混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究

考虑裂缝黏聚力的作用,基于Paris位移公式推导出混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程中断裂过程区上的裂缝张开位移的解析表达式.采用起裂韧度作为裂缝起裂及扩展的判断标准,提出了荷载作用下混凝土裂缝起裂、扩展及失稳破坏全过程的数值模拟方法,并分别与国内外断裂试验实测值及有限元计算值进行了比较.结果表明,本文提出的数值模拟方法形式简单且精度较好.     

三点弯曲试样动态冲击特性的有限元分析

本文使用动态有限元技术，对于两种不同几何尺寸，两种不同材料的三点弯曲试样在三类七种不同冲击载荷作用下的动态响应进行了分析，求得了动态应力强度因子随时间的变化规律。并与准静态应力强度因子进行了比较。计算结果表明：将冲击载荷历史代入静态公式确定动态应力强度因子的做法是不正确的，要求得动态应力强度因子，必须对试样进行完全的动态分析。当材料的Ｅ／ρ值相同时，动态应力强度因子的响应曲线完全相同。而动态应力强度因子分别与加载点的位移及裂纹的张开位移之间存在着与准静态情况下各自相同的线性关系。这与资料［５］［６］中的结论完全相同。     

冲击荷载下钢筋混凝土梁的性能及损伤评估

基于落锤冲击试验,通过数值模拟研究钢筋混凝土梁在冲击荷载下的抗冲击性能和损伤机理。针对冲击荷载局部效应明显和持时短暂等特点,提出基于截面损伤因子的损伤评估方法;采用参数分析方法研究了箍筋间距、边界条件、冲头形状和面积以及冲击位置对钢筋混凝土梁的动态响应和损伤程度的影响。结果表明：基于截面的损伤评估方法能够比较直观地描述梁体损伤沿长度方向的分布;端部的固支约束可以有效地改变钢筋混凝土梁的耗能机制,并能提高梁的抗冲击承载潜力;冲击位置会直接影响梁体的裂缝分布和破坏模式;碰撞接触面积和冲头形状也对梁的损伤分布具有一定的影响。

     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

冲击下混凝土试样应变率效应和惯性效应探讨

结合混凝土试件的真三轴静载冲击实验结果,分别运用考虑应变率效应的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型和考虑静水压效应的Drucker-Prager (DP)模型进行数值分析,以探讨研究混凝土试样应变率效应和惯性效应的方法。在探究混凝土的应变率效应和横向惯性效应的关系时,使用HJC模型的数值模拟结果来拟合DP准则的各个参数。结果表明:随着应变率的升高,混凝土的强度会提高,并且这种强度的提高,也有一部分原因是第一应力不变量I₁的增大所导致的。因此,混凝土试件的应变率效应和横向惯性约束具有较强的耦合作用。理论和数值分析了冲击下试样内部的横向应力分布特征与应变率、静水压和试样尺寸的关系,结果发现:试样内部横向应力的幅值随着应变率、静水压的升高而增大,但随着试样尺寸的增大而减小。为了探讨横向惯性带来的强度提升效果,提出了一个有关冲击方向最大应力σ_x和等效应力σ_e的参数ξ,且ξ=(σ_x?σ_e)/σ_x。此参数具有尺寸效应、应变率效应和静水压效应,但是此参数与应力三轴度的关系表现出应变率无关特性,可为应变率效应的研究提供新的思路。     

基于正交设计的冲击荷载下型钢混凝土梁动力性能有限元分析

为研究冲击荷载下型钢混凝土梁的动力性能,取试验结果验证模型有效性后,使用有限元软件ABAQUS建立了型钢混凝土梁落锤冲击模型．在对比了型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的动力性能后,分析了落锤速度对型钢混凝土梁的冲击位移、冲击力、冲击力位移曲线、惯性效应、塑性耗能等性能的影响,然后基于正交设计,研究了落锤质量、落锤速度、混凝土强度等参数对型钢混凝土梁动力性能的影响．研究结果表明：型钢混凝土梁的抗冲击性能较好;落锤速度是影响构件动力性能的主要参数,落锤质量对动力性能的影响较大,提高混凝土强度有助于增强构件的抗冲击性能．     

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应,对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象,通过4次爆炸试验,观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征,分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明：接触爆炸荷载作用下,RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式,爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上,将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级,采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。

     

超强钢18NiC250在不同加载速率下的断裂韧性

为了揭示国产超强钢18NiC250的强度、断裂韧性随加载速率的变化规律,利用电子万能试验机和Hopkinson压杆,测试其在0.001～2 000 s-1的塑性流动应力应变曲线及在10-1~106 MPam1/2/s的断裂韧性,同时对断裂破坏机理进行了微观分析。结果表明：该材料的强度对加载速率不敏感,即流动应力基本保持在1.9 GPa;而断裂韧性很敏感,当加载速率由10-1 MPam1/2/s增大到106 MPam1/2/s时,断裂韧性降低了38.2%,断裂模式由韧窝断裂转变为解理断裂。     

Fracture analyses of different pre-holed concrete specimens under compression

Crack propagation processes in specially prepared concrete discs and rectangular specimens containing a single cylindrical hole or multiple holes of varying diameters have been studied both experimentally and numerically.In this research, the cracks coalescence paths in Brazilian disc and rectangular specimens made from rock-like material containing multi-holes are investigated. These concrete specimens are specially prepared from an appropriate mixture of Portland Pozzolana Cement(PPC), fine sands, and water.The pre-holed Brazilian discs and rectangular specimens are experimentally tested under compression. The breakage load in the ring type disc specimens containing an axial hole with varying diameters is measured and the distribution of the induced lateral stress is obtained. The mechanism of cracks propagation in the wall of the ring type specimens is also studied. In the case of multi-hole Brazilian disc and rectangular specimens, the cracks propagation and cracks coalescence are also investigated. These experiments are numerically modeled by a modified higher order displacement discontinuity method. It has been shown that the corresponding experimental and numerical results are in good agreement with each other. The results presented in this research validate the accuracy and applicability of these crack analyses procedures.     

爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响,采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟,通过与实验以及均质建模方法进行比较,验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应,获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明：在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小,其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主,药量越大,铰线越多;在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大,与均质模型相比存在较大差异,细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心,产生环向与径向裂纹,药量越大,圆坑越大,裂纹越多,板局部破坏越严重。

     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映,为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响,通过三点弯曲实验和扫描电镜方法,对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验,观察其宏观断裂情况,并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察,并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息,并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高,砂岩穿晶断裂的比例也随之升高,裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加,同时,分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见,加载速率对断裂方式有一定的影响,且加载速率越大断裂所需的破坏能越大,裂纹分布越广,表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

侧向撞击荷载作用下内八边形空心钢筋混凝土柱的动力响应

相比于实心钢筋混凝土柱,空心钢筋混凝土柱具有自重轻和截面扩展好等优点,被广泛地用作桥墩,由此其不可避免地会受到船舶的撞击。本文中进行6根内八边形空心钢筋混凝土柱和4根内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应的实验。在实验中记录了构件破坏形态、撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线,并从撞击高度、边界条件和钢板厚度等方面分析了构件的耐撞性能。结果表明:内八边形钢筋混凝土柱和内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱在撞击荷载作用下的破坏形态主要分为两种破坏类型,分别为局部型破坏和整体型破坏;撞击高度越大构件破坏越严重;两端固定对构件的耐撞击性能有提升作用;钢管厚度对构件的耐撞击性能有较明显的提升作用。     

强动载荷下钢筋混凝土结构计算模型简评

针对侵彻、爆炸等强动载作用下混凝土类结构计算中涉及的状态方程、变形破坏弹塑性本构关系与强度准则等关键问题,根据混凝土多组分特征,简述考虑介质中孔隙压缩的状态模型及弹塑性变形破坏中动态损伤演化模型,并在计算实验方法的基础上,给出需要进一步研究的建议。     

高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应

为研究高聚物牺牲包层对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应,开展了带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板的接触爆炸试验,同时设置了普通钢筋混凝土板作为对照组,对比分析了高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤特征的影响。此外,运用AUTODYN软件建立了现场爆炸试验的SPH-FEM耦合模型,通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的可靠性。在此基础上,通过参数敏感性分析,探究了炸药量和高聚物牺牲包层密度、厚度对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板毁伤特性以及吸能特性的影响。结果表明：接触爆炸下,高聚物牺牲包层能够有效地分散爆炸荷载,缓解爆炸荷载对钢筋混凝土板的冲击作用,具有良好的防护性能;药量在一定范围内增大时,高聚物牺牲包层依然能维持较高的吸能水平,增大包层密度和厚度有利于增强高聚物牺牲包层的吸能特性,包层厚度的变化会造成被保护钢筋混凝土板毁伤模式的改变。     

不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。