脆性材料基强化结构的断裂行为分析

摘要

断裂力学是研究带有裂纹的物体在载荷的作用下裂纹扩展规律的一门学科。对于含有裂纹或缺陷的理想弹性介质结构，裂纹前端存在应力奇异性分布。断裂力学中一个重要的参量应力强度因子，可以有效地表征裂纹尖端附近的应力场强度。由于脆性材料极易发生断裂，因此本文利用断裂力学理论，对带预制裂纹混凝土、GFRP加固混凝土梁、陶瓷试件进行断裂实验，以及应变片跟踪电测实验，研究了结构承载力和断裂过程。主要研究工作如下： (1)通过万能试验机分别对四种不同尺寸的钢纤维混凝土试件进行楔入式劈裂断裂实验，并对其中两个试件粘贴应变片进行跟踪电测，分析了结构承载力与裂纹张开位移。 (2)对5个涂浸渍胶和未涂胶的试件进行了轴向拉伸实验，8个单层GFRP板加固混凝土梁试件的四点弯曲加载实验，以及一个GFRP的应变片跟踪电测实验，研究了GFRP板轴力以及与混凝土间界面上的切应力分布。 (3)通过多项式表达式得到了计算裂纹张开位移的计算公式，并将其理论应用于混凝土材料，将解析解与实验结果作比较，两者符合良好。并探讨了其裂纹黏聚应力与位移之间的本构关系。 (4)利用ANSYS有限元软件对混凝土进行数值模拟，将求得的应力强度因子与理论计算值进行比较。也得到了裂纹各个节点在X、Y方向的位移，以及等效应力值。 (5)采用实验机对7种不同切口尺寸的粗瓷矩形截面梁试件和4种切口尺寸的细瓷试件进行了三点弯曲加载实验，得到了各个试件的载荷-加载点位移关系曲线，并由实验最大载荷值和预制裂纹尺寸计算了其应力强度因子。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1断裂力学的产生和发展

1.2混凝土断裂的研究概况

1.2.1素混凝土的断裂研究状况

1.2.2钢纤维强韧化混凝土与加固混凝土的发展及研究

1.3陶瓷的研究概况

1.4本文的研究内容及意义

第二章 钢纤维混凝土断裂过程测试与力学性能

2.1钢纤维混凝土断裂过程实验

2.1.1钢纤维混凝土试件的制作

2.1.2试件尺寸及加载装置

2.1.3劈裂实验的载荷-位移关系曲线

2.2布片方案与应变片的粘贴

2.3应力强度因子的计算及分析

2.4电测实验的数据分析

2.4.1载荷和张开位移变化关系曲线

2.4.2位移与位置关系曲线

2.4.3黏聚裂纹端点位置随载荷变化曲线

2.5通过黏聚裂纹模型和双K断裂准则计算承载力

2.6本章小结

第三章 加固混凝土梁的GFRP板抗拉强度与界面切应力

3.1玻璃纤维布单拉实验

3.1.1试件的制作

3.1.2玻纤布的拉伸实验

3.1.3玻纤布的强度分析

3.2 GFRP加固混凝土梁的四点弯曲实验

3.2.1混凝土三点弯曲实验

3.2.2 GFRP加固过程

3.2.3 GFRP加固混凝土梁四点弯曲

3.2.4 GFRP在加固梁四点弯曲实验中的强度

3.3 GFRP加固混凝土梁跟踪电测

3.3.1应变片粘贴与测试

3.3.2载荷与应变的关系

3.3.3 GFRP板的切应力分布

3.4本章小结

第四章 混凝土断裂过程区拉伸软化的本构关系分析

4.1黏聚裂纹模型

4.1.1黏聚裂纹张开位移的分布函数

4.1.2黏聚应力分布函数

4.2黏聚裂纹张开位移分布参数的确定

4.3与混凝土实验结果作比较

4.3.1不同载荷下的黏聚裂纹张开位移和黏聚应力分布

4.3.2黏聚裂纹本构关系

4.4本章小结

第五章 混凝土楔入劈裂的有限元分析

5.1有限元法概述

5.2 ANSYS有限元

5.2.1 ANSYS基本操作

5.2.2 ANSYS结构有限元在断裂力学中的应用

5.3通过ANSYS有限元模拟混凝土楔入劈裂加载

5.3.1混凝土实验数据

5.3.2 ANSYS模拟计算

5.3.3 ANSYS有限元计算的结果

5.4本章小结

第六章 陶瓷三点弯曲切口梁断裂实验与承载力分析

6.1陶瓷切口梁三点弯曲实验

6.1.1陶瓷实验装置及试件尺寸

6.1.2载荷与加载点位移的关系

6.1.3最大承载力与裂纹长度的关系

6.2应力强度因子

6.3陶瓷试件的承载力计算

6.3.1通过黏聚裂纹模型和双K断裂准则计算承载力

6.3.2由恒定应力强度因子估算承载力

6.3.3两种承载力计算方法的比较

6.4 本章小结

第七章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与的科研项目和发表的论文