小范围屈服条件下的应力强度因子

介绍了求解平面I型裂纹小范围屈服条件下有效应力强度因子的迭代法,在此基础上编写程序,计算出不同荷载试样的应力强度因子;结果表明:在文中所述的小范围屈服条件下,应力强度因子的迭代求解是收敛的。另外,本文还采用有限元法计算了小范围屈服条件下试件的塑性区尺寸、应力强度因子,结果表明数值解和理论解结合的比较好。     

应力吸收层对最不利位置上应力强度因子的影响

通过使用ANSYS有限元软件,对偏栽作用下设置应力吸收层的复合式路面最不利位置的应力进行了分析,结果显示设置应力吸收层能明显减小应力强度因子;并通过计算张开型裂缝(Ⅰ型)和剪切型裂缝(Ⅱ型)应力强度因子KⅠ与KⅡ,讨论应力吸收层对裂缝开裂方向的影响.     

基于防拱胀的水泥稳定基层层间结合状态研究

为了提高新疆部分地区道路基层使用寿命,预防水泥稳定基层沥青路面拱胀,实地取样三条出现水稳基层沥青路面拱胀等病害的高速公路,对其基层层间结合状态进行分析研究,系统研究了拉拔试验、直剪试验、抗弯拉强度试验与疲劳寿命试验对不同摊铺方式成型基层的层间结合状态影响,探讨在不同层间结合状态下,抗剪、拉拔、抗弯拉强度及疲劳寿命的大小及变化趋势。研究结果表明:大厚度一体化摊铺成型试件,其抗剪、拉拔、抗弯拉强度、疲劳寿命较于双层连续摊铺成型试件、双层间断成型试件更好,其中基层层间完全连续状态抗剪强度最高,分别比双层连续摊铺基层和双层间断摊铺基层高出59.3%、186%,层间完全连续试件抗拉强度最大,是双层连续摊铺基层抗拉强度2.22倍,双层间断摊铺基层抗拉强度最小,仅为完全连续试件32%;层间完全连续试件所能承受抗弯拉强度1.678 13MPa,相对于双层连续、双层间断试件分别提高1.84%、3.15%;在不同水平应力下,层间完全连续试件(Ⅰ型试件)其疲劳寿命都高于双层连续摊铺试件(Ⅱ型试件)及双层间断摊铺试件(Ⅲ型试件);随着水平应力的提高,各试件的疲劳寿命逐渐减少,水平应力的高低较为显著地影响路面材料的疲劳寿命及路面结构整体性能。     

基于分数阶导数沥青路面松弛应力强度因子分析

应用分数阶导数理论建立了沥青混凝土分数阶导数粘弹性应力强度因子本构方程,考虑沥青混凝土面层的松弛特性,对称荷载、非对称荷载和温度荷载的作用,通过数值计算的方法分析带反射裂缝沥青路面应力强度因子的松弛效应。结果表明:1)裂缝尖端应力强度因子KⅠ和KⅡ初始值随着荷载变形的大小而变化,初始形变值越大,松弛应力强度因子越大,初始形变对张开型应力强度因子KⅠ影响较大;KⅠ、KⅡ应力强度因子随时间的松弛程度可达30%以上;2)相同时间内温度降低越大,应力强度因子松弛趋势越明显;温降越大,Ⅰ型应力强度因子越大,松弛初始值越大,温降对KⅡ影响不太明显,说明温降越大越容易产生Ⅰ型裂缝。     

面外变形下钢桥的疲劳贯通裂纹扩展行为研究

为了解钢桥的疲劳贯通裂纹在面外变形作用下的发展规律,对其扩展行为进行研究。制作双轴对称长方形钢板试件进行面外变形疲劳试验,选取5种应力比(0、-0.25、-0.5、-0.75、-1)进行加载,得到应力比为-1时的裂纹前沿为V形,其他应力比时裂纹前沿基本以1/4椭圆状为主。将得到的裂纹前沿引入到数值模型中,对应力比为-1与0时的裂纹扩展情况进行数值分析,通过J能量积分法计算得到沿不同裂纹前沿的应力强度因子分布。结合既有应力强度因子计算公式和数值计算结果,提出基于实际裂纹前沿的面外变形作用下的疲劳裂纹应力强度因子计算公式修正系数,针对不同的裂纹长度建议在0.43~0.54取值。     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹扩展特性及加固方法研究

针对钢桥面板纵肋对接焊缝中典型的疲劳开裂情况,为研究萌生于该处的疲劳裂纹在后期扩展过程中所表现的特征,以及根据其扩展机理采用在纵肋底板栓接钢板的加固效果的评估,利用Ansys软件建立了纵肋对接焊缝处的疲劳裂纹有限元模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法得到的裂纹前缘应力强度因子来对研究对象进行分析。结果表明:纵肋对接焊缝处疲劳裂纹的扩展过程中Ⅰ型应力强度因子KⅠ与等效应力强度因子Keff之间数值差距很小,Ⅰ型(张开型)开裂模式在扩展过程中占主导地位;Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展尺寸的增加一直处于增大的趋势,由于应力强度因子是裂纹扩展速率的主要参量,疲劳裂纹扩展速率随着裂纹扩展的进行而逐渐增大;通过对纵肋底板栓接钢板加固措施的理论分析,该加固方法能够大幅改善纵肋对接焊缝疲劳裂纹前缘的应力强度因子,使疲劳裂纹的扩展得到有效控制。     

UHPC单轴受压力学性能及本构关系研究

为了解纤维掺量不同的超高性能混凝土(UHPC)试件单轴受压力学性能,考虑PVA纤维、钢纤维及其混杂纤维的掺量及水胶比,制作4组普通混凝土试件和11组UHPC试件进行单轴受压试验,分析各组试件单轴受压破坏形态、韧性等受力特性,并根据试验结果研究UHPC受压本构关系。结果表明:随着纤维掺量的增加,试件的破坏形态由脆性向塑性转变,UHPC试件开裂后韧性增加,相较未掺纤维的韧性指数I_(1.5)、I_(2.0)、I_(3.0)均提高为原来的1.6倍以上;相同纤维掺量下,钢纤维对UHPC的阻裂效果优于PVA纤维。经无量纲化处理的UHPC受压应力～应变曲线具有明显的非弹性段,纤维掺量较高时部分试件的曲线会出现应力台阶;所提出的UHPC开裂变形计算方法可避免常规作图法人为因素的影响,UHPC受压本构模型考虑了纤维种类及掺量,能较好地模拟各纤维掺量下的结构受力。     

正交异性钢桥面U肋横梁相交处疲劳寿命的估算

为估算正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命,以某新建铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件为研究对象,建立两个阶段有限元模型进行了计算分析。通过应用ANSYS有限元软件建立铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件整体模拟,对比分析了正交异性钢桥面U肋横梁相交处的应力和位移计算值与足尺试件相应部位的试验值,发现正交异性钢桥面有限元计算值与足尺试件试验值吻合的很好。在此基础上,采用子模型技术建立了正交异性钢桥面U肋与横梁相交处带椭圆形裂纹的二阶段模型,将退化奇异单元布置在椭圆形裂纹前沿,通过位移外推得到了不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子,得到不同裂纹深度与应力强度因子的关系曲线,分析了应力强度因子随裂纹扩展深度的变化规律。基于初始裂纹尺寸合理判定,将应力强度因子数值与裂纹尺寸的函数关系式代入疲劳裂纹扩展模型Paris公式,逐步数值积分得到正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命。计算结果与试验结果进行了比较,发现初始裂纹尺寸为0.1 mm时,计算结果与试验结果最为接近。不同初始裂纹尺寸的裂纹扩展曲线表明位于U肋与横梁相交位置裂纹的疲劳寿命主要消耗在开裂初期,后期裂纹扩展寿命对疲劳寿命贡献不大,这可以解释试验中观察到疲劳裂纹萌生、发展的现象。     

沥青面层反射裂缝荷载型应力强度因子回归分析

针对目前对沥青路面的开裂机理研究仅属于定性分析的情况,采用断裂力学理论,通过适当的条件假定,建立了带裂缝的沥青路面结构4层体系平面应变分析模型,对正对称荷载与偏荷载作用下、4种极限层间结合状态所对应的沥青面层反射裂缝张拉型应力强度因子KⅠ与剪切型应力强度因子KII进行了回归和分析。结果表明:在各裂缝扩展比例下,张拉型应力强度因子与剪切型应力强度因子同各结构层参数能够呈很好的幂函数关系,可采用分段回归方法和幂函数乘积的形式对应力强度因子进行回归,给出了回归参数,经过检验,回归精度能够满足实际工程精度要求。     

正应力条件下沥青混合料扭转剪切试验方法研究

针对现有沥青混合料剪切试验方法的不足,对国内外沥青混合料抗剪性能试验方法进行研究分析,提出了一种新的正应力条件下的扭转剪切试验方法。其原理是通过千斤顶对试件均匀施加正应力,同时再通过齿条和齿轮将竖向力转化成扭矩,使圆柱体沥青混合料试件处于压剪状态。建立三维有限元模型进行理论分析,得出试件内部的剪应力分布,表明试件破坏状态为剪切破坏。对两种沥青混合料在不同温度和不同正应力条件下进行扭转剪切试验,结果表明混合料的抗剪强度随着温度的升高急剧降低,混合料的抗剪强度与正应力呈线性增长关系,符合摩尔-库伦强度理论。根据摩尔-库伦理论线性回归得到混合料的黏聚力和内摩擦角,将其与其他3种试验方法结果进行比较,表明该试验方法具有较好的可行性和可靠性,可以有效地评价沥青混合料剪切性能。     

岩石异向性破裂韧度之研究

岩体地下工程和边坡工程中往往会发生模态Ⅲ型加载下的岩石破坏,模态III型破坏之应力强度因子的发展与研究有利于了解岩石破坏行为。在现今学者研究各种试验方法中,较多围绕在模态I、II型和I+II复合型裂缝破坏展开,对于模态III型裂缝破坏的研究还处于初级阶段。提出一套单域边界元素法(或称对偶边界元素法),结合异向性线弹性理论,藉以Fortran语言撰写成程序,针对异向性岩石于模态III型之破坏,探讨岩石中裂缝前缘之应力强度因子。主要讨论横向等向性材料在不同裂缝长度、材料宽度、材料层面倾角以及上述情况于不同之异向性程度的影响下,其应力强度因子KI、KII、KIII的变化,并以KIII值做进一步的讨论。     

BFRP约束损伤混凝土柱轴压力学性能试验研究

为了研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)约束有初始损伤的混凝土圆柱体的轴压力学性能,对26个直径150mm、高300mm的圆柱体试件进行了轴压试验,包括24个BFRP约束混凝土试件和2个素混凝土试件。研究的主要参数是BFRP约束层数(1、3、5层)和试件初始损伤程度。其中18个混凝土试件在包裹BFRP之前分别轴压加载至3种不同的应力水平然后卸载,分别代表轻微、中等和严重损伤。试验结果表明:BFRP约束完好及初始损伤混凝土试件相比于素混凝土试件,峰值强度和极限应变均有明显提高,初始损伤会影响BFRP约束试件的峰值强度,但对极限应变影响很小。在试验结果的基础上,提出了一个修正强度模型和应变模型来预测初始损伤对BFRP约束混凝土柱轴压力学性能的影响,预测值与试验结果吻合较好。     

基于不同搅拌方式下的水泥稳定碎石力学性能及细观结构研究

搅拌工艺对水泥稳定碎石的力学性能有较大影响。为了分析振动和非振动搅拌技术对水泥混凝土的力学性能和细观结构的影响,文章采用不同的搅拌工艺制备试样进行研究。采用CT试验分析了水泥砂浆在粗集料表面的分布情况;通过开展不同应力状态下的强度、模量和疲劳试验来揭示搅拌技术的影响;分别建立了强度随加载速率和模量随应力水平的变化规律,采用与加载速率相关的应力比修正的S-N疲劳方程来表征其疲劳性能。研究结果表明,振动搅拌技术制备的水泥稳定碎石试件的砂浆在骨料中分布更加均匀,密实型更高;在相同的试验条件下,振动搅拌制备的水泥稳定碎石试件的强度、模量和疲劳寿命均高于非振动搅拌成型的试件;振动搅拌制备的试件的强度和模量随加载速率的增长速率更高;与非振动搅拌制备的水泥稳定碎石试件相比,振动搅拌制备试件的疲劳寿命应力敏感性更加稳定。     

有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。     

正交异性钢桥面板的贯穿型疲劳裂纹扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处贯穿型裂纹的应力强度因子和扩展行为,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC 3D交互技术,建立了钢桥面顶板焊缝处贯穿型裂纹的数值分析模型,开展了不同初始长度贯穿裂纹应力强度因子的分析和单一长贯穿型裂纹扩展模拟的研究。对比分析了顶板与U肋焊缝细节处不同长度贯穿型裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了初始裂纹尺寸与基础裂纹的应力强度因子之间的变化规律,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ对单一长贯穿型裂纹扩展的影响。数值分析结果表明：在规定荷载作用下,基础裂纹尺寸与初始应力强度因子成正比;随着贯穿型裂纹的桥纵向开裂,扩展趋势稳定;对比只考虑I型开裂贯穿型裂纹,引入K_Ⅱ、K_Ⅲ贯穿型裂纹扩展速率明显减缓：贯穿裂纹初始长度相同的情况下,仅考虑K_I的裂纹平均扩展速率为4.097 mm·c^-5,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ的裂纹平均扩展速率为1.565 mm·c^-5,扩展速率抑制效果明显。     

基于WIM数据和断裂力学方法的钢桥疲劳强度评估

为了准确评估钢桥焊接结构的疲劳强度,基于断裂力学K判据对于高周疲劳的适用性分析,采用Pairs公式并结合有限元方法和G*积分理论,计算获得了钢桥典型构造细节的应力强度因子表达式。结果表明:钢桥棱角焊缝构造细节和T形接头对接焊缝构造细节的应力强度因子均与结构裂纹尺寸密切相关,其表示式可以由裂纹尺寸、工作应力及结构尺寸等参数联合表达。以构造细节的应力强度因子为基础,计算得到了典型构造细节的等效200万次疲劳强度,并与各国规范及疲劳试验结果进行了对比分析。结果表明:采用断裂力学方法获得的疲劳强度结果与规范值及试验值均吻合良好,对应棱角焊缝构造细节的计算偏差基本在10%以内;对应T形接头对接焊缝细节的计算偏差在20%以内,且T形接头构造细节的疲劳强度远低于棱角焊缝构造细节的疲劳强度,设计和施工中需引起重视。基于坝陵河大桥动态称重系统实测数据,计算获得了钢桁梁节点构造的等效应力幅,并采用上述断裂力学方法评估了该节点构造的疲劳强度和寿命。通过坝陵河大桥节点疲劳模型试验,进一步验证了该方法在钢桥疲劳强度评估上的适用性,研究成果可为钢结构桥梁的强度评估提供借鉴和参考。     

成型方式对钢纤维混凝土力学性能的影响

选取钢锭铣削型(700级)和端钩钢丝型(1000级和1300级)钢纤维,采用两种成型方式获得钢纤维混凝土力学试件,研究钢纤维类型、掺量及成型工艺对混凝土力学性能的影响,采用CT技术研究圆柱体和长方体试件中的钢纤维分布形态。研究结果表明:随着基体强度提高,钢纤维对混凝土初裂弯拉强度的增强效果减弱,对极限弯拉强度改善作用的增强趋势几乎不受影响。在提高初裂弯拉强度方面,钢锭铣削和超高强(1300级)钢丝较优;在提高极限弯拉强度和弯曲韧性方面,钢丝切断型要优于钢锭铣削型。钢纤维对室外切割成型试件力学性能的提高效果大于室内试模成型试件力学性能的提高效果,建议面板类钢纤维混凝土力学试验所需试件采用板块浇筑、切割成型的方式获取。     

钢纤维混凝土断裂性能的试验研究

钢纤维混凝土由于能有效地改善混凝土材料的力学性能,在道路工程中得到了较多的应用。文中对钢纤维混凝土在不同纤维含量、不同试件宽度以及不同初始裂缝深度下的断裂性能进行了试验研究。研究表明钢纤维混凝土的临界应力强度因子KIc和临界J-积分JIc与试件宽度无关,但随着初始裂缝深度的增加而减小。     

冰劈效应对沥青路面表面裂纹的影响研究

为得到路表凝冰对沥青路面表面裂纹的影响,采用断裂力学及温度场理论计算了温度场作用下、冰劈和温度场同时作用下沥青路面Top-Down裂缝尖端应力场分布。结果表明:Top-Down裂尖应力强度因子随温度变化显著,裂尖张开型应力强度因子约为滑开型应力强度因子的4.4倍,裂纹在温度作用下以张开型开裂为主,Top-Down开裂主要是温度梯度的作用,温度梯度越大,开裂趋势越明显;考虑冰劈效应后,张开型应力强度因子最大值为154.7 k Pa*m1/2,滑开型应力强度因子最大值为85.1 k Pa*m1/2,应力场强度分别较温度单独作用下提高了36.5%和230%,路表凝冰对Top-Down裂纹扩展贡献相当。