基于断裂力学和损伤理论的混凝土断裂模型试验和数值研究

论文摘要

混凝土是一种复杂的多相复合材料。由于各组成部分不同的物理特性、结合面、外荷载作用以及环境的多方面影响,其破坏机理异常复杂,导致对混凝土的断裂机理的研究非常困难。近年来,基于损伤力学和断裂力学的混凝土开裂研究越来越受到人们的重视和认可,并取得了不少成果。但是其研究仍然处于起步阶段,无论是理论、还是试验都很不成熟。于是本文就此开展了以下研究:(1)分析了损伤力学和断裂力学模型的优缺点,提出了一种基于宏观断裂力学并综合考虑细观损伤理论的混凝土断裂模型。该模型用细观损伤推导得到的混凝土本构模型来描述混凝土开裂前的应力应变关系,且能够考虑断裂扩展区对断裂的影响。它综合了目前各研究模型的优点,能得到解析解。(2)进行普通混凝土的断裂试验来验证该模型。选用三组初始缝高比分别为0.1、0.2、0.3的混凝土试件,考查它们在八个不同龄期的断裂性能,计算裂缝尖端开口位移和应力强度因子这两个参数,从初始缝高比和龄期这两个方面进行了分析。(3)对掺矿物外加剂的混凝土的断裂进行了试验研究。分别计算了单掺粉煤灰和掺矿粉的混凝土的断裂性能,分析了粉煤灰和矿粉的掺入对混凝土断裂性能的影响及其原因。(4)运用大型有限元分析软件ABAQUS的弥散开裂模型,对混凝土的三点弯曲梁开裂过程进行数值模拟分析。分析比较了不同龄期和不同初始缝高比时普通混凝土的开裂性能,并与试验结果进行了对比。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 损伤力学在混凝土中的应用
• 1.2.2 断裂力学在混凝土中的应用
• 1.3 本文的研究背景
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 基于损伤-断裂的混凝土断裂模型的建立
• 2.1 基于损伤理论的混凝土本构模型
• 2.1.1 已有的混凝土损伤本构模型
• 2.1.2 基于损伤理论的混凝土本构模型的推导
• 2.2 墓于损伤-断裂的混凝土断裂模型的建立
• 2.2.1 三点弯曲梁的双参数模型参数的确定
• 2.2.2 引入断裂扩展区影响的强度因子的计算
• 2.2.3 断裂扩展区应力分布的计算
• 2.3 本章小结
• 第3章 普通混凝土断裂模型的试验研究
• 3.1 试验概况
• 3.1.1 试验原材料及配合比
• 3.1.2 试件的制备及试验仪器
• 3.2 三点弯曲梁试验结果曲线
• 3.2.1 龄期对普通混凝土断裂性能的影响
• 3.2.2 初始缝高比对普通混凝土断裂性能的影响
• 3.3 试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 掺矿物外加剂混凝土断裂试验及结果分析
• 4.1 矿物外加剂在混凝土的应用
• 4.1.1 粉煤灰对混凝土的作用
• 4.1.2 矿粉对混凝土的作用
• 4.2 试验概况
• 4.2.1 试验原材料及配合比
• 4.2.2 试验试件制备及试验曲线
• 4.3 粉煤灰混凝土的计算结果及分析
• 4.4 矿粉混凝土的计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 混凝土三点弯曲梁断裂的数值模拟
• 5.1 模拟混凝土开裂的数值模型
• 5.2 弥散裂缝模型各参数的计算
• 5.2.1 断裂区域能量的计算
• 5.2.2 断裂区域应力-应变的计算
• 5.3 有限元建模
• 5.3.1 本文的有限元模型
• 5.3.2 数值模拟的结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介