往复荷载作用下混凝土断裂过程区特性及裂纹扩展机理研究

Besides static loads, concrete structures also sustain complex dynamic and repeated loads which may produce cracks in concrete, causing damage and fracture failure of the structures. To investigate the fracture behavior of concrete structures under repeated loads, one of the most important topics is to study the fracture characteristics of concrete subjected to cyclic loading. Due to the existence of fracture process zone, concrete exhibits nonlinear fracture behavior. In order to understand essentially the fracture mechanisms of concrete, the fracture mechanics model should be built based on the fracture process zone..The fracture mechanics models of concrete subjected to monotonic loading get more and more mature. However, such models cannot reflect the influence of loading history on the fracture process and fracture behavior of concrete. In this project, experimental tests will be performed on concrete by cyclic loading and digital image correlation technology will be used to observe real-time development of the fracture process zone. The influence of loading history on the fracture parameters of concrete will be analyzed. The mechanisms of crack opening and healing, stiffness degradation and cyclic energy dissipation in loading and unloading process will be revealed. Numerical analysis will be carried out based on the experimental results. Considering physical and mechanical properties of the fracture process zone, the fracture mechanics model reflecting the influence of the loading and unloading process will be established. The implementation of this project can provide a useful reference for the nonlinear analysis of reinforced concrete structures, and can also provide a basis for the study of the fracture behavior of concrete structures under seismic and fatigue loads.

混凝土结构除承受静载作用，还承受复杂动荷载和重复荷载作用，导致内部产生裂缝，进而引起结构损伤和断裂。要研究重复荷载下混凝土结构断裂性能，重要课题之一就是研究往复荷载下混凝土断裂特性。由于断裂过程区的存在，混凝土断裂行为表现出一定的非线性。要从本质上了解混凝土断裂机理，必须采用考虑了断裂过程区的断裂力学模型。.单调加载下的混凝土断裂力学模型逐渐成熟，然而该模型无法反映加载历史对混凝土断裂过程区特性及断裂行为的影响。本项目拟对混凝土构件进行往复加载，采用数字图像相关技术对断裂过程区实时观测，分析加载历史对混凝土断裂参数的影响，揭示加、卸载过程中裂纹扩展与愈合、刚度退化及循环耗能等机理；在试验基础上进行数值分析，从断裂过程区物理、力学特性出发，建立反映加、卸载过程的循环断裂力学模型。本项目的实施，可为钢筋混凝土结构非线性分析提供有用参考，也可为地震作用及疲劳荷载下混凝土结构断裂性能研究提供依据。

混凝土结构除承受静载作用，还承受复杂动荷载和重复荷载作用，导致内部产生裂缝，进而引起结构损伤和断裂。要研究重复荷载下混凝土结构断裂性能，重要课题之一就是研究往复荷载下混凝土断裂特性。由于断裂过程区的存在，混凝土断裂行为表现出一定的非线性。要从本质上了解混凝土断裂机理，必须采用考虑了断裂过程区的断裂力学模型。.本项目针对普通强度混凝土（C30）和高强混凝土（C80），各制备了8根单边切口的梁试件及5个双边切口棱柱体试件。通过单调加载和往复加载，对单边切口梁进行三点弯曲试验，对双边切口棱柱体进行单轴拉伸试验。试验过程中，采用电子散斑干涉技术（ESPI）和数字图像相关技术（DIC）对试件前后表面的位移场进行观测。基于三点弯曲试验，得到了混凝土梁的荷载-位移曲线、全场位移云图和应变云图，裂缝张开位移和裂缝长度、临界裂缝口张开位移（CMODc）和临界裂缝尖端张开位移（CTODc）、断裂能和耗散能以及拉升软化曲线等，分析了加载历史对混凝土断裂参数及裂纹扩展的影响。基于单轴拉伸试验，建立了应力-应变全曲线，结合DIC和ESPI测量的位移云图和应变云图，分析了裂纹的演化规律及断裂过程区特性。最后，采用ABAQUS中的扩展有限元模型（XFEM）对三点弯曲梁进行数值模拟，对比了模拟和试验的荷载-位移曲线，对不同缝高比、跨度、切口偏置距离的数值模型进行了参数化分析，并研究了最大主应力、弹性模量和损伤稳定性系数对模拟结果的影响；采用ABAQUS混凝土塑性损伤模型，通过引入损伤，对单轴拉伸试件进行模拟，对比了模拟和试验的荷载-位移曲线，分析了数值模型的损伤因子演化、应变云图等。.本项目的实施，可为钢筋混凝土结构非线性分析提供有用参考，也可为地震作用及疲劳荷载下混凝土结构断裂性能研究提供依据。