基于FEMOL水工混凝土损伤断裂动态全过程分析与试验研究

Damage and fracture whole process and mechanical characterization of hydraulic concrete are the key problems in urgent need to be solved in China's water conservancy and hydropower construction and safe running. At present ,Two major technical problems are met : one is involving fracture geometry singularity in the fracture simulations of concrete, it is the difficult to obtain satisfied results be solved by the general numerical methods; another is that the structural cracking forms are reciprocating oscillating motions, so they are usually non convergence in analysis.The fracture finite element method of lines(FEMOL) can solve the problems which will be established in the project. .The FEMOL will be used in damage and fracture analysis on hydraulic concrete, and three key problems will be solved: ( 1) the fracture tests of the different sizes and gradation concrete beams will be finished based on double K fracture and acoustic emission technology so that damage and fracture mechanics and fracture propagation mechanism of the large volume hydraulic concrete can be in grasp; (2 ) The characterization parameters determining method of fracture energy，fracture damage mechanical of different strength and different gradations concrete will be presented out; (3 ) the crack-tip singular node line element mapping technique will be used in the whole process analysis on cracking and damage process. Concrete fracture finite element method of lines will be built and related analysis program and model improvement will be made. Results will be able to reveal the damage and fracture failure mechanism of hydraulic concrete, a new set of fracture damage analysis theory of hydraulic concrete structure will be established.

水工混凝土损伤断裂全过程模拟与力学表征是我国水利水电建设与安全运行中迫切需要解决的关键问题。目前面临两大技术难题：一是混凝土损伤断裂模拟涉及裂缝几何奇异性，一般数值方法求解难以得到满意结果；二是结构开裂破坏运动形式是往复振荡运动，一般会出现迭代不收敛。而采用申请者建立的断裂有限元线法，有望解决上述难题。.本课题拟把FEMOL理论用于水工混凝土损伤断裂分析，解决三个科学问题：（1）基于双K断裂与声发射技术的不同尺寸与级配混凝土损伤断裂试验，掌握大体积混凝土损伤断裂力学特性及裂缝扩展机理；（2）提出不同强度、不同级配混凝土断裂能、断裂损伤力学表征参数的确定方法；（3）把裂缝尖端奇异结线元映射技术用于开裂损伤全过程分析，创立混凝土断裂有限元线法，编制相关分析程序，并进行模型验证改进。成果将能揭示水工混凝土的损伤断裂破坏机理，建立一套新的水工混凝土结构断裂损伤分析理论。

混凝土断裂韧度是评价混凝土结构工程安全性的重要基础技术指标之一，确定水工混凝土损伤断裂韧度也是我国水利水电建设与安全运行中迫切需要解决的关键问题。. 工程中混凝土断裂形式多为I型、II型或I-II复合型，为此本项目共计完成400余根普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土等I型、II型、楔入劈拉与复合型损伤断裂动态全过程试验。. 通过研究了初始缝高比、强度等级、试件大小等不同因素对混凝土断裂参数的影响，系统给出了普通混凝土的起裂韧度、失稳韧度与有效裂缝长度；给出了计算混凝土三点弯曲梁任意时刻能量耗散值的数值求解表达式。通过钢筋混凝土三点弯曲梁断裂特性试验，建立了其断裂韧度计算模型，给出了钢筋混凝土有效裂缝长度计算表达式, 给出了缝高比对混凝土楔入劈拉试件断裂性能的影响, 推导了适用于非标准楔入劈拉试件断裂参数的计算公式。. 通过对半边对称加载试件II型断裂试验，得到了半边对称加载法下裂缝沿着预制缝方向开裂扩展，其断裂韧度变化范围为 2.0～3.5 (国际单位)。通过对四点剪切梁试件的II型断裂试验，可知其断裂韧度变化范围为0.48～1.50 (国际单位)。. 完成了双裂缝与复合型裂缝的混凝土全过程动态断裂试验, 推导了双裂缝混凝土试件起裂韧度和失稳韧度的计算方法。基于同组混凝土三点弯曲梁试件的幅值、持续时间和振铃计数-荷载曲线的特性，给出了混凝土断裂过程中的典型声发射信号特性。. 把FEMOL理论用于水工混凝土损伤断裂分析，全面掌握了大体积混凝土损伤断裂力学特性及裂缝扩展机理；提出了不同强度、不同级配混凝土断裂能、断裂损伤力学表征参数的确定方法；把裂缝尖端奇异结线元映射技术用于开裂损伤全过程分析，创立混凝土断裂有限元线法。成果实现了揭示水工混凝土的损伤断裂破坏机理，建立了一套新的水工混凝土结构断裂损伤分析方法。