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《大连理工大学》 2002年
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混凝土断裂过程中的能量分析研究

赵艳华  
【摘要】: 混凝土是一种广泛用于实际工程的建筑材料,对其的研究主要集中在断裂和破坏方面。现在已经意识到,混凝土在其典型的位移曲线中呈现出的非线性特征是由于裂缝在端部的缓慢扩展引起的,可以认为是混凝土的一种半脆性性能。这是在发现传统的线弹性断裂力学(LEFM)和适合金属类材料的断裂模型不适用于混凝土研究时得出的结论。对此,在过去的几十年里,众多研究人员提出了很多描述混凝土非线性断裂的模型,而其中的大多数断裂模型都以临界应力强度因子K_(Ic)作为抵抗裂缝扩展阻力的断裂韧度。而基于能量平衡方法推出的临界能量释放率G_(Ic),在分析研究混凝土断裂中应同K_(Ic)具有同样的效果。基于此,本文尝试从能量的角度研究混凝土的断裂过程。 1.混凝土断裂能G_F是材料的一个基本性能,表示扩展单位裂缝面所需要的能量。而确定G_F的试验方法一直是混凝土断裂力学研究的热点问题之一。通过比较目前测试混凝土断裂能的几种方法,本文认为楔入劈拉试验法(WS)是比较适用的,进而在本文中采用WS方法研究了混凝土断裂能G_F随试件断裂韧带高度的变化规律。在测试过程中采用了柔度测试法以循坏的方式增加荷载直到试件完全断开,然后对试验曲线进行了合理的光滑处理,并对试验曲线的尾部进行了拟合表达尽量消除其对结果的误差影响。 2.很多试验结果发现裂缝的扩展要经过两个明显的阶段:裂缝稳定扩展和裂缝失稳扩展。作为一种能量指标的混凝土断裂能G_F只能表征混凝土断裂全过程的平均能量吸收,而并不涉及这两个阶段的能量变化。本文提出两个能量型断裂参数即稳定断裂能G_(FS)和失稳断裂能G_(FU)分别表示裂缝稳定扩展和失稳扩展阶段的能量损耗,并采用楔入劈拉试件(WS)对这两个参数相对初始缝长α_0的尺寸效应进行了分析。 3.由于测试混凝土三个断裂能参数采用的方法不同从而带来了一个问题,即不同的测试方法所得到的G_F、G_(FS)和G_(FU)是否一致?本文采用相同组分的混凝土材料以三点弯曲梁TPB和楔入劈拉试件WS作为比较对象验证了试件形状对断裂参数的影响。结果发现二种试件形式对结果有轻微的影响,需要进一步的探讨研究。 4.在双K准则中有两个以应力强度因子为表现形式的断裂韧度参数:起裂韧度K_(Ic)~(ini)和失稳断裂韧度K_(Ic)~(un)。与此相对应本文提出了能量型的双G断裂模型,其中的断裂韧度采用能量释放率的形式表示即起裂韧度G_(Ic)~(ini)和失稳断裂韧度G_(Ic)~(un)。此模型将作用在裂缝尖端断裂过程区FPZ上粘聚力的影响以及线弹性断裂力学中对G_(Ic)~(ini)和G_(Ic)~(un)的解析表达相结合,而且G_(Ic)~(ini)和G_(Ic)~(un)不是独立的两个参数,它们之间的关联便是由克服粘聚力所带来的能量损耗G_(Ic)~c。通过引入断裂功方法的概念,在求得G_(Ic)~c的情况下, 本义给出了* 和GI7的实用计算公式。 5.前面已经指出,在线弹性断裂力学中,应力强度因子和能量释放率是等效的。而双 K断裂模型和双G断裂模型都是以线弹性断裂力学为基础的,参数的转化应该遵循 同样的规律。本文利用三点弯曲梁TPB的模拟试验和楔入劈拉WS的试验结果以及 现有的紧凑拉伸CT的实验数据证实了这一点。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TU528

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