混凝土的断裂参数及断裂过程区

由于混凝土断裂破坏时，裂尖具有微裂缝区及主缝的亚临界扩展这一特征，采用实验室小尺寸试件和线弹性断裂力学确定的断裂参数，往往有明显的尺寸效应，即ｋＩＣ随试件的尺寸的增大而增大，净截面名义应力随试件尺寸的增大而减小。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

Ⅱ型荷载下混凝土剪切断裂的测试研究

有关混凝土的断裂行为已被广泛研究，但很少是针对剪切断裂的情况。本文采用Ⅱ型（四点剪切）加载，进行一系列测试，研究了混凝土单边预制裂纹（SEN）直梁剪切断裂的技术和条纹。初步实现了混凝土的剪切断裂，测得混凝土的Ⅱ型断裂韧度因子K1c。实验结果显示，试件的几何尺寸越大，养护的龄期越长，实验效果越理想，在这两个因素中，试件尺寸的影响更明显。此外，混凝土的配合比与粗集料对测试结果也有重要影响，而细集料的影响似乎并不明显。同时，文中对实验结果进行了详细的分析，最后，得出一些具有工程实用价值的结论。     

基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据

基于ANSYS平台,对某系列混凝土断裂破坏试验的加载过程进行有限元数值模拟,获得了荷载-加力 点位移曲线.利用获得的曲线,在线性渐进叠加假定的基础上,确定了试件在失稳断裂时的临界有效裂缝长度.将模拟峰值荷载和临界有效裂缝长度代入由LEFM推导出的公式计算了考虑断裂过程区影响的有效断裂韧度.最后,通过对系列试验有效断裂韧...     

碳纤维混凝土受弯断面的数字重构与断裂能计算

断裂能是定量表征混凝土断裂韧性的重要指标,但其实验结果显著依赖于混凝土试件断面面积评价方法的有效性和准确性。因测定困难,通常情况下只能由截面面积代替,造成断裂能计算结果存在较大误差。本文以碳纤维混凝土为研究对象,采用数字处理技术对混凝土断面形貌进行量化分析、重构,结合分形计算方法得到混凝土的真实断面面积,并将其用于碳纤维混凝土的断裂能计算,分析讨论了纤维掺量和长度对混凝土断裂能的影响规律。实验结果表明:碳纤维的引入显著提高了混凝土断面的粗糙度,表现为断裂面分形维度的明显提高,实际断面面积随之增大,以此为依据计算出的混凝土断裂能及其增益比随碳纤维掺量和长度的变化规律与韧度系数测试数据(按ASTM C1018)的一致性良好。     

混凝土剪切断裂能与分形维数关系的研究

混凝土断裂试件断口蕴涵着丰富的力学信息，而传统的欧几里得几何难以对复杂的断口形貌进行描述，本文引入分形几何理论对断口形貌进行研究，结合宏观的断裂参量进行数值分析，从而找到了混凝土断裂微观现象与宏观力学量联系的桥梁，本文分析了混凝土四点剪切加载试件的断裂性能，计算了断裂韧度、断裂能等相关参数，并通过扫描电子显微镜对断口形貌观测，运用分形理论计算了此类断口的分形维数，分析了Ⅱ型断裂断裂能和分形维数之间的关系。     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟Mesoscale simulation on fracture process of wedge splitting and three-point bending of concrete

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。     

木材顺纹断裂韧度的研究进展

木材的缺陷会使其在低应力状态下发生顺纹断裂,本文总结了木材抵抗顺纹断裂的重要力学参数——顺纹断裂韧度的研究进展.介绍了木材顺纹断裂韧度的测试方法,并分析了不同试验方法与数据处理方法的优缺点.重点阐述了影响木材顺纹断裂韧度的主要因素,如木材的种类、密度、含水率、木质纤维桥接作用以及试件跨高比等的影响.此外,也总结了木材顺纹断裂韧度尺寸效应的研究成果.并结合工程木被广泛应用的现状,介绍了木材胶结面断裂韧度的研究进展.     

Scale-dependent constitutive relations and the role of scale on nominal properties

Size effects in strength and fracture energy of heterogeneous materials is considered within a context of scale-dependent constitutive relations. Using tools of wavelet analysis, and considering the failure state of a one-dimensional solid, constitutive relations which include scale as a parameter are derived from a ‘background’ gradient formulation. In the resulting theory, scale is not a fixed quantity independent of deformation, but rather directly dependent on the global deformation field. It is shown that strength or peak nominal stress (maximum point at the engineering stress–strain diagram) decreases with specimen size while toughness or total work to fracture per nominal area (area under the curve in the engineering stress–strain diagram integrated along the length of the considered one-dimensional specimen) increases. This behavior is in agreement with relevant experimental findings on heterogeneous materials where the overall mechanical response is determined by variations in local material properties. The scale-dependent constitutive relations are calibrated from experimental data on concrete specimens.     

用激光三角法重构混凝土断裂面三维轮廓与断裂能分析

采用基于激光三角法的测试方法对混凝土断面表面轮廓进行了三维重构,初步的断面分析结果表明,相对于传统断面分析方法,本试验方法实现了断面的无损、快速和准确的测量分析,在测量到的断面基础上,给出了本试验所得到的混凝土材料断裂能与分维的关系。     

用试验室尺寸的试样预测混凝土及岩石结构的准脆性断裂

0Introduction Thefracturepropertiesofconcreteandrockmaterials,suchasfracturetoughnessKICand strengthfthavebeenofgreatinterestsformanyyearsbecauseoftheirimportantroleincontrolling thestructuralintegrityofvariousengineeringstructures[1-27].Varioustestingtec…     

Disk-shaped compact tension test for asphalt concrete fracture

A disk-shaped compact tension (DC(T)) test has been developed as a practical method for obtaining the fracture energy of asphalt concrete. The main purpose of the development of this specimen geometry is the ability to test cylindrical cores obtained from in-place asphalt concrete pavements or gyratory-compacted specimens fabricated during the mixture design process. A suitable specimen geometry was developed using the ASTM E399 standard for compact tension testing of metals as a starting point. After finalizing the specimen geometry, a typical asphalt concrete surface mixture was tested at various temperatures and loading rates to evaluate the proposed DC(T) configuration. The variability of the fracture energy obtained from the DC(T) geometry was found to be comparable with the variability associated with other fracture tests for asphalt concrete. The ability of the test to detect changes in the fracture energy with the various testing conditions (temperature and loading rate) was the benchmark for determining the potential of using the DC(T) geometry. The test has the capability to capture the transition of asphalt concrete from a brittle material at low temperatures to a more ductile material at higher temperatures. Because testing was conducted on ungrooved specimens, special care was taken to quantify deviations of the crack path from the pure mode I crack path. An analysis of variance of test data revealed that the prototype DC(T) can detect statistical differences in fracture energy resulting for tests conducted across a useful range of test temperatures and loading rates. This specific analysis also indicated that fracture energy is not correlated to crack deviation angle. This paper also provides an overview of ongoing work integrating experimental results and observations with numerical analysis by means of a cohesive zone model tailored for asphalt concrete fracture behavior.     

基于临界距离点法的混凝土Ⅰ型断裂韧度的预测

混凝土的断裂韧度是极为重要的断裂力学材料参数，本文利用临界距离理论(TCD)中的点法和混凝土标准断裂梁试样裂缝尖端应力场的近似解，提出了一种对混凝土断裂问题按临界距离的点法进行分析的方法．基于已有文献的试验材料及其实验结果，分析了这种断裂研究分析方法的可行性．将临界距离点法与双K断裂准则应用于几何相似的混凝土梁的断裂韧性和断裂过程区分析，验证了TCD点法的可靠性．实验表明：临界距离理论的点法能够获得比双K断裂准则相对安全的失稳断裂韧度，利用临界距离法还可得到相应断裂过程区长度的极限估算值．     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

混凝土断裂过程区的虚拟裂纹粘聚力奇异性

混凝土断裂过程区视为具有粘聚阻力作用的虚拟裂纹，其非线性断裂和尺寸效应特性是与该虚拟裂纹粘聚力分布规律密切相关的。通过得到的粘聚应力分布函数解析结果，对该粘聚力分布特征的分析得知，在基于断裂过程区之外用线弹性场的力学模型上，该粘聚力随距离虚拟裂纹尖点的靠近，仍具有平方根奇异性。从而本文提出一个能够反映裂纹发展状态的粘聚应力奇异性强度参数，它是无粘聚力的线弹性裂纹应力强度因子和表征裂纹张开位移分布多项式参数的函数；因此，该参数可以作为混凝土非线性断裂的一个参量。文中就已有断裂试验测试结果进行了算例分析和相应的讨论。     

Fracture energy for three-point-bend tests on single-edge-notched beams

Three test series of single-edge-notched beams in three-point bending are conducted to evaluate the fracture energy of concrete. The fracture energy is determined from the area under the complete load: load-point deflection diagram. The nonlinear fictitious crack model is implemented in a finite-element analysis showing good agreement with the experimental data. By varying the notch depth and the beam depth it is shown that the fracture energy, traditionally presented as a material property, depends upon the specimen size and configuration. This is atributed to the energy dissipation in the process zone which is not accounted for in the analytical model.     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。