基于声发射的高强混凝土轴拉与劈拉损伤演化特征

本研究对抗压强度约100 MPa的高强混凝土开展了轴拉和劈拉应力-应变全曲线试验,比较分析了两种试验全过程声发射特征,揭示了高强混凝土轴拉和劈拉破坏机制及损伤模式演化规律。研究表明:轴拉试样在峰值应力后受宏观裂缝不稳定扩展影响易发生偏心受拉,劈拉试样在峰值应力后应变分布较均匀,裂缝扩展较稳定;轴拉试样累计声发射撞击曲线在峰值应力处呈下凸型,而劈拉试样受局部集中应力影响累计声发射撞击曲线呈上凸型;轴拉试样受拉伸应力主导发生破坏,劈拉试样的破坏经历了拉剪混合破坏到拉伸破坏的转变。

基于液压胀破测试方法的聚合物防水膜多轴拉伸性能表征

本研究设计了一种基于液压胀破的多轴拉伸测试装置和数据处理方法,以准确表征聚合物防水膜的拉伸性能。测试结果显示:随着防水膜厚度的增加,拉伸峰值应力降低;随着试件直径的增加,拉伸峰值应力增加;与单轴拉伸相比,多轴拉伸避免了“颈缩”效应,断裂伸长率降低;防水膜的应力-应变曲线符合线性应变强化弹塑性模型,并可通过多轴拉伸试验拟合得到相关参数。结论表明,多轴拉伸方法结果更接近实际工况下的应力-应变响应,可为合理评估防水膜在工程环境中的力学性能提供参考和借鉴。

泡沫金属经典本构模型表征三轴拉伸和拉压组合条件下宏观力学性能的研究

泡沫金属在实际工程应用中往往承受多轴拉伸、拉压组合和压缩等复杂应力状态,且拉伸和压缩性能差异显著,而现有的本构关系理论模型基于多轴压缩实验构建,能否描述多轴拉伸和拉压组合条件下泡沫金属宏观弹塑性力学性能存疑。本文采用数值模拟的方法开展多轴加载数值仿真实验,基于数值模拟结果检验泡沫金属两个经典模型:D-F模型与汤立群等提出的理论模型(以下简称Tang模型),在三轴拉伸和拉压组合工况下的合理性。结果表明,D-F模型的椭圆度参数显著影响模型的预测精度,基于三轴拉伸、压缩和拉压组合屈服面拟合计算的椭圆度预测效果最优,结合单轴拉伸应力应变曲线,D-F模型能较好地表征泡沫金属三轴拉压组合条件下力学性能,但存在无法描述塑性耗散功大于单轴拉伸破坏时对应的塑性耗散功的力学行为的缺陷;该模型不能准确描述三轴拉伸力学性能。Tang模型分别描述三轴拉伸和拉压组合破坏前的力学行为,等效应力和应变曲线均具有良好的一致性,但确定等效应力和应变的四个参数均不同且不同于三轴压缩对应的参数;综合考虑三轴拉压组合和三轴压缩工况时,等效应力和应变曲线的一致性很差。

常温养护超高性能混凝土弯拉性能及轴拉本构模型

根据水化反应方程和紧密堆积理论确定了常温养护下超高性能混凝土(UHPC)的基础配合比,基于此考虑水胶比和钢纤维掺量设计了8组UHPC抗弯试件。通过四点弯曲试验,分析了试件的受弯破坏形态、荷载-挠度曲线、弯拉特征参数和弯曲韧性等;基于试验结果采用倒推方法得到了UHPC轴拉应力-应变曲线,采用回归分析提出了考虑纤维特征的轴拉本构模型,并经过材料和构件两个层次的验证。结果表明:掺加钢纤维可抑制主裂缝的发展,从而明显改善UHPC的抗弯韧性,钢纤维掺量为2.0%的UHPC弯曲韧性指数达到116.9 J;随着水胶比增大,试件抗折强度和峰值挠度均呈下降趋势;增大钢纤维掺量明显提升了试件弯曲性能,掺入2.0%钢纤维的UHPC与未掺纤维相比,其初裂挠度和抗折强度分别提升157.14%和148.63%;当纤维含量为1.5%~2.0%时,试件具有良好的弯拉性能;水胶比对曲线平台段趋势影响不大,纤维掺量大于1.0%时曲线具有较明显的应变硬化特征,可保证UHPC良好的抗拉性能,其应变硬化特征随着纤维掺量增大而变得更明显;所提模型对UHPC受拉应力-应变关系具有较好的预测性。

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiCf/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明:纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1960~1987 MPa;纤维偏轴角度再增大时(>2°),材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1870 MPa降至1797 MPa。纤维偏轴角度较小时(≤2°),平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时(>2°),部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiCf/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时(≤2°),裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时(>2°),“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。

配筋UHPC轴拉构件裂缝宽度计算方法研究

为建立配筋UHPC轴拉构件的裂缝宽度计算方法,文章首先开展了5组配筋UHPC构件轴拉试验,并分析试件的裂缝发展情况和名义开裂应力,然后评估《钢纤维混凝土结构设计规程》(CECS 38—2004)规程和法国NF P18-710规范公式计算配筋UHPC轴拉构件裂缝宽度的适用性,最后提出了考虑UHPC抗拉强度作用的配筋UHPC轴拉构件裂缝宽度计算公式,并验证了其适用性。结果表明:(1)配置钢筋和采用定向分布纤维可有效地限制UHPC裂缝扩展,且增大配筋率有利于减小UHPC裂缝宽度,而基于ZnPh溶液的纤维界面处理对UHPC裂纹宽度扩展的影响较小。(2)法国NF P18-710规范可较好地预测本文配筋UHPC轴拉构件的裂缝宽度,而CECS 38:2004规程则明显低估了本文配筋UHPC轴拉构件裂缝宽度。(3)考虑UHPC抗拉强度参与受力的配筋UHPC轴拉构件的开裂截面钢筋应力公式预测结果与试验值吻合良好,实测值与计算值之比的均值在1.00~1.33,标准差在0.03~0.48。(4)基于综合理论提出考虑UHPC残余抗拉强度和钢纤维增韧保护层UHPC影响的平均裂缝间距公式,并进一步修正了配筋UHPC轴拉构件裂缝宽度公式,修正公式预测值与本文实测值、其他文献报道实测值均吻合良好,可为UHPC结构设计规范的编制提供参考。

单向热塑性复合材料层压板偏轴拉伸试验及其数值模拟

AS4/PEEK作为一种高性能的热塑性复合材料在航空航天、军事和汽车等领域应用广泛.对不同角度的单向AS4/PEEK层压板进行偏轴拉伸试验,获得了相应的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂面角度.在数值模拟中,采用单参数三维塑性模型描述AS4/PEEK的非线性力学行为,模型中的塑性参数使用信任域反射算法得到.结合LaRC05准则和裂纹带理论开发了基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT,并将其应用于偏轴拉伸的数值模拟.结果显示该三维弹塑性损伤本构模型能够较准确地模拟AS4/PEEK的塑性效应,且预测的拉伸强度与试验结果吻合良好.本文提出的三维弹塑性损伤模型为热塑性复合材料塑性变形和损伤的综合分析提供了一种准确且有效的方法.

Kapton薄膜偏轴拉伸试验研究

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明:Kapton薄膜为典型的非线性、各向异性材料,整个拉伸过程的应力-应变曲线可以分为3个阶段,即近似弹性段、应变强化段、应力强化段;Kapton膜材强度随偏轴角度的变化表现出“N”形分布规律,异于Tsai-Hill等强度准则的“U”形规律,这是由于膜材内部分子链的择优取向,导致偏轴角度30°时抗拉强度最大,偏轴角度60°时抗拉强度最小;断裂延伸率随偏轴角度的增大呈现出增大的趋势;不同偏轴角度下的弹性模量均有所差异,正交各向异性板的弹性理论可以较好预测Kapton膜材的等效弹性模量;研究所得结论可为Kapton膜材强度、变形预测及相应的充气可展结构设计分析提供参考。

复合材料单向板偏轴拉伸试验方法的研究

通过复合材料单向板的偏轴拉伸试验可以获得材料在拉伸和剪切应力作用下的力学响应,对于研究复合材料的损伤和失效行为有重要意义。研究了聚醚醚酮(PEEK)/碳纤维(CF)单向板偏轴拉伸试件以及加强片的形式。结合理论分析,提出了一种带斜角的加强片形式,并确定了不同偏轴角度下理想的加强片倾斜角度。结合有限元建模分析,对比了不同加强片形式对偏轴拉伸试件的应力场和变形场分布的影响。结果显示,使用方形加强片的试件在偏轴拉伸过程中由于偏轴应力影响,出现应力集中并导致弯曲变形。使用斜形加强片可有效消除试件中的弯矩和应力集中现象。为避免斜形加强片尖端在加载过程中发生脱黏,进一步提出了对斜形加强片尖端进行倒圆角的优化方法,并通过有限元建模分析了优化后加强片附近的应力场分布,与使用未倒角加强片的试件对比发现,对于偏轴角度小于30°的试件,所获得的各方向最大应力相差不大,可采用斜形加强片并倒圆角,以获得更准确的试验数据。该设计有效改善了加强片尖端处的应力集中问题。

岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0~140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。

溪洛渡大坝混凝土芯样动态轴拉试验研究

利用MTS大型静、动材料试验机对溪洛渡大坝混凝土芯样开展了动态轴向拉伸试验研究,试验共计32个φ220 mm×440 mm圆柱体试件。试验分别开展了不同应变速率(1×10^(-6)/s、1×10^(-4)/s、5×10^(-4)/s、1×10^(-3)/s)下静、动态单调加载和预加不同初始静载(0%、30%、60%)的单调动态加载(5×10-4/s)。大坝混凝土芯样试验成果,揭示了当前溪洛渡大坝混凝土的静态抗拉力学特征及在动态荷载作用下抗拉强度、峰值应变和吸能能力等随应变速率的变化规律,以及初始持续静态荷载对动态抗拉性能的影响。通过试验数据拟合及统计分析,建立了溪洛渡大坝混凝土的抗拉应力应变曲线解析表达式。试验成果将为溪洛渡大坝抗震深化研究提供科学依据。

PVA纤维地聚合物再生混凝土轴拉性能研究

通过20组共计60个试件的轴拉试验,研究再生粗骨料质量替代率和PVA纤维体积掺量对地聚合物混凝土破坏形态、弹性模量、峰值应力及峰值应变的影响,结果表明,试件的破坏均由单一横向裂缝引起,裂缝主要经过旧砂浆—骨料及骨料—基体界面过渡区,再生粗骨料替代率的增大导致混凝土弹性模量降低,峰值应变增大,轴心抗拉强度先增大后减小,而掺加适量PVA纤维(1.0%≤VPF≤1.5%)能改善地聚合物再生混凝土的轴拉性能。在GB50010模型的基础上,利用试验数据回归得到适用于PVA纤维地聚合物再生混凝土的轴拉本构模型,模型曲线与试验曲线吻合较好。

纤维长度对UHPC轴拉性能的影响试验研究

为了研究钢纤维长度对UHPC轴拉性能的影响,选择相同直径不同长度直圆形纤维掺入UHPC中,通过对UHPC力学性能、受拉变形和裂后强度的分析,得到纤维长度对UHPC轴拉性能的影响规律,对纤维长度的阻裂增韧效果做出评价,明确纤维长度影响UHPC轴拉性能的原因。研究结果表明:UHPC的轴拉性能随掺入纤维长度的增加而增加,20 mm长度纤维比6 mm长度纤维对UHPC峰值应力的提升作用增加了57.76%,UHPC裂后强度随纤维长度的增加而增加,当裂缝宽度一致时,纤维长度为20 mm时UHPC的应力最大,纤维长度为6 mm时UHPC应力最小。掺入20 mm长度纤维的UHPC在应变强化段变形量最大,纤维长度为13 mm时UHPC则在应力软化段变形最大。UHPC流动性随纤维长度的增加而降低。纤维长度对UHPC轴拉性能的影响是通过改变纤维与基体接触面的大小而改变的,越长的纤维与基体接触面越大,纤维与基体的黏结力也更大。

大坝原级配混凝土在双轴拉压及三轴拉压压受力状态下的试验研究

为了满足大体积混凝土结构进行非线性分析和设计的需要,通过试验比较了三级配混凝土大试件和湿筛二级配混凝土小试件在双轴拉压、三轴拉压压受力情况下的强度和变形特性。三级配混凝土试件尺寸为25cm×25cm×40cm,最大骨料粒径为80mm;湿筛试件尺寸为15cm×15cm×30cm,最大骨料粒径为40mm。试验数据表明,同一种应力状态下,混凝土大试件的强度和变形均低于小试件,大尺寸试件的应力-应变曲线的初始斜率一般大于相应的湿筛小试件的初始斜率。试验结果证实对处在复杂应力状态下的大体积混凝土结构,尺寸效应和骨料湿筛效应的影响是很显著的,在设计中必须考虑。最后分别在主应力空间和八面体应力空间建立大骨料混凝土的破坏准则,这为水工大体积混凝土按多轴强度理论进行设计提供了试验依据。

压实粘性土三轴拉伸试验研究

对于岩土材料而言,在相同的压力下(应力张量第一不变量I1)的三轴拉伸强度与三轴压缩强度相比,在较低的偏应力下发生破坏,这说明岩土材料的强度明显依赖于偏应力张量第三不变量J3,而常用莫尔-库仑准则虽然能够反映在相同的压力下三轴拉伸与压缩强度的差异性,但其比值Q2与压力无关.通过三轴压缩和三轴拉伸试验,对主应力差和比值Q2随压力的变化进行了研究,结果表明:在一定压力范围内,主应力差与围压的关系为线性关系;在低围压(指使试样发生剪切破坏的最小围压),测试获得的主应力差值与摩尔-库伦公式计算值相当,但随着围压的增加,两者差值增加,且计算所得的主应力差均大于测试值;在一定范围内,比值Q2随压力(应力张量第一不变量I1)呈线性指数递减变化;同时在较低压力下,三轴拉压强度比值与利用莫尔-库仑准则计算的数值相当.

挤出成型GFRC板的纤维取向分布和轴拉性能

挤出成型工艺生产玻璃纤维增强水泥板 (GFRC)时 ,纤维在螺旋推挤力和速度剪力的作用下 ,大部分纤维能在挤出方向上形成定向排列 ,轴拉强度相对较高。而垂直于挤出方向的纤维分布相对较少 ,力学性能也相对较差。试验结果表明 ,当纤维含量较低时 ,绝大部分纤维沿挤出方向分布 ,此时 ,平行挤出方向的轴拉强度远大于垂直挤出方向。纤维掺量较高时 ,垂直挤出方向上的纤维分布量大大增加 ,相应的轴拉强度几乎与平行挤出方向相等。此外 ,存在一个纤维掺量饱和点 ,超过此掺量 ,平行纤维方向的轴拉强度不再随掺量的增加而提高 。

机制砂UHPC轴拉性能试验研究

基于传统UHPC制备技术,优化原材料组分和配合比,配制出强度等级为120MPa的机制砂UHPC,开展不同材料掺量与配比对机制砂UHPC轴拉性能试验研究。结果表明:钢纤维的掺入能较好地约束机制砂UHPC变形和内部微裂纹的扩展,提高抵抗开裂能力和增强抗拉强度和拉伸应变,效果随钢纤维体积率的增加而逐渐增强,但在钢纤维掺量超过2%后增幅明显趋缓;机制砂UHPC抗拉性能随水胶比的增大呈先增大后减小的趋势,在水胶比0.18时,其抗拉强度和峰值应变最大分别为9.7MPa、2745.6με;适当增加机制砂UHPC中部分粗颗粒质量分数和石粉的掺量可以提高机制砂UHPC的抗拉性能。根据上述结果,机制砂UHPC的优选配合比设计为水胶比0.18,细度模数3.0,石粉含量5%,钢纤维体积掺量2%,可为后续机制砂UHPC力学性能深入研究与推广应用提供参考。

钢筋混凝土剪力墙轴拉试验和轴拉刚度理论分析

文章完成截面纵筋率为1.7%、2.5%的钢筋混凝土剪力墙轴拉试验。试验结果表明:剪力墙轴拉刚度在混凝土开裂前由钢筋和混凝土共同提供,并随轴拉力的增加逐渐下降;在混凝土开裂时轴拉刚度迅速下降;在开裂后混凝土退出工作,轴拉刚度逐渐趋于截面纵筋刚度。基于试验结果,完成剪力墙的轴拉受力特性和刚度变化特征的理论分析,提出能够描述钢筋混凝土剪力墙轴拉刚度变化特征的二阶段计算方法:在混凝土开裂前及开裂时根据混凝土本构模型获得的受拉弹性模量进行计算,在开裂后则引入纵向受拉钢筋应变不均匀系数进行计算。由此得到的理论值与试验结果更为吻合,更能反映剪力墙在轴拉阶段的受力和刚度变化特征。

钢纤维混凝土轴拉应力应变特性的试验研究

本文采用环氧粘接法对 4种纤维混凝土材料进行了轴向拉伸试验 ,成功地获得了材料的应力 应变全曲线 .根据其试验曲线是否出现第二峰值 ,把纤维分为增强与增韧两大类 .通过分析表明 :不同的纤维形式对混凝土材料的作用机理有较大的差异 .在工程应用中 ,应根据纤维混凝土材料的用途来选择纤维类型 .

基于近场动力学理论的混凝土轴拉破坏过程模拟

近场动力学PD(Peridynamics)是一种新兴的基于非局部模型描述材料特性的数值计算方法。该方法假定位于连续体内的粒子通过有限的距离与其他粒子相互作用,通过积分计算在一定近场范围(Horizon)内具有一定影响域的材料点之间的相互作用力,而不论位移场的连续与否,避免了传统的局部微分方程求解在面临不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性。本文概述了PD方法的基本思想、建模方法和计算体系,给出了用近场动力学方法模拟混凝土在轴向拉伸荷载作用下的计算格式。算例结果表明,PD方法可以很好地刻画和模拟混凝土在轴拉情形下的损伤累积与渐进破坏过程.最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面有待进一步研究的问题.