带病害混凝土损伤断裂行为的数值分析和研究

发布时间：2020-07-10 21:37

【摘要】：由于取材来源广泛且方便、施工工艺简单、硬化前构件形状的可塑性大等优点,混凝土被广泛应用于土木工程、水利工程和其他基础设施建设中。但是,由于受到一些自然缺陷或病害的影响,如裂缝、空洞、弱界面过渡区等,混凝土的耐久性和抗断裂性能等会明显下降,这给结构的使用带来了巨大的安全隐患。因此,研究混凝土中病害对其抗断裂性能的影响有着重要的学术价值和工程意义。文章通过与实验数据的比较验证了数值模拟方法的可靠性,再利用数值模拟方法研究了裂缝、空洞、弱界面过渡区等不同病害对混凝土断裂性能和行为的影响。主要的创新性研究工作包括:(1)研究了带预制切口的混凝土梁三点弯曲断裂行为,提出并讨论了切口的“死活”问题。首先开展了带单一预制切口和双预制切口混凝土梁的三点弯曲断裂实验,获得了断裂过程中的载荷-位移曲线和开裂路径。然后,利用改进的随机骨料生成和投放算法,建立了与实验级配相同的带预切口的二维混凝土两相细观异质模型,结合粘聚带模型,模拟了三点弯曲混凝土梁的断裂行为,将获得的载荷-位移曲线、断裂路径与实验结果对比,来验证数值模拟方法的可靠性。最后,用数值模拟方法研究了在双预制切口条件下,切口的位置和骨料分布对切口“死活”的影响。研究发现,切口位置是影响切口“死活”的主要因素,到梁中心距离越近的切口越容易被激活。(2)采用扩展有限元方法模拟了细观异质混凝土梁三点弯曲断裂行为,讨论了空洞对断裂的诱导问题。首先,开展了带预制通孔混凝土梁的三点弯曲断裂实验,获得了断裂过程中的载荷-位移曲线和累计声发射事件数随加载位移的变化规律。然后,从定性和定量两方面将数值模拟和实验结果进行对比,来验证数值模拟方法的可行性。最后,用数值模拟方法研究了空洞位置和尺寸对断裂行为的影响。研究结果表明,空洞距离梁中心和梁底部越近时,对梁的削弱越严重。(3)提出了空洞对断裂路径影响区的概念,采用数值模拟方法研究了空洞对单边预制切口混凝土梁的对称四点弯曲断裂路径的影响。首先,假设空洞影响区的形状是圆形,通过沿着梁长度方向移动空洞位置直到断裂路径不穿过空洞为止的方式,确定了影响区的半径。然后,分析了空洞的尺寸和空洞到梁底部的距离对影响区尺寸的影响,并将无量纲化的影响区半径拟合为无量纲化空洞尺寸和位置的函数。最后作为验证,用拟合函数预测的影响区尺寸解释了在多空洞模型断裂过程中断裂路径的走向选择问题。(4)建立了三维细观异质混凝土模型,模拟了其单轴拉伸断裂行为,讨论了界面随机性对混凝土整体断裂性能的离散性和分布特征的影响。首先,通过与文献中实验结果的比较,验证了模型的合理性。然后,假设模型中界面力学参数服从正态分布,采用数学统计的方法分析了界面性能的随机性对混凝土峰值载荷、断裂耗散能和断裂形貌离散性的影响,检验了峰值载荷和断裂耗散能服从的分布类型。研究结果表明,受到界面随机性的影响,混凝土的峰值载荷、断裂耗散能的分布特征可以近似地用正态分布或者威布尔分布来描述。在界面的三个参数中,拉伸强度的随机性对混凝土断裂性能离散性的影响最大。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

示意图,三点弯曲梁,加载,示意图

三点弯曲梁尺寸及加载示意图

示意图,紧凑拉伸试样,加载,示意图

紧凑拉伸试样尺寸及加载示意图

示意图,局部断裂,断裂能,带区

测量断裂能G、局部断裂能g沿着断裂韧带区的分布示意图

【参考文献】