基于能量耗散理论的大坝混凝土疲劳断裂损伤机理

Under the earthquake, the fatigue fracture behavior is the research focus in the dynamic characteristics. However, the fatigue fracture behavior of dam concrete is the weak link for the seismic evaluation of the hydropower project construction. In the project, the flexural fatigue fracture tests are performed on the dam concrete specimens, and the effect of dimensions of specimens, initial crack lengths and loading conditions on the fatigue fracture behavior of dam concrete are studied. Combined the fracture and damage mechanics theories, the project explores the fatigue fracture mechanics of dam concrete based on the experimental results, and then establishes a damage model in which the damage zone is assumed to be equivalent to the macro crack. Finally, the acoustic emission (AE) signals are collected during the fatigue fracture tests on dam concrete by using the acoustic emission technique. Based on the AE signals, the fracture mechanism of dam concrete is analyzed and the relationship between the damage and AE signal characteristics is analyzed. The study result of the project can be applied to predict the dynamic fracture of dam concrete and has great theoretical significance and application to the seismic safety evaluation of dam structures.

地震作用下，大坝混凝土动态力学特性研究的重点内容是其疲劳断裂特性，但大坝混凝土动态断裂机理目前仍是水利水电工程建设抗震安全性评价的薄弱环节。本项目拟针对大坝混凝土试件开展三点弯疲劳断裂试验，并考虑试件尺寸、缝高比和加载条件对大坝混凝土疲劳断裂力学性能的影响，测试裂缝张口位移、断裂韧度、断裂能等宏观断裂参数，分析大坝混凝土疲劳断裂性能受上述因素的影响。提炼所获试验数据，结合混凝土断裂力学和损伤力学理论，从能量耗散的角度分析大坝混凝土的断裂损伤机理，构建一种与宏观裂缝等价的等量损伤区模型。最后，利用声发射系统采集的大坝混凝土断裂破坏过程的声发射信号，研究声发射特征与材料内部断裂损伤机制的对应关系，建立大坝混凝土疲劳断裂损伤的声发射特征参量表征模型。本项目研究成果对大坝混凝土动态断裂损伤破坏灾害的预测分析提供科学依据，具有重要的学术价值与工程意义。

地震作用下，大坝混凝土动态力学特性研究的重点内容是其疲劳断裂特性，但大坝混凝土断裂机理目前仍是水利水电工程建设抗震安全性评价的薄弱环节。本项目针对大坝混凝土带缺口立方体试件开展不同加载工况下的楔入劈拉断裂试验。测试裂缝口张开位移、断裂韧度、断裂能、等效裂缝扩展长度等宏观断裂参数，分析了大坝混凝土的疲劳断裂性能。通过改变试件尺寸、缝高比和加载条件（加载幅值、加载速率），研究了大坝混凝土的疲劳断裂力学性能受上述因素的影响规律。根据楔入劈拉疲劳加载试验提供的科学数据，结合声发射和数字图像相关方法采集的试验数据，建立大坝混凝土疲劳裂缝扩展模型。从能量耗散的角度分析大坝混凝土的断裂损伤机理。利用声发射系统采集大坝混凝土断裂破坏过程的声发射信号，研究了声发射特征与材料内部的断裂损伤机制的对应关系。分析材料断裂过程中的裂缝产生、裂缝稳定扩展到失稳扩展阶段材料断裂过程区的损伤演化规律，建立了大坝混凝土疲劳断裂损伤的声发射特征参量表征模型。从声发射参量的角度揭示大坝混凝土I型断裂破坏过程中断裂过程区损伤的物理机理。本项目研究成果对大坝混凝土动态断裂损伤破坏灾害的预测分析提供科学依据，具有重要的学术价值和工程意义。