连续道床板裂纹计算方法及影响因素

为研究双块式无砟轨道连续配筋道床板裂纹扩展的机理,基于钢筋混凝土粘结-滑移理论,建立了适用于连续配筋混凝土道床板裂纹扩展的计算模型.依据该模型计算了道床板裂纹宽度和间距,分析了道床板配筋率、纵向钢筋直径和混凝土强度对裂纹宽度、间距及钢筋应力的影响.分析结果表明:钢筋直径和配筋率直接影响裂纹间距,裂纹间距随钢筋直径增大而增大,随配筋率增大而减小;混凝土抗拉强度、配筋率和钢筋直径是裂纹宽度的主要影响因素,裂纹宽度随混凝土强度和钢筋直径增大而增大,随配筋率增大而减小;裂纹截面处纵筋应力不应超过其抗拉强度,配筋率和混凝土抗拉强度是决定钢筋应力大小的关键因素.     

混凝土劈裂试件断裂过程的数值模拟

将Duan—Nakagawa模型解析得到的断裂过程区上的应力和位移场转化为节点上的无体积、无长度的虚拟弹簧代替拉应变软化曲线，对混凝土劈裂试件的断裂过程进行有限元数值分析。在算例中，把裂纹尖端张开位移与材料的极限抗拉强度作为控制裂纹扩展过程的参数，模拟了混凝土劈裂试件起裂、扩展、破坏的全过程，与试验结果吻合良好。     

Ⅰ型裂纹稳定扩展裂尖塑性区研究

运用FRANC2D/L软件分别对6.35 mm和2 mm两种厚度Arcan试件的Ⅰ型裂纹稳定扩展进行数值计算,研究了该软件的网格划分技术对计算结果的影响,发现该软件的计算精度主要受裂纹区的网格密度影响（当裂纹面单元与裂纹每步扩展单元尺寸一致时,计算精度好）.通过分析有效应力,研究了材料、裂纹扩展长度及试件厚度对裂纹尖端塑性区尺寸的影响.研究结果表明,材料的屈服应力越大,其裂尖塑性区尺寸越小;塑性区尺寸随裂纹扩展长度的增加,先增大后趋于不变;塑性区的形状与板厚或边界有关,6.35 mm厚的母材及3种焊接板材塑性区成扩散型,2 mm厚的母材成Dugdale模型,25.4 mm以上厚度母材成平面应变模型;裂纹启裂时,塑性区随着厚度的增加而减小,最终不变.     

超密实沥青混凝土Ⅰ - Ⅱ复合型裂纹扩展研究

为了研究低温地区超密实型沥青混凝土内部Ⅰ - Ⅱ复合型微裂纹扩展规律,基于Eshelby等效夹杂理论和最大周向应力断裂准则,建立了当复合型裂纹发生失稳型扩展时其内部微裂纹偏转角β与应力场之间的关系,并确定了扩展方向;建立沥青混凝土细观离散元模型,考虑沥青混凝土的黏弹性,分析了内部微裂纹β对复合裂纹扩展的影响规律. 研究结果表明:对二维平面问题,β的变化主要引起裂纹在沥青混凝土中分布状态的变化,在极大程度上造成了沥青混凝土的宏观有效弹性模量和剪切模量在时域内的减小;在常荷载作用下,β的增大造成了宏观裂纹孕育和扩展历程的缩短,还致使复合型裂纹由Ⅰ型裂纹逐渐转变为Ⅱ型裂纹;β的增大不仅使裂尖域内应力场发生一定偏转,而且导致裂尖域内应力场和衰坏区的减小.      

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响

通过30Cr Mn Si Ni2A钢在不同应力比下疲劳裂纹扩展试验数据,讨论了在相同裂纹长度时应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响,并提出了R-p-da/d N-a概率模型.分析表明疲劳裂纹扩展速率与裂纹长度之间存在幂函数关系da/d N=C(R)(a)n(R),且lgC(R)和n(R)是应力比R的线性相关函数,lgC(R)随着应力比R增大而减小、n(R)随着应力比R增大而增大.但是在相等裂纹长度下,应力比增大,疲劳裂纹扩展速率是减小的.     

钢筋混凝土界面疲劳裂纹扩展模拟研究

界面脱粘是钢筋混凝土材料与结构的主要失效形式之一。基于剪切筒模型和常用疲劳加载方式，首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力的计算模型；然后根据断裂脱粘准则，借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式，得到了脱粘界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系；最后对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析。结果表明。摩擦系数的衰减程度是影响界面脱粘应力大小及裂纹扩展快慢的主要因素，而且材料的尺寸效应对界面疲劳特性的影响也不容忽视。     

复合式路面疲劳裂纹扩展数值模拟研究

基于虚拟裂纹闭合法(VCCT)以及广义Paris公式,对隧道复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命进行研究.首先对现有的虚拟裂纹闭合法进行改进,编写出能够模拟复合式路面疲劳裂纹扩展的子程序UEL;采用有限元软件Abaqus对子程序UEL进行调用,计算出路面结构的能量释放率以及应力强度因子,结合广义Paris公式求得其疲劳裂纹扩展寿命.改进的虚拟裂纹闭合法能以一个模型计算出多种裂纹长度对应的能量释放率,很大程度上降低了计算代价;数值模拟结果表明:Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展长度的增加而增大;Ⅱ型应力强度因子KⅡ随着裂纹长度增加先呈递减趋势,然后递增;有效应力强度因子K eff与Ⅱ型应力强度因子KⅡ的变化规律大致相同.还利用改进后的虚拟裂纹闭合法研究了上下面层模量、混凝土层模量以及超载对疲劳裂纹扩展寿命的影响.结果表明:超载系数的增大会使复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命显著降低;疲劳裂纹扩展寿命会随着上下面层模量的增大而递增,并与上下面层模量呈近似线性关系;疲劳裂纹扩展寿命也会随着混凝土层模量的增大而递增,但递增速率会逐渐变缓.对路面疲劳寿命影响大小的次序为:超载系数>混凝土模量>下面层模量>上面层模量.研究结果对复合式路面的结构设计具有一定的参考价值.     

钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生仿真

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区域材料内聚力参数,基于Voronoi图法、焊接区域晶粒微观形态与力学特性建立了U肋-盖板焊缝焊趾处微观晶粒组织,并与宏观二维平面应变模型合并,模拟了多尺度疲劳裂纹萌生;结合等效结构应力法和线弹性断裂力学裂纹扩展理论,考虑初始缺陷形态和疲劳断裂临界标准反推了不同应力水平下的累积内聚力长度,进而得到疲劳裂纹萌生寿命的计算方法。分析结果表明：采用提出的方法模拟U肋-盖板焊缝焊趾裂纹萌生行为时,裂纹在焊趾处萌生并垂直于顶板表面进行扩展,形成了穿晶断裂模式,微观晶粒组织应力分布随裂纹萌生及短裂纹扩展而不断变化,且随着微观晶粒组织分布和力学特性的随机性变化,仿真结果中的短裂纹扩展路径细节与临界循环次数均不相同;反推得到的累积内聚力长度随初始缺陷形状比、长裂纹扩展临界深度、微观晶粒组织分布及其力学特性以及所处应力幅值的不同产生变化,考虑上述因素获取的累积...     

少筋混凝土梁三点弯曲断裂过程的数值模型

基于少筋混凝土结构的破坏原理,提出了混凝土裂纹处存在钢筋的力学分析模型,把钢筋对混凝土的作用力假想为一对集中力,钢筋位于混凝土弹性区时,认为钢筋与混凝土连为一体;当钢筋与混凝土裂纹相遇时,考虑钢筋与混凝土之间存在脱粘的部分段。同时根据直线形的混凝土拉应变软化曲线,在过程区各节点上设置无体积、无长度的虚拟弹簧,对少筋混凝土三点弯曲试件的断裂过程进行有限元数值分析。模拟了不同配筋率下少筋混凝土三点弯曲试件起裂、扩展、破坏的全过程,计算结果显示:配筋率对裂缝扩展有很大影响。