率相关的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展过程的非线性分析

Concrete structures for hydraulic engineering e.g. concrete dam are frequently suffered from dynamic loading e.g. seismic loading during their service life. Therefore, it is necessary to study crack propagation behavior of mixed mode I-II fracture of concrete under dynamic loading. In this project, fracture behavior of concrete, fracture mechanism and crack propagation process considering the rate-dependent mixed mode I-II fracture will be studied by experiment and theoretical analysis combined with numerical simulation under different loading rates and the rate of crack propagation. Rate-dependent cracking resistance of concrete materials will be proposed based on the rate-dependent initial fracture toughness, fracture energy, uniaxial tension strength, compressive strength, modulus of elasticity and evolution of fracture process zone of concrete. Dynamic crack propagation criterion for mixed I-II fracture of concrete will be established based on the solution of dynamic stress intensity factor, cohesive force of fictitious crack based discrete finite element model and dynamic time-history analysis considering rate-dependent constitutive relationship of concrete. These studies above will make us deepen the realization on the changes of crack propagation trajectory and crack bifurcation phenomenon, and numerical calculation method for dynamic crack propagation process of mixed mode I-II fracture will be developed based on fictitious crack cohesive stress. These studies for anti-cracking, cracking resistance and complete failure process of cracked concrete structures under dynamic loading are of great academic significance and engineering application value.

水工混凝土结构如大坝在运行过程中常常受到地震等动力荷载的作用。因此，研究混凝土I-II复合型裂缝在动力荷载作用下的扩展行为很有必要。本项目通过试验及理论分析并结合数值模拟，研究不同加载速率和裂缝扩展速率下混凝土的断裂性能、考虑率相关的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂机理和裂缝扩展过程的数值模拟。通过开展起裂断裂韧度和断裂能、单轴拉压强度和弹性模量的率相关及断裂过程区及其演化的率相关性研究，建立混凝土材料抗裂性能率相关关系；通过对动态应力强度因子的求解、基于虚拟裂缝粘聚力的离散有限元模型的建立和基于混凝土率型本构的动力时程分析，建立混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝动态扩展判据，并在此基础上深化对混凝土裂缝扩展轨迹的变化和裂缝“分叉”现象的认识，提出基于虚拟裂缝粘聚力的混凝土I-II复合型动态裂缝扩展过程数值计算方法。本项目的研究对动力荷载作用下带缝混凝土结构抗裂、阻裂和破坏全过程分析具有重要的学术意义和工程应用价值。

水工混凝土结构如大坝在运行过程中会受到地震等动力荷载的作用。因此，对混凝土I-II复合型裂缝在动力荷载作用下扩展行为的研究具有重要意义。本项目首先采用三点弯曲梁试件研究了加载速率为2.0×10-4 mm/s，2.0×10-3 mm/s，2.0×10-2 mm/s，0.2 mm/s ，2.0 mm/s的混凝土I型裂缝的起裂断裂韧度、断裂能及抗拉强度等其他力学参数，建立了这些参数的率相关关系，在此基础上结合基于应力强度因子的混凝土I型裂缝扩展准则，采用有限元法模拟了裂缝扩展全过程、断裂过程区（FPZ）长度及KR阻力曲线等并与试验结果进行了对比，结果吻合良好。其次采用四点剪切梁试件，结合混凝土I-II复合型裂缝扩展准则，通过试验及数值模拟，研究了不同初始应力强度因子比KI/KII在上述加载速率下混凝土I-II复合型裂缝扩展全过程，荷载-裂缝口张开位移（P-CMOD）、荷载-裂缝口剪切位移（P-CMSD）曲线、裂缝扩展路径及断裂过程区内粘聚力的率相关性。结果发现，随加载速率提高，同一开缝位置的四点剪切梁试件的裂缝扩展路径和扩展角没有明显的变化。在相同加载速率下，随Ⅱ型分量所占比重增大，四点剪切梁试件的裂缝扩展路径更加饱满，裂缝扩展角也随之增大。在上述研究的基础上，基于断裂动力学理论将基于起裂断裂韧度的混凝土裂缝扩展准则扩展到动态情形，建立了混凝土动态断裂数值模拟方法；采用静、动态数值方法模拟了加载速率为2.0×10-4 mm/s-2000 mm/s的混凝土I型裂缝扩展过程，通过分析不同加载速率下的动态响应来源给出了可以忽略惯性效应或率效应的加载速率阈值，并从变形模式、裂缝扩展速率、裂缝扩展过程中的能量演化和分配等角度研究了加载速率阈值的合理性。根据以上成果提出了混凝土重力坝在地震荷载作用下裂缝扩展过程的通用数值算法并验证了该算法在地震裂缝扩展响应估算中的有效性。