基于SBFEM计算劈拉试件裂纹尖端高阶奇异参数

比例边界有限元法是一种具有半解析性质的数值计算方法,径向位移和应力具有解析的性质,不需要特殊处理裂纹尖端,可以根据定义直接计算应力强度因子以及高阶奇异参数.为此基于比例边界有限元法计算了两种不同荷载作用下三种不同尺寸劈拉试件的奇异应力场,提取了T应力、高阶奇异参数以及应力强度因子.通过典型例题验证了SBFEM的有效性及其精度.数值计算结果表明,比例边界有限元法在计算应力强度因子、T应力和高阶奇异参数时是有效的,且具有较高的精度;联合子结构法(超单元)可以计算复杂形状问题的裂纹尖端奇异场.此外,T应力和高阶奇异参数可以作为进一步研究大体积混凝土材料和结构断裂性能的依据.

不同尺寸混凝土楔入劈拉试件双K断裂韧度试验研究与理论分析

为了研究不同尺寸的混凝土结构的断裂性能,设计了5组共20个不同截面高度的楔入劈拉试件进行混凝土断裂试验.改进了试验加载装置以抵消竖向力的作用,简化了分析计算.在双K断裂理论的基础上,采用应力强度因子叠加原理对不同截面高度的楔入劈拉试件的有效裂缝长度和双K断裂韧度进行了计算.试验结果表明：在200~700 mm设计的截面高度范围内,试件起裂荷载、失稳荷载及有效裂缝长度均随截面高度的增大而呈线性增大;起裂断裂韧度基本不受试件高度变化的影响;失稳断裂韧度在试件截面高度低于500 mm时表现出一定的尺寸效应,随试件高度增大而逐渐增大,当试件截面高度大于500 mm时其值趋于稳定,可认为是一个常数.

非标准混凝土楔入劈拉试件断裂参数试验研究与尺寸效应分析

采用跨高比和初始缝高比恒定的非标准混凝土楔入劈拉试件,按照改进的试验加载装置进行试验可抵消竖向力的作用。以双K断裂理论为基础,采用紧凑拉伸试件的断裂韧度公式计算得到非标准楔入劈拉试件的断裂参数,并利用通用有限元软件ANSYS对试验计算结果进行验证。结果表明,采用紧凑拉伸试件计算公式和有限元方法均能准确计算非标准楔入劈拉试件的断裂韧度,两种方法误差仅为3%;在截面高度300~600mm范围内,起裂断裂韧度基本不随试件截面高度的变化而变化,失稳韧度在截面高度大于500mm时不具有明显尺寸效应。

混凝土非标准楔入劈拉试件断裂参数的确定

目前混凝土非标准楔入劈拉试件还没有一个合适的确定裂缝尖端断裂参数公式,通常的方法是借用紧凑拉伸试件的应力强度因子公式,不便于应用。文中利用有限元程序,对在不同高度以及不同初始缝高比条件下非标准楔入劈拉试件进行了模拟。得到了裂缝尖端的应力强度因子公式以及裂缝张口位移曲线。分析结果及举例表明,非标准楔入劈拉实验断裂参数确定模型是可靠的。断裂韧度不随试件尺寸变化,是材料常数;裂缝扩展量不受初始裂缝长度影响,而随着试件高度的增加而增长。

基于自适应最小二乘法的混凝土楔入劈拉试件最大荷载与裂缝扩展的优化设计

以混凝土楔入劈拉试件为研究对象,运用最小二乘原理,建立了最大荷载与裂缝扩展之间的数学模型,并通过交叉检验方法验证了模型的可靠性。研究结果表明:裂缝扩展长度的变化远比裂缝口张开位移的变化对试件的破坏更敏感,初始裂缝口张开位移的影响可以忽略不计。与断裂试验的实测结果相比较,本模型均方根精度达到93.9%。利用该模型,可以监测构件安全并对最大荷载进行优化设计。

采用底部开缝立方体劈拉试件测定混凝土起裂断裂韧度

为了测定混凝土起裂断裂韧度,提出了一种采用底部开缝立方体劈拉试件的试验方法,并采用数值分析方法拟合了该加载条件下缝尖的应力强度因子计算公式,通过测量高度为100 mm、200 mm和300 mm,缝高比为0.2、0.3、0.5和0.7的立方体劈拉试件及三点弯曲梁试件的起裂荷载,进而计算起裂断裂韧度并研究其尺寸效应。结果表明,采用底部开缝立方体劈拉试件和三点弯曲梁试件测定的起裂韧度基本一致,计算结果皆无明显尺寸效应,说明提出的方法能够有效测定混凝土起裂断裂韧度。与传统的三点弯曲梁方法相比,该方法具有试件制备简单、试验操作方便等优点,为现有的混凝土断裂参数实验测定提供有效补充。

非标准混凝土楔入劈拉试件高宽比影响分析

为研究高宽比等尺寸参数对非标准混凝土楔入劈拉试件断裂性能的影响,设计8组不同高宽比非标准试件进行试验。采用改进的试验装置,简化试件受力。在参考最大拉应力理论的基础上结合试验,计算试件破坏时的断裂参数。结果表明:试件高宽比≤1时,为典型劈拉破坏,起裂荷载P_(ini)与失稳荷载P_(un)受试件尺寸影响明显,随试件高宽比的增大而增大;高宽比为1.17与1.33时,有一定弯剪破坏趋势;高宽比≥1.67时,可认为是弯剪破坏,P_(ini)受尺寸影响不明显,P_(un)随试件高宽比的增大而减小,破坏接近符合材料破坏特性的最大拉应力破坏;弯剪破坏时高宽比临界区间为[1.17,1.33]。

各种级配大坝混凝土双K断裂参数试验研究——兼对《水工混凝土断裂试验规程》制定的建议

为配合水工混凝土断裂试验规程在我国的制定,提供更充足的基础数据,受规程编制组委托,进行了最大尺寸为S×D×B=2200 mm×550 mm×240 mm的三点弯曲梁试件和最大尺寸为2H×D×B=1200 mm×1200 mm×250mm的楔入劈拉试件共140个试件的断裂试验。通过电阻应变片,测得不同布置测点荷载应变变化曲线,由此确定了不同级配及湿筛法大坝混凝土实测的起裂荷载和失稳荷载,计算了双K断裂韧度参数,讨论分析了双K断裂参数的尺寸效应和形状效应。结果表明:电阻应变片法测定起裂荷载的方法可行,Pini/Pmax=0.6￣0.85;三点弯曲梁法所得混凝土双K断裂韧度值无明显的尺寸效应;楔入劈拉试件由于竖向加载荷载PV引起附加力矩MV对裂缝尖端应力场的影响,导致所得混凝土断裂韧度值表现出一定程度的尺寸效应,但当采取措施消除此影响或此影响较小时,楔入劈拉试件的断裂韧度值也将无明显的尺寸效应;在相同配合比、相同高度条件下,不同试件形式的双K断裂韧度值无明显的差异。因此,可认为混凝土双K断裂参数是描述混凝土结构裂缝起裂及失稳断裂过程的材料常数,与试样类型和尺寸无关。

混凝土双K断裂韧度的率相关性

采用中央带穿透裂缝的立方体劈拉试件几何形式,本文研究了应变率对混凝土双K断裂韧度的影响。试验采用的应变率范围为10-5/s^10-2/s。结果表明:双K断裂计算理论可由拟静态进一步拓展到地震加载率;随应变率增加,起裂断裂韧度线性增加,失稳断裂韧度先增加后保持不变;应变率不高于10-3/s时,高应变率作用下的试件会产生较大的临界裂缝扩展长度,临界裂缝扩展率较为缓慢,但应变率高于10-3/s时,临界裂缝扩展长度反而减小,临界裂缝扩展率呈指数迅速增加。最后,引入名义起裂强度率和临界裂缝扩展率两参数分别建立了起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的率相关模型。

权函数法计算的混凝土断裂韧度

在采用解析方法确定混凝土的双K断裂韧度时,粘聚断裂韧度计算的准确性直接影响起裂韧度断裂控制参数计算的准确性。根据权函数法,给出了基于CEB-FIP粘聚应力软化函数计算的粘聚断裂韧度的表达式。使用最大高度为1000mm的五组楔入劈拉紧凑拉伸试件测量的最大荷载和临界裂缝嘴张开口位移,计算了混凝土的双K断裂韧度,并与积分解析计算公式进行了对比。结果表明,两种解析计算方法较为吻合,最大误差不超过2%。

静水压力作用下混凝土断裂全过程数值模拟研究

基于起裂韧度扩展准则和Paris位移公式,推导了静水压力作用下混凝土楔入劈拉试件外荷载和裂缝张开位移的理论表达式,采用数值迭代方法计算模拟了裂缝断裂全过程。研究了水压力对混凝土断裂全过程的影响,进一步分析了不同水压力作用下峰值荷载和临界裂缝张开位移的参数敏感性。研究结果表明:采用本文方法计算的裂缝扩展全曲线与试验结果对比较好;水压力和初始裂缝长度影响荷载-裂缝张开位移(P-CMOD)曲线,随着水压力的增加,峰值荷载和临界裂缝张开位移均减小;随着初始裂缝长度的增大,水压力对裂缝扩展全过程曲线的影响更加明显。