双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

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。     

纤维复合材料损伤过程的数值模拟

利用界面断裂力学和有限元法数值模拟纤维增强复合材料的细观损伤过程，研究各种主要破坏模式之间的相互转变和影响，指出以断裂能和混合度表示的界面性能是控制复合材料损伤过程的主要细观参数。分析了界面韧度对破坏性能的影响，探讨了基于破坏模式控制的复合材料韧度设计的新途径。     

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

以10根采用钢板-混凝土组合加固技术加固的钢筋混凝土梁的试验为基础,建立了钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元模型.沿用了钢板-混凝土组合梁有限元分析中栓钉的荷载-滑移曲线及断裂模型,提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型,可以较好地模拟界面受力性能.采用有限元软件ABAQUS,模拟了一次加固、不同损伤加固及持载加固等加载情况下加固构件受力全过程和受弯破坏以及新老混凝土剥离破坏等破坏形态下加固试件的受力性能.在验证了有限元模型的准确性后,分析了钢板厚度、加固部分高度及长度等参数对加固构件承载能力及刚度的影响.最后提出了几点对钢板-混凝土组合加固RC梁的设计建议.     

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。     

点阵增强型复合材料夹层结构的力学性能实验与分析

采用真空导入成型工艺,制备出在面板与芯材界面上具有创新构型的点阵增强型复合材料夹层结构。对其面板拉伸性能、夹层结构剪切与平压性能进行了实验研究,得出点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后,剪切与平压性能均得以提高的结论。对不同跨高比复合材料夹层结构开展了三点与四点弯曲实验,研究其典型受力破坏形态与机理。基于Eshelby等效夹杂原理,采用Mori-Tanaka方法求解了点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后的剪切性能。利用经典夹层梁理论和非线性有限元模拟方法,预估了试件抗弯刚度与受弯极限承载力,理论分析与实验结果较吻合。     

性能增强再生混凝土梁受弯性能试验研究

设计并完成了6根再生混凝土梁试件,其中1根普通再生混凝土梁,3根不同硅粉掺量再生混凝土梁,2根子午线钢纤维与尼龙纤维组成的混杂纤维再生混凝土梁。对该6根梁进行了抗弯性能试验,探讨了普通及性能增强再生混凝土梁受力变形机理及破坏特征。试验结果表明：普通及性能增强再生混凝土梁受力过程仍具有较为明显的弹性、开裂、屈服、极限四个过程;其受力过程基本符合平截面假定,能够按照混凝土结构设计规范(GB50010-2010)进行结构设计;相较于普通再生混凝土,性能增强再生混凝土梁在抗开裂及极限承载力等性能方面更为优异,能够应用于工程实际。最后利用ABAQUS有限元软件对试验梁试件进行了有限元分析,结果表明有限元分析所获得的受弯过程与试验过程吻合较好,验证了试验的正确性。     

有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析模型

钢筋混凝土梁的挠度计算通常不计入剪切变形的贡献,然而对于斜向开裂的有腹筋混凝土梁,斜裂缝会显著降低梁体的有效剪切刚度,导致剪切变形值显著增大,因此在验算评估时应予以考虑.为评价钢筋混凝土梁斜向开裂后的有效剪切刚度,首先,基于变角桁架模型推导了钢筋混凝土梁在箍筋屈服状态下的有效剪切刚度;与弹性剪切刚度比较发现,剪切刚度退化系数的主要影响因素为材料弹模比、配箍率和斜压杆倾角.其次,基于试验剪切变形曲线表现出的刚度退化规律,提出了可用于不同开裂程度下剪切刚度计算的恒定切线刚度退化模式,并采用开裂后的剪力增量作为反映开裂程度的定量指标.最后,根据最小能量原理得到了剪切刚度退化中两个关键参数:斜压杆倾角和剪切刚度退化系数的解析公式.通过2根薄腹混凝土梁剪切变形试验以及收集的15个受剪梁段的剪切变形数据对模型有效性进行了验证,验证结果表明:有腹筋混凝土梁剪切刚度分析模型能较为准确地预测箍筋屈服状态的剪切刚度,并能反映不同开裂程度下的剪切刚度退化规律.     

沙漠砂混凝土梁抗弯性能研究

为研究沙漠砂混凝土梁的受弯性能,通过7根沙漠砂混凝土梁与1根普通混凝土梁的对比试验,分析了沙漠砂混凝土梁的正截面承载力、试件的变形性能和破坏特征;并对采用现行混凝土规范公式计算的沙漠砂混凝土梁的开裂弯矩、抗弯承载力和挠度进行了探讨。研究结果表明:平截面假定仍然适用于沙漠砂混凝土梁,且沙漠砂混凝土梁的破坏特征以及跨中挠度曲线与普通混凝土梁构件相近;现行规范中梁的开裂弯矩公式、极限承载力公式和挠度计算公式不适用于沙漠砂混凝土梁。因此,本文通过引入与沙漠砂替代率相关的修正系数,提出了适宜于沙漠砂混凝土梁的建议公式,并通过理论分析证明了其可行性。     

型钢再生混凝土梁受剪性能试验及承载力计算

为了研究型钢再生混凝土梁的受剪性能,以剪跨比、再生粗骨料取代率、混凝土强度等级为变化参数,设计了12个试件进行静力加载试验。通过试验观察了试件受力破坏过程及形态,获取其荷载-变形全过程曲线、极限承载力等数据,并分析了再生粗骨料取代率、剪跨比、混凝土强度等参数对试件受剪承载力的影响规律。在试验基础上,建立了型钢再生混凝土梁受剪承载力的拟合公式;分别采用国内外相关规范公式计算试件的受剪承载力,并与试验结果进行对比分析。结果表明：型钢再生混凝土梁根据剪跨比的不同,表现为剪切斜压破坏和剪切粘结破坏两种不同的形态;再生骨料取代率对试件的受剪承载力有不利影响,但影响不大,而剪跨比和混凝土强度则有较大影响;随着剪跨比的增大,试件的承载力显著降低;随着混凝土强度的提高,试件的承载力有一定的提高;拟合公式和《型钢混凝土组合结构技术规程》方法可适用于型钢再生混凝土梁的受剪承载力计算,而《钢骨混凝土结构设计规程》及日本规范方法计算结果小于试验值。     

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．     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

基于线法的U形切口混凝土梁断裂参数研究

混凝土的断裂韧度是重要的材料参数，本文利用含U形切口的三点弯曲梁试验结合临界距离线法来获得混凝土的断裂韧度．理论推导了含断裂韧度与不同根部半径的断裂失效方程，采用有限元法计算了切口应力集中系数．根据断裂失效方程和试验中的材料几何参数，利用最小二乘法拟合计算得到混凝土材料的断裂韧度和抗拉强度．对小切口半径情形，采用双K断裂准则分析计算了混凝土起裂韧度和失稳断裂韧度，分析结果表明：临界距离线法得到的材料断裂韧度与双K断裂准则中的失稳断裂韧度吻合，同时获得相应临界距离值．     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

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...     

钢制弹丸冲击混凝土时绝热剪切局部化的数值计算

为描述弹丸材料冲击混凝土时的绝热剪切过程,根据冲击条件下绝热剪切局部化的一维分析结果,给出冲击混凝土弹丸材料的绝热剪切局部化模型并引入到数值分析中。为了既能描述混凝土的非线性变形及断裂特性又要保持分析过程中材料界面的清晰,混凝土划分成光滑粒子并使用无网格光滑粒子动力学算法,而弹体划分成有限元网格并使用有限元算法。结果显示,利用本文中给出的绝热剪切局部化模型计算得到的弹丸内绝热剪切局部化区域与实验中的破坏位置一致。     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

四点剪切加载下混凝土裂纹扩展路径研究

混凝土在四点剪切加载条件下,断裂试件失稳基本上为Ⅱ型。随着裂纹的扩展,裂纹会出现分叉、偏斜,就存在断裂路径选择问题,当裂纹由水泥砂浆垂直入侵骨料时,裂纹可能穿过骨料扩展或绕过骨料沿界面扩展．该文建立了四点剪切加载条件下,裂纹扩展路径选择模型,并以实验进行验证．