循环加载试验中岩石单轴抗压强度的影响及洄溯测算法

由于岩石疲劳分析中岩样间的个体差异较大,常导致上限应力比计算不准,S与lnN之间的定量关系难以确立,因此准确地估算出岩样强度对于疲劳分析至关重要。首先,基于岩石大样本单轴压缩试验数据及S—N方程,研究了误差传播规律,分析了岩样的个体差异对于疲劳寿命的影响。可知,误差从单轴抗压强度传播至上限应力比,再从上限应力比传播至疲劳寿命,其数值急剧膨胀,单轴抗压强度很小的标准差就会产生疲劳寿命的极度离散,所以疲劳分析中必须使用岩样的强度;其次,构造一个修正回归峰值本构模型,提出了以曲线拟合法估算岩样单轴抗压强度的思路。由静态加载试验数据的拟合结果可知,该本构模型的拟合效果好,估算得出的单轴抗压强度非常接近真实值。最后,基于循环加载试验静态加载段的数据,运用曲线拟合法,分析了4个岩样的等精度试验数据。可知,各试样的单轴抗压强度各不相同,单轴抗压强度越大,则上限应力比越小,疲劳寿命也越高,S与lnN之间具有明确的线性规律。因此,用修正回归峰值本构模型估算岩样真实强度,修正上限应力比的方法,克服了常规疲劳分析法的固有缺陷。     

基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现:①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

混凝土单轴动态强度理论的探讨

在分析相关试验结果的基础上,系统地对混凝土在单轴动态加载下的强度特征进行了研究分析。结果表明,不仅加载速率对动态强度有着重要的影响,加载速率对材料弹性参数的影响也很大。结果显示:①混凝土在加载初始阶段,应力—应变表现为线性关系,可认为混凝土处于弹性阶段;随着压力的增加,混凝土产生非线性变形,并出现峰后应力下降;②混凝土的抗压极限强度随着加载速率的增加而增加;③混凝土的弹性模量随着加载速率的增加而提高,而泊松比保持不变。最终提出了一种改进的弹性损伤动态强度的本构理论。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

桥梁吊索高强钢丝疲劳裂纹扩展试验与数值模拟

反复车辆荷载作用下,斜拉桥斜拉索及拱桥吊杆疲劳损伤问题日益严重。针对大跨桥梁中常用的镀锌高强钢丝,开展了应力比R分别为0.1、0.2、0.3的疲劳裂纹扩展试验,研究了应力比及应力幅对钢丝疲劳裂纹扩展性能的影响,每种应力比下的应力幅分别为140.4、152.1、163.8、175.5MPa。采用分步加载方法,设计不同加载应力幅在试件断裂面留下裂纹扩展时的条纹特征,利用光学显微镜对疲劳断口的疲劳条纹进行观测,得到了不同应力比下裂纹扩展深度与疲劳循环次数的a—N曲线,拟合了高强钢丝的疲劳裂纹扩展速率模型。试验结果表明:钢丝疲劳裂纹呈三阶段扩展,随着应力比R的增大,Paris公式中参数C变小,m变大。运用有限元软件ABAQUS模拟了裂纹扩展过程,定量分析了裂纹扩展径向与表面方向的关系,试验结果与有限元结果吻合较好。试验得到的疲劳裂纹扩展速率曲线,可用于大跨桥梁吊索的抗疲劳、防断裂设计及疲劳寿命评估。     

悬索桥主缆索寿命期内可靠度指标确定方法∗

以某工程为背景,应用Midas civil并基于主缆面积、弹性模量和极限强度的时变模型对主缆进行腐蚀模拟,其后,在车辆疲劳荷载作用下得到疲劳应力幅,并对Manson-Coffin公式进行修正得到主缆在寿命期内的S-N曲线,由此估算出主缆关键位置在寿命期内的疲劳寿命,利用Matlab编制主缆关键位置在寿命期内的失效概率和可靠度指标计算程序。研究表明:除锚固和索塔位置外,主缆其它位置应力均呈对称分布;在寿命期为100年时,索塔位置疲劳应力幅变化量最大,锚固位置疲劳寿命最低且可靠度指标退化最快;主缆可靠度指标与使用年限、当地环境、主缆长度以及基准长度存在一定关系,最终给出了悬索桥主缆索在腐蚀条件下的可靠度指标计算公式。     

低温环境下桥梁用结构钢疲劳寿命估算方法

在现有研究成果的基础上,基于断裂力学理论提出了适用于桥梁结构钢的低温疲劳寿命估算方法。利用室温环境下的疲劳性能参数和低温环境的基本力学性能参数对低温环境下的疲劳极限、疲劳裂纹扩展门槛值等进行预测,建立疲劳裂纹扩展速率模型,应用等效初始裂纹法估算低温环境下桥梁钢的疲劳寿命,并通过塑性区裂纹尺寸修正进行低周疲劳寿命预测。通过算例表明,该方法能够较为准确的预测Q345qD钢试件的拉伸疲劳寿命,从而避免了成本高昂的低温疲劳试验,为钢结构桥梁的低温疲劳分析提供简便而实用的依据。     

水-岩作用下砂岩微细观结构变化特性及机理研究

为了较好地分析水-岩作用下库岸边坡消落带岩体的劣化机理,设计进行了考虑库水压力升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验。研究结果表明:(1)在水-岩作用过程中,砂岩的单轴抗压强度劣化趋势明显,其中前6期抗压强度劣化趋势较为显著,6次水-岩作用之后,岩样的强度劣化趋势逐渐趋于缓慢。(2)随着水-岩作用周期的增加,岩石内部孔隙、裂隙逐渐发育、汇集,矿物颗粒逐渐软化、分解,使得岩石微观结构逐渐趋于松散。(3)水-岩作用下砂岩劣化的进程中,首先是岩样中胶结物的溶解、溶蚀,然后是失去胶结物包裹的矿物颗粒表面发生水-岩物理化学作用,最后是矿物颗粒本身软化、分解。(4)水-岩作用过程中,岩样内部胶结物的溶解、溶蚀对水-岩作用前期的宏观力学性质影响明显,岩石矿物颗粒本身的软化、分解对水-岩作用后期的力学性质影响明显。相关研究成果可为库岸边坡消落带水-岩作用机理分析提供较好的参考。     

呼玛河冰灾害试验研究

为了了解高寒地区水工建筑物受春季流冰的威胁程度，选取呼玛河冰为研究对象。通过一系列单轴无侧限抗压强度试验，就温度与加载速率对河冰抗压强度、应力-应变关系、弹性模量的影响进行了研究。利用统计分析与曲线拟合，得出了抗压强度与温度间的相关关系。在呼玛大桥现场进行了流冰撞击桥墩的动态测量，取得了相应的实测数据，为研究冰-结构相互作用提供了有用的资料。     

不同应力-温度路径下平面钢框架火灾反应的非线性分析

采用考虑温度—应力路径影响的高温下钢材的应力—应变关系,对火灾中钢框架结构的反应进行了非线性分析,旨在尝试提出一种更加符合实际情况的钢结构抗火反应分析新方法。根据已有的试验结果,对高温材性试验数据进行了回归分析,得到了Q235钢在升温恒载、升温加载、升温降载3种基本应力—温度路径下单向拉压时的本构关系式,进而得到不同应力—温度路径下热非弹性应力—应变增量关系式。利用虚功原理,推导出不同应力—温度路径下平面钢框架有限元分析的单元热非弹性刚度方程的显式。同时,对增量迭代法进行了修正,提出升温恒载路径、升温加载路径及升温降载路径3种路径之间切换的判断准则,为结构抗火全过程分析提供了理论基础。     

高强再生混凝土应力-应变全曲线试验研究

再生混凝土的本构关系是再生混凝土结构抗震设计与计算的关键问题之一,本构关系确定的试验依据是应力-应变全曲线,但是目前亟待研究的高强再生混凝土应力-应变全曲线的试验很少。为研究高强再生混凝土单轴受压应力-应变本构关系,制备了水胶比为0.32的再生混凝土,试件进行了16个100×100×300mm再生混凝土棱柱体试块的单轴受压应力-应变全曲线试验,分析了再生粗骨料置换率对高强再生混凝土应力-应变本构关系的影响。试验表明:高强再生混凝土应力-应变全曲线下降段脆性明显,再生粗骨料掺量较低时会出现应力台阶;随着再生粗骨料置换率增大,高强再生混凝土强度、弹性模量呈下降趋势,峰值应变小幅度增大,极限应变先增大后减小;拟合了试验所得应力-应变全曲线,效果较好。     

基于Weibull分布的脆性岩石峰后应力-应变曲线特征及其统计损伤模拟方法

作为一种非均质且内部缺陷分布具有强烈随机性的地质材料,脆性岩石的应力-应变全过程曲线始终是工程界十分关注的问题,其合理的本构模型是保证岩石工程稳定性控制和安全预测的关键因素。针对目前统计损伤软化本构模型难以较好地模拟脆性岩石峰值强度之后应力跌落过程,首先,根据理论模型分析可知脆性岩石峰后应力-应变曲线特征主要取决于损伤变量D的变化规律,由峰值点法获得的Weibull分布参数m和F₀使理论模型在模拟脆性岩石峰值强度之后应力跌落过程中存在强烈的随机性。然后,在继承已有岩石损伤模型的优越性基础上,引入参数λ和η,提出新型脆性岩石损伤模型,从而建立脆性岩石变形破裂过程统计损伤模拟方法,并给出了模型参数的确定方法。最后,通过参数分析及模型验证表明,参数λ与分布参数m对损伤演化规律产生的影响一致,参数η与分布参数F₀对损伤演化规律产生的影响接近相同,本文模型不仅能够较好地模拟脆性岩石峰值强度之前前变形过程,也能够明显缩小峰值强度之后应力跌落过程与试验曲线的偏离程度,本文模型和方法具有一定的合理性与可行性。     

冰试样动态冲击破坏力学特性实验研究∗

为了进一步探究冰材质动态冲击破坏力学特性,通过分离式 Hopkinson压杆（SHPB）试验装置,采用快速加载、 杆端降温与波形整形技术,保证冰材质的稳定性并实现了加载过程中的动态应力平衡,分析了应变率、温度、长径比、 冻藏时间对冰力学特性与破坏模式的影响。结果表明：在 100 s^-1 ~500 s^-1 的应变率范围内,冰的动态单轴抗压强度与应变率呈现明显的正相关性;小长径比冰温度越低,抗压强度越大,且这种特性会受到应变率的影响;大长径比冰抗压强度随温度的下降而下降,这与体积大导致冰试样受冷不均,内部预应力增大有关;稳定无预应力冰,短冻藏时间会使其强度下降;温度、长径比对冰弹性模量影响明显,小长径比冰弹性模量随温度下降而增大,大长径比冰弹性模量随温度下降而减小;应变率是影响冰材质破坏模式的主要因素,随着应变率的上升,冰材质达到破坏时的轴向裂纹明显增加,形成的破碎产物尺寸明显变小。     

锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验与本构关系模型∗

为了研究揭示锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压特性,基于36组锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验,获得了不同锈蚀程度箍筋约束混凝土的应力—应变曲线试验数据,分析了箍筋质量锈损率对约束混凝土的峰值应力、峰值点应变、极限应变以及破坏形态的影响规律,并分别建立相应的计算模型,进而研究提出了锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压本构关系模型。结果表明:随着箍筋质量锈损率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值点应变和极限应变逐渐降低;箍筋体积配箍率越小,箍筋质量锈损率对峰值应力和极限应变的影响越显著;当箍筋质量锈损率分别超过15%、10%和30%左右时,大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂;锈蚀箍筋约束混凝土单轴受压本构关系模型的计算值与试验数据吻合较好,说明该模型能够合理描述箍筋锈蚀程度对约束混凝土单轴受压应力—应变曲线的影响规律。     

考虑Weibull分布的饱和风积土统计损伤硬化模型研究

为能更好地揭示复杂应力状态下饱和风积土变形过程的损伤本构关系,引入服从Weibull随机分布的饱和风积土微元强度统计损伤理论,基于饱和风积土常规三轴全应力—应变试验曲线,构建能够模拟特定围压环境下饱和风积土变形全过程的统计损伤硬化本构模型。通过拟合分析基于Weibull分布的饱和风积土统计损伤本构模型参数m、F0与围压σ3之间的关系,对其参数进行科学修正,从而构建出能够更客观地描述在复杂应力环境中的饱和风积土统计损伤硬化模型。理论与试验对比研究结果表明该模型具有一定的可靠性,不仅能客观地描述饱和风积土变形的全过程,更能真实地描述孔隙水压力对饱和风积土工程特性的影响。     

分级加卸载下深部巷道围岩蠕变特性试验研究

采用分级增量循环加卸载方式,对湖南湘煤集团牛马司矿业公司水井头煤矿-300m东大巷二煤层底板粉砂岩进行了单轴蠕变特性试验,探讨了轴向蠕变和各蠕变阶段的非线性粘弹塑性变形特征。试验结果表明,当应力水平低于岩石的长期强度时,粉砂岩只发生衰减蠕变;瞬时塑性应变和粘塑应变随轴向应力的增大而增大,瞬时弹性模量随应力水平增大而增加,而变形模量随应力水平增大和时间的增长逐渐减小,直至趋于某一稳定值;随着应力水平增大,粘弹性应变、粘塑性应变和总蠕变均先减小然后增大,表明低应力下因岩石内部微裂纹不断压密产生应变硬化,高应力下因岩石材料性质不断劣化产生内部损伤发生应变软化。     

高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型∗

全寿命周期内风荷载长期作用下,钢结构中的钢材和节点将出现不同程度的累积损伤。风致疲劳损伤后结构的抗震能力必然发生相应变化,而疲劳累积损伤条件下的材料和节点剩余力学性能模型,是准确开展损伤后结构抗震性能评估的关键。鉴于此,通过贝叶斯理论,建立基于物理机制的钢材强度退化模型分析方法。首先,收集高周疲劳预损伤钢材强度退化的试验数据,并选取常用的强度退化模型,通过贝叶斯更新准则确定了退化模型参数的后验估计值。其次,基于钢材强度退化模型,给出了确定风致疲劳劣化焊接梁柱节点弯矩和转角骨架曲线的分析方法。结果表明：(1)疲劳累积损伤条件下的传统钢材强度退化模型离散性大,且缺少必要的数学和物理依据,而基于贝叶斯理论的强度退化模型可有效弥补这一缺陷;(2)相同试验数据,不同强度退化模型得到的结果差异性较大,且不存在普遍适用的最优模型。通过贝叶斯理论建立的钢材强度退化模型,可有效考虑材料型号、试件尺寸、疲劳荷载模式和加载机制等多种因素对试验结果的影响,且可借此反映风致累积损伤对结构性能退化的影响,有助于提高风致疲劳损伤后高层钢结构建筑地震风险评估结果的可靠性。     

化学溶蚀及冻融循环作用下砂岩的力学特性研究∗

选取云南的砂岩作为试验岩样,研究砂岩经过化学溶蚀及冻融循环作用下的力学特性。通过对砂岩在3种水化环境(PH=3的HCl溶液、PH=7的水溶液、PH=12的NaOH溶液)作用后分别进行循环冻融试验,并在不同冻融循环温度 (-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃、-50 ℃)作用下对试样进行单轴压缩试验和三点弯曲试验。结果表明：砂岩经过化学溶蚀和冻融循环作用下的劣化损伤模式主要受冻融循环温度及不同水溶液影响,在不同的水溶液中,单轴抗压强度、弹性模量、应力峰值和断裂韧度均随着冻融循环温度的降低而逐渐降低;HCl溶液浸泡后的砂岩损伤变量最大,而在对砂岩有修补作用的NaOH溶液中出现了负损伤的变化。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

钢桥十字形焊接细节应力强度因子的参数敏感性研究∗

焊接细节断裂参数与其疲劳裂纹扩展和疲劳性能直接相关,为探讨几何参数和裂纹参数对应力强度因子的影响规律,选取十字形焊接细节为研究对象。借助ANSYS软件建立了含半椭圆形裂纹的三维断裂力学模型,基于位移法分析了应力强度因子,讨论了几何参数（焊缝尺寸、板厚、对接焊缝参数）和裂纹参数（裂纹尺寸和裂纹形状比）对其的影响规律,拟合了裂纹形状修正系数函数。研究结果表明：（1）应力强度因子随对接焊缝余高和腹板板厚的增大而逐渐减小,而基本不受焊脚尺寸、翼缘板板厚和对接焊缝宽度的影响;（2）应力强度因子随裂纹形状比的增大而先增大后逐渐减小,但是随裂纹尺寸的增长而逐渐增大;（3）裂纹形状比和裂纹尺寸对应力强度因子影响最为显著,其影响幅度达18.0%。