【摘要】：混凝土是一種主要起強(qiáng)度作用的多相復(fù)合材料,其用途之廣,用量之大,在國(guó)民生活中發(fā)揮著不可替代的作用。盡管混凝土材料應(yīng)用廣泛,但我們對(duì)其的認(rèn)識(shí)仍有不足,如含裂紋的混凝土地基、高樓建筑、橋梁、大壩、軍用防護(hù)設(shè)施等的使用評(píng)估;可能遭受諸如強(qiáng)晝夜溫差、強(qiáng)壓、強(qiáng)風(fēng)、撞擊、爆炸、地震等載荷作用的混凝土建筑結(jié)構(gòu)的評(píng)估。因此,研究混凝土的斷裂失效對(duì)于工程的建設(shè)與維護(hù)具有非常重要的意義。應(yīng)力強(qiáng)度因子(SIF)和T應(yīng)力是斷裂力學(xué)中的重要參量。本文詳細(xì)介紹了如何利用權(quán)函數(shù)法、超確定有限元法和相互作用積分法來(lái)求解含裂紋構(gòu)件的SIF與T應(yīng)力。并著重描述了基于擴(kuò)展有限元法(XFEM)的相互作用積分法,該方法更具一般性且計(jì)算精度非常高,可用于求解均質(zhì)材料、功能梯度材料以及含夾雜界面的非均質(zhì)材料在復(fù)雜工況的下裂紋尖端的SIF和T應(yīng)力。此外,本文詳細(xì)介紹了Ayatollahi等人修正的最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則(MMTS準(zhǔn)則),其中MMTS準(zhǔn)則是既考慮了裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)中的奇異應(yīng)力項(xiàng)(即SIF),又考慮了非奇異應(yīng)力項(xiàng)(即Williams級(jí)數(shù)中的T應(yīng)力、A3和B3項(xiàng))的最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則。利用MTS、GMTS和MMTS三種準(zhǔn)則對(duì)四種不同類(lèi)型試件(砂漿試件,小顆粒骨料混凝土試件,大顆粒骨料低強(qiáng)度混凝土試件,大顆粒骨料高強(qiáng)度混凝土試件)、不同形式裂紋(純I型,純II型以及I-II復(fù)合型)的混凝土中心裂紋的巴西圓盤(pán)(CCBD)試件的裂紋起裂角和斷裂阻力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。并對(duì)MTS、GMTS和MMTS準(zhǔn)則預(yù)測(cè)混凝土CCBD試件斷裂行為進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)MTS、GMTS準(zhǔn)則相比,MMTS準(zhǔn)則能夠更好地預(yù)測(cè)混凝土CCBD試件裂紋起裂角和起裂韌性,特別是針對(duì)II型載荷占主導(dǎo)地位的情況。采用權(quán)函數(shù)法和相互作用積分法研究了圍壓對(duì)CCBD試件的裂紋尖端SIF和T應(yīng)力的影響。結(jié)果顯示,權(quán)函數(shù)法和相互作用積分法的精度都是非常的高,兩者誤差很小。圍壓對(duì)T應(yīng)力和I型的SIF有重要影響,但對(duì)II型SIF無(wú)影響,大的圍壓將使裂紋趨于閉合。當(dāng)裂紋長(zhǎng)徑比和加載角為一定值時(shí),隨著圍壓的增大,I型SIF逐漸減小,而T應(yīng)力逐漸增大。純II型裂紋對(duì)應(yīng)的臨界加載角的大小取決于圍壓的大小,圍壓越大,臨界加載角越小,隨著圍壓系數(shù)逐漸增大到1,臨界加載角逐漸減小到0。
[Abstract]:Concrete is a kind of multiphase composite material, which plays an irreplaceable role in national life because of its wide application and large dosage. Although concrete materials are widely used, we still do not know enough about them, such as the assessment of the use of cracked concrete foundations, high-rise buildings, bridges, dams, military protective devices, etc., which may be subject to strong temperature difference between day and night, strong pressure, etc. Evaluation of concrete structures subjected to strong winds, impacts, explosions, earthquakes, etc. Therefore, it is very important to study the fracture failure of concrete for the construction and maintenance of engineering. Stress intensity factor (SIF) and T stress are important parameters in fracture mechanics. This paper introduces in detail how to solve the SIF and T stresses of cracked members by using the weight function method, the superdeterministic finite element method and the interaction integration method. The interaction integration method based on extended finite element method (XFEM) is described in detail. The method is more general and accurate, and can be used to solve homogeneous materials. The SIF and T stresses at the crack tip of functionally graded materials and heterogeneous materials with inclusion interfaces under complex working conditions. In addition, In this paper, the maximum tangential stress criterion (MMTS criterion) modified by Ayatollahi et al is introduced in detail, in which the MMTS criterion considers both the singular stress term in the stress field at the crack tip (that is, SIF), and the nonsingular stress term, that is, T in Williams series). Maximum tangential stress criterion for terms A _ 3 and B _ 3). Four different types of specimens (mortar specimen, small particle aggregate concrete specimen, large granular aggregate low strength concrete specimen, large particle aggregate high strength concrete specimen) and different types of crack (pure type I) were studied by using MTS GMTS and MMTS criteria. The crack initiation angle and fracture resistance of Brazilian disc (CCBD) specimen with center crack of pure mode II and I-II composite mode are investigated experimentally and theoretically. The fracture behavior of concrete CCBD specimens predicted by MTS- GMTS and MMTS criterion was compared and analyzed. The results show that compared with the conventional MTS- GMTS criterion, the MMTS criterion can better predict the crack initiation angle and fracture toughness of concrete CCBD specimens, especially in the case of mode II load dominating. The influence of confining pressure on SIF and T stress at crack tip of CCBD specimen was studied by weight function method and interaction integration method. The results show that the precision of the weight function method and the interaction integration method are very high, and the error between them is very small. Confining pressure has important influence on T stress and mode I SIF, but it has no effect on mode II SIF. Large confining pressure will make the crack close. When the ratio of length to diameter and the loading angle are certain, the mode I SIF decreases and the T stress increases with the increase of confining pressure. The critical loading angle of the pure mode II crack depends on the confining pressure. The larger the confining pressure is, the smaller the critical loading angle is. With the confining pressure coefficient increasing to 1, the critical loading angle decreases to 0.
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O346.1

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本文編號(hào)：2182227