基于ESPI和DIC技术的混凝土拉伸软化曲线试验研究

摘要

混凝土具有承载能力高、造价低、施工方便的优点，同时也具有材料自重大、抗拉强度低的不足。由于混凝土结构破坏属于脆性破坏，一旦发生将造成巨大的经济和财产损失。为了预防混凝土结构脆性破坏的发生、降低由于混凝土的脆性破坏所引起的损失，深入了解混凝土材料的基本力学性能和材料的破坏机理十分重要。混凝土断裂破坏形式主要有张开型破坏（Ⅰ型破坏）、滑开型破坏（Ⅱ型破坏）和撕开型破坏（Ⅲ型破坏）三种。由于Ⅰ型破坏裂缝在工程中最危险，因此研究混凝土断裂性能主要以Ⅰ型断裂破坏的研究为主。 由于断裂过程区的存在，混凝土材料表现出与其他脆性材料不同的非线性断裂行为。在用来解释混凝土断裂行为的一系列模型中，黏聚裂纹模型是应用最广泛的模型之一。因此，作为应用黏聚裂纹模型的前提，混凝土的拉伸软化曲线（Tension Softening Curve, TSC）成为了混凝土断裂性能研究的重点。由于直接求解混凝土的TSC的单轴拉伸试验法、J积分法无法得到可靠的结果，逆分析法成为了唯一可行的方法。作为逆分析法之一的“逐点位移匹配法”（Incremental Displacement Collocation Method, IDCM），因其在TSC的每个坐标点处都同时考虑了试件的整体响应和局部响应，降低了“逆分析法”的不适定性，成为了求解混凝土TSC的首选方法。 为了观察裂缝在混凝土断裂过程中不同阶段的扩展状态，同时为确定混凝土的TSC提供充足的数据，试验过程中采用了电子散斑干涉技术（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）和数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术记录试件表面的变形。通过不同强度、不同尺寸试件的三点弯曲试验，得到了各混凝土试件断裂破坏过程中的荷载-位移曲线。由ESPI和DIC得到的荷载-位移曲线的对比得出，DIC可以应用于混凝土三点弯曲断裂试验的全过程，且精度较高，而ESPI在试验前期精度较高，后期误差逐渐增大，不宜全程使用。基于ESPI和DIC技术对同一试件表面变形测量结果的对比分析，给出了降低ESPI和DIC测量误差的建议。通过对ESPI和DIC云图的分析，得到了不同时刻裂缝扩展长度和裂缝形状，并总结了混凝土断裂破坏过程中裂缝的扩展规律。试验现象表明，混凝土裂缝起始于预制切口尖端，并向上部支座方向扩展，当裂缝尖端处遇到粗骨料时，裂缝总是沿着能量消耗最小的路径扩展，完整的断裂过程区呈 狭长的带状。在混凝土三点弯曲试验的基础上，计算了不同强度混凝土断裂表面的骨料断裂率，分析了骨料断裂率与各混凝土断裂参数之间的关系。由分析可知，混凝土骨料的断裂率随混凝土强度的提高而增大，且逐渐趋近于50%；混凝土断裂参数CMODc、CTODc和wc受混凝土骨料断裂率的影响较小；混凝土断裂能随混凝土骨料断裂率的提高先增大后减小，在骨料断裂率约为42.9%时，达到最大值。 采用IDCM构建了混凝土TSC，并通过荷载-位移曲线和断裂能对IDCM的可行性进行了验证，并结合已有试验结果，分析了混凝土材料各参数与试件尺寸的关系。结果表明，采用IDCM能够构建出更准确的混凝土拉伸软化曲线；混凝土的拉伸软化曲线受试件尺寸的影响较小，而随着试件强度的提高，混凝土临界裂缝宽度wc呈减小的趋势；混凝土CTODc受试件尺寸和混凝土强度的影响较小，可以作为混凝土的基本材料参数，而混凝土断裂能GF、峰值荷载Pmax，以及峰值荷载处的CMODc和δc都受试件尺寸和混凝土强度的影响较大。其中CMODc在跨度大于600 mm时基本保持不变。

目录

第一个书签之前

摘要

ABSTRACT

英文缩略词表

符号表

第1章绪论

1.1研究背景和现状

1.1.1混凝土材料的研究

1.1.2混凝土断裂力学性能的研究

1.2理论基础

1.2.1断裂破坏的类型

1.2.2断裂力学的发展

1.2.3混凝土拉伸软化曲线

1.2.4逐点位移配合法

1.3研究目的

1.4测量方法的选取

1.5本文的主要工作

1.5.1课题来源

1.5.2本文的主要研究内容

第2章混凝土断裂性能试验设计

2.1混凝土三点弯曲试验

2.1.1试验设计

2.1.2试验结果

2.2混凝土基本力学性能试验

2.2.1立方体抗压强度fcu

2.2.2弹性模量E

2.2.3劈裂抗拉强度ft

2.3本章小结

第3章ESPI在混凝土断裂性能试验研究中的应用

3.1引言

3.2ESPI原理

3.3试验概况

3.4试验数据处理

3.4.1P-CMOD曲线

3.4.2应变云图

3.4.3COD曲线

3.4.4预制切口尖端应变曲线

3.5P-CTOD曲线及断裂过程区长度

3.6本章小结

第4章DIC技术在混凝土断裂性能试验研究中的应用

4.1DIC原理

4.1.1DIC基本原理

4.1.2形函数

4.2试验概况

4.3试验结果

4.3.1位移云图

4.3.2荷载-位移曲线

4.3.3起裂点的确定

4.4本章小结

第5章ESPI和DIC技术在混凝土断裂性能研究中的对比分析

5.1ESPI和DIC技术原理对比

5.2试验概况

5.3试验结果对比

5.3.1荷载-位移曲线及断裂能

5.3.2位移云图及裂纹发展过程

5.3.3测量结果对比

5.3.4荷载-裂缝扩展长度曲线

5.4误差分析

5.4.1测量误差

5.4.2误差原因分析

5.5本章小结

第6章骨料断裂率对混凝土断裂力学性能的影响

6.1引言

6.2试验概况

6.2.1试件制作

6.2.2试验装置

6.2.3图像采集

6.3试验结果

6.3.1断裂参数

6.3.2骨料断裂率

6.4结果分析

6.5本章小结

第7章混凝土拉伸软化曲线及尺寸效应

7.1混凝土拉伸软化曲线

7.1.1有限元模型

7.1.2 IDCM的应用

7.1.3试验数据

7.1.4 IDCM构建混凝土TSC

7.1.5 IDCM计算结果的检验

7.1.6 IDCM的优点和不足

7.2混凝土断裂参数尺寸效应

7.2.1试验设计

7.2.2混凝土断裂参数

7.2.3混凝土断裂能的尺寸效应

7.2.4峰值荷载Pmax的尺寸效应

7.2.5峰值荷载下CMOD的尺寸效应

7.2.6峰值荷载下CTOD的尺寸效应

7.2.7峰值荷载下挠度的尺寸效应

7.3本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

附录一：攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文

附录二：贵州大学学位论文原创性声明和使用授权声明