轴压斜交(α=30°)与垂直(α=90°)非均质层作用时,定向微裂隙与具有优势角的不规则微裂隙(孔隙)分别控制着岩石的起裂;云母矿物的边缘弱面是否对裂纹扩展具有导向、促进作用,与加载方向密切相关,由此造成不同片理角试样宏观剪切破坏形态的差异。应力、应变数据的统计分析结果与细观数据表明,试样的起裂应力及起裂应力水平表现出较好的规律性,这与岩石的非均质特征、微裂隙(孔隙)特征(分布、数量、尺寸、性质)等相关。