混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂特性的有限断裂力学分析

摘要

混凝土结构在外部荷载下的断裂特性研究，对混凝土结构的抗裂设计及损伤结构的剩余强度具有重要意义。混凝土等准脆性材料与金属材料等脆性材料不同，其断裂特性受到断裂过程区(Fracture Process Zone)的极大影响。对混凝土结构，通常处于组合应力场的作用，导致结构混凝土中的裂缝绝大部分以复合的形式存在，其中又以Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝最常见。为研究在复合荷载作用下混凝土材料的断裂特性，本文制作直偏裂缝的素混凝土试样，利用三点弯曲的加载方式，研究了含Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展规律、缝高比和裂缝偏移试件中间的距离对混凝土断裂性能等方面的影响。研究起裂荷载、峰值荷载、断裂准则等。主要研究结论如下： (1) 基于数字图像相关法测量了尺寸分别为320mm×100mm×80mm，400mm× 100mm×100mm，480mm×100mm×120mm和560mm×100mm×140mm的混凝土在三点弯曲加载过程中裂缝尖端处的张开位移、切向位移和断裂过程区尺寸变化。结果表明相对于裂缝的偏移位置，缝高比对断裂过程区长度的影响很大，并且缝高比越大的试件，断裂过程区的长度越来越小。 (2) 对尺寸为400mm×100mm×100mm，缝高比分别为0.2，0.3，0.4，0.5的素混凝土进行了三点弯曲试验，研究了缝高比对起裂荷载、峰值荷载和最终断裂角的影响规律。随着缝高比的增加起裂荷载和峰值荷载均表现减小的趋势，但是最终断裂角却随着缝高比的增加而增加。 (3) 基于有限断裂力学断裂准则分析和最大周向应力准则的理论与试验结果的对比表明：试件的最终断裂角度随着缝高比的增大和裂缝偏移距离的增大均表现为角度增加，有限断裂力学预测的最终断裂角度与试验结果吻合较好。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 断裂力学的研究现状

1.2.1 断裂力学的产生与发展

1.2.2 混凝土断裂力学的发展

1.3 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂准则研究进展

1.4本文研究的主要内容

第二章 试件设计与实验方案

2.1 引言

2.2 试验概况

2.2.1 试件制作

2.2.2 试件形式

2.2.3 测试装置

2.2.4 测试方案

2.3 数字图像相关法测量断裂过程区尺寸

2.3.1 基本原理

2.3.2试件表面处理

2.3.3 测量设备

2.4 本章小结

第三章 试验结果及断裂特性分析

3.1 引言

3.2 电测法测定起裂荷载值

3.3 控制参数对混凝土断裂特性的影响

3.3.1 缝高比对起裂荷载与峰值荷载的影响

3.3.2 裂缝偏移距离对起裂荷载和峰值荷载的影响

3.3.3 试件缝高比与裂缝偏移距离对断裂角度θ的影响

3.4 数字图像相关法测量Ⅰ-Ⅱ复合型混凝土断裂过程区

3.4.1 DICM方法获取的裂缝张开位移与剪切位移

3.4.2 Vic-2D软件位移分析计算结果

3.4.3 峰值时刻断裂过程区的长度

3.5 本章小结

第四章 基于有限断裂力学模型的断裂准则研究

4.1 引言

4.2 Ⅰ-Ⅱ复合型断裂理论

4.2.1 最大周向应力理论

4.2.2 有限断裂力学准则

4.3 基于有限断裂力学模型的试验分析

4.3.1 裂缝扩展距离

4.3.2 裂缝扩展的最终断裂角

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢