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混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究

混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究

出版社：科學出版社出版時間：2021-11-01
開本： B5 頁數(shù)： 236
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混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究 版權信息

混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究 內容簡介

本著作基于含初始損傷混凝土的力學試驗，研究了混凝土的損傷及非線性徐變特性，構建混凝土徐變損傷耦合模型，研究了面板混凝土在不同持續(xù)荷載水平下的徐變損傷規(guī)律，及混凝土面板運行期損傷徐變特性；引入水化度及等效齡期概念，建立了混凝土面板溫度場及溫度應力耦合計算模型，研究了混凝土面板早期溫度裂縫的分布情況及其擴展過程；基于XFEM探討了裂縫很好應力強度因子的變化規(guī)律，模擬了水壓力作用下裂縫的擴展過程；通過試驗研究分析了混凝土不同傾角初始裂紋在靜水壓力下的擴展規(guī)律。

混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究 目錄

目錄
總序一
總序二
總序三
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 研究進展 2
1.2.1 混凝土徐變特性研究 2
1.2.2 混凝土損傷特性研究 3
1.2.3 混凝土面板開裂研究 5
1.3 本書主要內容 6
參考文獻 7
第2章 混凝土徐變及損傷相互作用試驗研究 12
2.1 引言 12
2.2 混凝土無損檢測方法比選 13
2.2.1 混凝土無損檢測方法基本原理 13
2.2.2 試驗方案設計 16
2.2.3 結果分析 20
2.3 初始損傷對混凝土單軸壓縮性能影響試驗 26
2.3.1 試驗方案設計 26
2.3.2 結果分析 32
2.4 混凝土非線性徐變試驗 40
2.4.1 試驗方案設計 40
2.4.2 結果分析 46
2.5 本章小結 61
參考文獻 62
第3章 荷載持續(xù)作用下混凝土面板徐變損傷特性 64
3.1 引言 64
3.2 混凝土徐變損傷耦合模型 65
3.2.1 混凝土徐變損傷耦合模型的建立 65
3.2.2 損傷變量演化方程的構建 66
3.2.3 混凝土徐變損傷耦合模型程序開發(fā) 68
3.3 不同水平荷載持續(xù)作用下混凝土徐變損傷發(fā)展規(guī)律 80
3.3.1 高水平荷載作用下混凝土徐變變形特征 80
3.3.2 計算方案 81
3.3.3 計算模型及計算參數(shù) 82
3.3.4 結果分析 83
3.4 混凝土面板運行期徐變損傷特性 102
3.4.1 工程概況 102
3.4.2 計算工況及加載過程 102
3.4.3 有限元計算模型及計算參數(shù) 103
3.4.4 結果分析 105
3.5 本章小結 107
參考文獻 108
第4章 考慮水化度影響的混凝土面板溫度裂縫數(shù)值仿真分析 111
4.1 引言 111
4.2 混凝土面板溫度場及溫度應力場子程序開發(fā) 111
4.2.1 溫度場計算基本理論 111
4.2.2 溫度場及溫度應力場計算子程序編寫 114
4.3 考慮水化度影響的混凝土面板溫度場及溫度應力場 124
4.3.1 工程概況 124
4.3.2 壩址區(qū)氣溫資料 124
4.3.3 計算參數(shù) 125
4.3.4 計算方案 126
4.3.5 計算模型 126
4.3.6 溫度場結果 127
4.3.7 溫度應力場結果 144
4.4 考慮溫度作用的混凝土面板開裂數(shù)值仿真 150
4.4.1 混凝土面板初始微裂縫形成機理 151
4.4.2 擴展有限元法基本原理 153
4.4.3 工程實例分析 158
4.5 本章小結 161
參考文獻 161
第5章 水壓力作用下混凝土面板裂縫擴展特性 164
5.1 引言 164
5.2 混凝土面板裂縫尖端應力強度因子變化規(guī)律 165
5.2.1 混凝土斷裂力學基本原理 165
5.2.2 裂縫尖端應力強度因子計算方法 170
5.2.3 裂縫尖端應力強度因子變化規(guī)律 173
5.3 水壓力作用下混凝土面板裂縫擴展分析 181
5.3.1 混凝土面板不同初始裂縫傾角擴展規(guī)律 181
5.3.2 多段水力裂縫的縫間干擾模擬分析 187
5.3.3 水力裂縫與微裂縫相交模擬分析 193
5.4 靜水壓力作用下含初始裂縫混凝土軸壓試驗 203
5.4.1 試驗設計 203
5.4.2 混凝土試件應力-應變曲線分析 205
5.4.3 混凝土試件峰值強度分析 207
5.4.4 混凝土試件應變軟化性能分析 209
5.4.5 混凝土破壞形態(tài)及裂縫擴展規(guī)律分析 210
5.5 本章小結 215
參考文獻 216
第6章 結論與展望 218
6.1 結論 218
6.2 展望 219
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混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為研究 節(jié)選

第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 混凝土面板堆石壩(concrete face rockfill dam，CFRD)具有良好的適應性、安全性和經(jīng)濟性，在國內外得到廣泛應用，是壩工建設的首選壩型[1-5]。目前，世界已建混凝土面板堆石壩近400座[6]，我國的數(shù)量*多，占總量的近一半。世界已建典型面板堆石壩包括我國湖北省水布埡面板堆石壩(壩高233m，目前世界*高)、湖南省三板溪面板堆石壩(壩高185.5m)、貴州省洪家渡面板堆石壩(壩高179.5m)、廣西壯族自治區(qū)天生橋一級面板堆石壩(壩高178m)、四川省紫坪鋪面板堆石壩(壩高156m)和新疆維吾爾自治區(qū)吉林臺面板堆石壩(壩高157m)等，以及馬來西亞Bakun面板堆石壩(壩高205m)、墨西哥Aguamilpa面板堆石壩(壩高187m)、巴西Barra Grande面板堆石壩(壩高185m)和Campos Novos面板堆石壩(壩高202m)、冰島Karahnjukar面板堆石壩(壩高198m)等。面板堆石壩的建設正在向超高壩發(fā)展，壩高由200m級向300m級跨越。我國在交通不便、土料匱乏、石料豐富的高山峽谷地區(qū)，規(guī)劃建設了多座超高(300m級)混凝土面板堆石壩[7-9]，如古水、如美、馬吉及茨哈峽混凝土面板堆石壩。這些超高混凝土面板堆石壩的建設通常面臨復雜地形/地質條件、高地震烈度等惡劣條件的挑戰(zhàn)。大壩一旦遭到破壞，不僅會造成重大的經(jīng)濟損失，對下游形成的次生災害還將對人民生命財產(chǎn)造成難以估量的損失。 混凝土面板堆石壩以堆石體作為支撐結構，承擔著向下游堆石體傳遞水壓及大壩防滲的重任，是面板堆石壩設計、施工、運行管理過程中*關鍵的對象，對大壩的安全運行起著決定性作用。從空間結構看，混凝土面板的長度較長、寬度較小、厚度很小，是一塊長條形的薄板，屬于薄壁結構。在水壓、堆石體變形、溫度變化、凍融等外部作用引起的結構應力、溫度應力、干縮應力作用下，面板容易發(fā)生損傷，甚至開裂破壞。國內外混凝土面板堆石壩工程實例表明，面板普遍存在損傷或開裂性狀，個別工程面板損傷開裂嚴重，對大壩結構安全構成了嚴重威脅[10-14]。例如，我國公伯峽面板堆石壩水位波動區(qū)面板產(chǎn)生豎向裂縫；天生橋一級面板堆石壩和水布埡面板堆石壩面板在垂直接縫處均產(chǎn)生不同程度的擠壓破壞；紫坪鋪面板堆石壩經(jīng)歷超設計標準地震后產(chǎn)生面板擠壓破壞、錯臺和脫空等震損現(xiàn)象；墨西哥Aguamilpa面板堆石壩面板中下部產(chǎn)生貫通的橫向裂縫；巴西Barra Grande和Campos Novos面板堆石壩均產(chǎn)生不同程度面板結構性裂縫或擠壓破壞。工程實踐表明，混凝土面板的損傷和開裂問題已成為影響工程安全的關鍵問題，關系到混凝土面板堆石壩建設的重大基礎性和普遍性的核心問題，如何采取合理措施改進和避免面板開裂或壓損破壞的發(fā)生是面板堆石壩建設中面臨的*關鍵技術難題。 近年來，國內外學者圍繞面板防裂問題陸續(xù)開展了系列研究工作。但由于混凝土面板損傷和開裂是一個復雜的非線性問題，加上面板堆石壩變形機理復雜、影響因素眾多，目前已有研究成果對面板損傷和開裂問題的認識遠不能達到科學、全面、系統(tǒng)的水平。因此，研究混凝土面板的徐變損傷特性及開裂行為，揭示其細觀損傷與宏觀開裂機理，可以為混凝土面板堆石壩的建設和運行提供理論基礎，具有重要科學意義和應用價值。 1.2 研究進展 1.2.1 混凝土徐變特性研究 徐變變形是指材料因荷載的長期作用而產(chǎn)生持續(xù)變形，一般可達到2～4倍彈性變形，進行混凝土結構設計時，須充分考慮徐變變形對于混凝土結構的影響[15]。大量試驗研究表明，混凝土的徐變變形行為與其承受的持續(xù)荷載水平密切相關。 Smadi等[16]針對高、中、低三種不同強度等級的混凝土試件，分別進行了不同水平荷載持續(xù)作用的徐變試驗研究。結果表明，對于中、低兩種強度等級的混凝土而言，線性徐變與非線性徐變的臨界荷載水平約為混凝土抗壓強度的45%，對于高強度等級的混凝土，線性徐變與非線性徐變的臨界荷載水平約為混凝土抗壓強度的65%，并且在同一水平荷載持續(xù)作用下，混凝土徐變變形與強度等級呈負相關。Lee等[17]針對四種不同配合比的混凝土試件，分別施加了0.1倍、0.2倍、0.3倍及0.4倍混凝土抗壓強度的持續(xù)荷載，觀測混凝土試件的基本徐變及收縮徐變。研究結果表明，混凝土的徐變變形與承受持續(xù)荷載水平不呈正比關系。Maia等[18]研究了加載齡期及荷載水平對高強度自密實混凝土徐變變形行為的影響，進行了為期600d，作用荷載為30%抗壓強度，加載齡期分別為12h、16h、20h、24h、48h及72h的徐變試驗，針對12h及24h還增設了作用荷載為20%及40%抗壓強度的對照組，并與Eurocode 2模型預測結果進行了比較。研究結果表明，應力與應變是非線性關系，應變的增長遠高于應力的增長，并且荷載水平越高，Eurocode 2模型預測結果的誤差也越大。Rossi等[19]研究了作用荷載分別為30%、50%及70%混凝土28d抗壓強度時的徐變特性。研究發(fā)現(xiàn)，在高水平荷載持續(xù)作用下，混凝土的徐變變形是非線性的，并通過混凝土內部微裂縫演變機理解釋了這一特性。Hamed[20]針對混凝土圓柱體試件研究了混凝土非線性徐變特性，分別監(jiān)測了圓柱體試件在單軸持續(xù)壓縮荷載分別為30%、50%、60%及70%混凝土抗壓強度下的徐變變形，并測試了各組徐變對混凝土抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)了混凝土徐變變形與持續(xù)荷載水平存在明顯的非線性關系，且荷載水平越高，對混凝土抗壓強度的影響也就越大。 在我國，李兆霞[21]研究了混凝土分別在34%、43%、51%、60%及70%抗壓強度下的徐變變形。結果表明，隨著持續(xù)荷載水平的提高，徐變變形與持續(xù)荷載水平不再線性相關。之后又進行了混凝土分別在83%、85%及90%抗壓強度下的徐變破壞試驗。結果表明，在高荷載水平持續(xù)作用下，混凝土試件*終會發(fā)生破壞，荷載水平越高，試件破壞時間也就越短。王德法等[22]針對混凝土試件進行了不同水平荷載持續(xù)作用的軸拉試驗。結果表明，當持續(xù)荷載水平較低時，混凝土徐變速率逐漸降低，*終趨于穩(wěn)定；而當持續(xù)荷載水平較高時，混凝土徐變變形會不斷增加，*終發(fā)生破壞。楊楊等[23]針對早齡期高強混凝土，分別進行了水灰比為0.3、0.4、0.5，加載齡期為12h、18h、1d、3d、7d及加載應力強度比為20%、30%、40%等組合的拉伸徐變試驗，探究了混凝土在不同試驗條件下的拉伸徐變特性。結果表明，當加載齡期為12h及18h時，混凝土拉伸徐變與持續(xù)荷載水平不呈線性相關關系；而當加載齡期為1d、3d、7d時，混凝土拉伸徐變與持續(xù)荷載水平呈線性相關關系。吳韶斌[24]通過彎拉及單軸壓縮徐變試驗，研究了混凝土在不同荷載水平作用下的徐變特性，并發(fā)現(xiàn)了混凝土徐變隨著荷載水平的提高存在明顯的非線性相關關系，*終提出混凝土內部損傷的發(fā)展是導致徐變非線性的主要原因。劉凱[25]針對混凝土梁進行了四點彎曲徐變試驗，研究了混凝土梁在不同試驗條件下的彎曲試驗特性。結果表明，混凝土梁的徐變變形速率與荷載水平呈正相關關系。 綜上所述，混凝土的徐變變形與持續(xù)荷載水平呈現(xiàn)明顯的非線性相關關系，這是混凝土的徐變變形是徐變和損傷共同作用的結果。目前，人們對多因素作用下混凝土徐變特性和徐變-損傷耦合機理的認識不足，因此深入探究混凝土徐變與損傷的相互作用是十分必要的。 1.2.2 混凝土損傷特性研究 目前，針對混凝土損傷特性的相關研究主要從試驗檢測和理論分析兩個方面展開。 無損檢測技術可以在不改變混凝土結構內部結構的前提下對結構內部的損傷進行檢測，具有檢測精度高、可反復對結構進行檢測等多方面優(yōu)點，因此該技術是當前混凝土損傷特性檢測*常用的方法之一[26-29]。無損檢測技術主要分為超聲波檢測技術[30-33]、沖擊回波法[34，35]、聲發(fā)射(acoustic emission，AE)技術[36-39]等。其中，由于聲發(fā)射技術具有可實時監(jiān)測混凝土材料內部損傷演化規(guī)律，且對監(jiān)測結構的形狀要求較低的優(yōu)點，被廣泛應用于混凝土結構劣化的檢測中[40-43]。眾多學者利用聲發(fā)射技術對混凝土內部損傷進行了一系列研究。1959年，Rusch[44]首次對混凝土材料循環(huán)受壓后的聲發(fā)射信號進行了研究，并證實只有歷史應力水平小于80%極限應力時，才存在明顯的Kaiser效應，即聲發(fā)射具有一定的不可逆性。Sagar等[45]對含有預制裂縫的水泥砂漿試件和混凝土試件分別進行了三點彎曲試驗，并通過釋放的聲發(fā)射信號研究試件的斷裂過程，*終得出結論，基于聲發(fā)射技術的b值分析法可準確識別損傷的發(fā)展。Colombo等[46]采用b值分析法對鋼筋混凝土梁抗彎試驗過程中的聲發(fā)射信號進行處理，發(fā)現(xiàn)b值的變化與鋼筋混凝土梁的破壞過程具有良好的契合性。Suzuki[47]針對混凝土試件的芯樣進行單軸壓縮試驗，并采集了試驗過程中的聲發(fā)射信號，進而定量分析了試驗過程中混凝土試件損傷的發(fā)展。Abdelrahman等[48]基于聲發(fā)射能量累計參數(shù)，提出了一種修正損傷參數(shù)，并通過試驗論證了該修正損傷參數(shù)的變化與預應力混凝土梁的損傷程度存在密切關系。Prosser[49]提出了一種聲發(fā)射模型，該模型具有良好的噪聲控制性能。Shield[50]采用三點梁彎曲試驗論證了聲發(fā)射事件率與裂縫發(fā)生的相關性。目前，聲發(fā)射技術作為一種檢測技術，已廣泛應用于材料退化程度及各種系統(tǒng)健康狀況的評價中，如橋梁疲勞裂縫的檢測與定位[51，52]、隧道襯砌的穩(wěn)定性監(jiān)測[53，54]、混凝土梁板的檢測[55，56]。 在理論分析方面，科研工作者對混凝土材料微裂縫的發(fā)展過程做了大量研究，并且建立了相關損傷模型及演變方程。20世紀50年代，Kachanov[57]先使用連續(xù)變量對受損材料力學性能變化的連續(xù)性進行了描述，為損傷力學的發(fā)展奠定了一定的理論基礎。20世紀80年代，Dougill等[58]首次將損傷理論應用到了混凝土的研究中。Wittmann等[59]在混凝土微觀結構方面開展了研究。結果表明，在加載前，混凝土中已存在大量微缺陷、微裂縫等初始損傷。歐進萍等[60]和朱勁松等[61]通過混凝土疲勞試驗揭示了混凝土疲勞損傷的發(fā)展規(guī)律，進而構建了混凝土疲勞損傷模型。呂培印等[62，63]基于損傷力學理論及邊界面概念，建立了混凝土雙壓疲勞損傷模型，并根據(jù)連續(xù)損傷理論，構建了混凝土單軸拉-壓疲勞損傷模型。李正等[64]對已有的混凝土彈性損傷模型進行了修正，更加準確地描述混凝土在循環(huán)荷載作用下的受拉行為。李同春等[65]構建了混凝土四參數(shù)等效應變損傷模型，以準確描述混凝土在復雜應力條件下的損傷本構關系。傅強等[66]開展了混凝土三軸壓縮試驗和三軸蠕變試驗，根據(jù)試驗結果推求了表征混凝土損傷特性的統(tǒng)計損傷參數(shù)，并基于Burgers流變模型構建了混凝土蠕變統(tǒng)計損傷模型。白衛(wèi)峰等[67，68]基于試驗現(xiàn)象及統(tǒng)計損傷理論，考慮了混凝土斷裂及屈服兩種損傷模式，構建了雙軸拉-壓應力狀態(tài)下的混凝土損傷本構模型，并從各指標定量分析了混凝土雙軸拉-壓應力狀態(tài)下的損傷機制。針對材料內部微裂縫的產(chǎn)生和擴展，以及材料破壞過程和發(fā)展規(guī)律等方面的研究，驗證了損傷力學理論具有良好的適應性[69]。因此，損傷力學是研究混凝土材料損傷特性和破壞機理的有效方法。目前，學者們從試驗檢測方面較為有效地揭示了混凝土材料的損傷特性，也從理論角度嘗試建立描述混凝土材料損傷特性的數(shù)學模型。然而，長期荷載作用下混凝土損傷機理復雜，特別是混凝土面板結構的損傷演化更加難以確定。揭示長期荷載作用下混凝土材料及混凝土面板結構損傷規(guī)律，建立徐變損傷耦合模型是需要進一步探索的重要研究方向。 1.2.3 混凝土面板開裂研究 在自重和水壓力作用下，堆石體容易出現(xiàn)過大和不均勻沉降，使得面板與墊層部分接觸面出現(xiàn)脫空，可能導致混凝土面板出現(xiàn)裂縫。同時，由于施工技術及自身特性等，混凝土內部可

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