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粘结构件粘结性能的内聚力模型分析

周志强  
【摘要】:断裂力学是固体力学的一个重要分支,在上个世纪的后半叶取得了巨大的发展,在机械、材料、航空等领域得到了广泛应用。内聚力模型(CZM)是根据非线性断裂力学发展出的一个有效工具,通过参数的选择可以如实反映出界面层物质的弹性模量、强度、韧度等性质。把这个功能强大的工具引入到土木工程材料、结构的分析中,有很好的前景。 本文首先简要回顾了断裂力学的发展,介绍了线弹性断裂力学的应力强度因子准则和能量准则,以及两者的关系。然后,引出了CZM,并介绍了在商用有限元软件ABAQUS中实现CZM的方法。 界面韧度是粘结结构设计的一个重要参数。为了计算界面韧度,发展出了各种几何形状简单的测试方法,例如有为了测定Ⅰ型断裂阻抗的双悬臂试验和为了测试Ⅱ型断裂阻抗的端部加载劈裂试验。线弹性断裂力学中对裂纹尖端为一点的假设(point-wise assumption)过于简单,导致解释界面韧度的方法出现偏差。本文采用内聚力模型作标准来判别各种基于梁弯曲理论的方法,这些方法包括简单梁理论、修正梁理论和实验柔度法。裂纹尖端前的断裂作用区域的存在被认为是以上方法估计不足的原因。本文给出了估算这个区域尺寸的方法,将这一尺寸大小作为裂纹修正长度,将给出更好的结果,从而阐明了裂纹长度修正的物理本质。 单剪试验常被用于测定FRP加固混凝土的粘结强度,但传统的粘结强度公式是基于强度理论的,且是经验性的,在量纲上也是不协调的。我们认识到粘结失效往往是由于发生了剥离破坏,因此本文基于断裂力学给出了新的计算公式。通过与相关试验结果的对比,验证了新公式的有效性。 总之,CZM是分析非线性裂纹问题的有力工具,可望在土木工程的相关领域得到广泛应用。


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