混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的试验研究与裂缝扩展过程的数值模拟

论文摘要

混凝土的受力特性与裂缝的发展密不可分,混凝土裂缝发展机理及其定量描述是混凝土结构理论的一个基础性课题。然而,由于混凝土材料的不均质性和非线性,其破坏过程并不像脆性材料那样简单,断裂过程表现为微裂缝萌生、扩展、贯通、直到宏观裂缝的产生而导致混凝土失稳断裂的过程。同时由于结构或荷载的不对称及材料各向异性等原因,实际结构中的裂缝通常是处于复合应力场下,这就使得裂缝尖端附近的应力场不是单纯的Ⅰ型（张开型）、Ⅱ型（滑移型）或Ⅲ型（撕裂型）,而是Ⅰ、Ⅱ型甚至Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型同时存在,这种裂缝称为复合型裂缝。在实际工程中,又以Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝最为常见。因此Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的起裂、稳定扩展、失稳扩展全过程及各阶段所对应的断裂参量成为人们普遍关心的内容。针对这些问题,本文通过试验研究和数值模拟,开展了如下的研究工作:1、Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的试验研究采用尺寸分别为900×200×200mm、1300×300×200mm、1700×400×200mm、2100×500×200mm、2500×600×200mm,75个共13m3混凝土试件,进行了三点弯曲（纯Ⅰ型）和四点剪切（Ⅰ-Ⅱ复合型）的断裂试验研究。根据所测得的各个试件起裂荷载,确定四点剪切状态下较为合理的荷载布置方式,通过有限元法计算开裂状态下的KⅠ、KⅡ分量,进而提出了与以往不同的起裂断裂准则,并研究了该准则的尺寸效应。2、Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展全过程的光弹性试验研究在混凝土断裂机理研究中,特别是观察原型试件的裂缝发展过程,光弹贴片具有实时、直观、准确、便于保存等优点。本文采用光弹贴片法对五种尺寸,共19个试件进行了四点剪切试验研究。通过光弹贴片表面彩色条纹的变化,观测Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的起裂、稳定扩展、失稳扩展全过程;依据光弹贴片的光学参数及试件的基本力学参数,计算了各试件贴片中每一级条纹代表的应变值;得到了各个试件P-Δα曲线,并描述了裂缝扩展过程中裂缝尖端主应变的变化情况。结果表明,对于尺寸相同的一组试件,随着Ⅱ型分量的增加,起裂荷载逐步增大,且临界裂缝扩展量有增大的趋势;对于开缝位置相同,尺寸不同的试件,随着尺寸的增大,起裂荷载相应增加。3、Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展全过程的数值分析首先提出了Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展准则,即当外荷载引起的裂缝尖端应力强度因子与粘聚力引起的裂缝尖端应力强度因子的差值满足起裂断裂方程时,裂缝开始扩展。结合根据试验结果拟合的起裂断裂准则,借助ANSYS有限元计算软件对复合型断裂整个裂缝扩展过程进行数值模拟。根据以上算法,可以在已知起裂准则、混凝土抗拉强度、弹性模量、泊松比的条件下,完整模拟Ⅰ-Ⅱ复合型断裂全过程,获得P—CMSD全曲线及起裂荷载、最大荷载Pmax、裂缝临界扩展量△ac,预测裂缝扩展轨迹。该方法也可应用于Ⅰ型断裂过程的数值分析,得到P—CMOD全曲线、起裂荷载、最大荷载Pmax、裂缝临界扩展量△ac等断裂参量及KR阻力曲线。两种断裂形式的数值结果均与试验结果进行了对比,吻合良好,验证了所提出计算方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 混凝土断裂力学的产生与发展
• 1.2 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂准则的研究进展
• 1.2.1 应力参数型
• 1.2.2 能量型
• 1.2.3 其它类型的断裂准则
• 1.3 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展的数值模拟
• 1.3.1 分布裂缝模型
• 1.3.2 离散裂缝模型
• 1.3.3 断裂力学模型
• 1.4 当前研究中存在的主要问题
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的试验研究
• 1.5.2 光弹贴片法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂裂缝扩展过程
• 1.5.3 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂裂缝扩展过程的数值模拟
• R阻力曲线研究'>1.5.4 混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则、失稳断裂韧度及K_R阻力曲线研究
• 2 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂起裂准则的试验研究
• 2.2.1 断裂的基本形式
• 2.2.2 试件型式
• 2.2.3 混凝土配合比
• 2.2.4 试验装置
• 2.2.5 电测法测量四点剪切梁裂缝尖端的起裂荷载
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 应力强度因子的计算
• 2.3.2 试件的破坏形态
• 2.3.3 Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的裂缝起裂角与扩展轨迹
• 2.3.4 裂缝口滑动位移（CMSD）与荷载—加载点位移曲线
• 2.3.5 Ⅰ-Ⅱ复合型断裂起裂准则的拟合
• 2.3.6 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂准则的尺寸效应
• 2.4 结论
• 3 光弹贴片法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂裂缝扩展全过程
• 3.1 引言
• 3.2 光弹性贴片法基本原理
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 贴片的制作与粘结
• 3.3 试验概况
• 3.4 混凝土四点剪切试件裂缝扩展过程
• 3.4.1 混凝土裂缝尖端附近应变场分析
• 3.4.2 混凝土起裂断裂参数的试验测定
• 3.5 结论
• 4 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展过程的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数值计算基本原理
• 4.2.1 ANSYS计算应力强度因子的理论方法
• 4.2.2 ANSYS计算断裂过程的具体应用
• 4.3 混凝土软化本构关系模型
• 4.4 线性渐进叠加假设
• 4.5 数值模拟的计算过程
• 4.5.1 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展准则及计算参数的确定
• 4.5.2 数值计算过程
• 4.6 结论
• R阻力曲线'>5 混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则、失稳断裂韧度及K_R阻力曲线
• 5.1 引言
• 5.2 混凝土Ⅰ型断裂的试验研究
• 5.2.1 试件型式
• 5.2.2 电测法测量三点弯曲梁裂缝的起裂荷载
• 5.2.3 试验曲线
• 5.2.4 裂缝亚临界扩展量
• 5.3 Ⅰ型裂缝扩展准则及裂缝扩展数值模拟
• 5.3.1 混凝土Ⅰ型裂缝扩展准则
• 5.3.2 数值计算过程
• 5.4 数值计算结果与试验结果的比较
• 5.4.1 双K断裂参数的解析解
• 5.4.2 断裂参数的数值计算结果与试验结果比较
• 5.4.3 P-CMOD全曲线的数值计算与试验结果比较
• R阻力曲线'>5.5 基于裂缝扩展准则的K_R阻力曲线
• R阻力曲线的解析解'>5.5.1 K_R阻力曲线的解析解
• R阻力曲线的数值解'>5.5.2 K_R阻力曲线的数值解
• R阻力曲线的影响'>5.5.3 试件尺寸对K_R阻力曲线的影响
• 5.6 结论
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢