钢筋混凝土梁受弯破坏机理尺寸效应试验研究

针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理,对不同截面尺寸简支梁相似试件开展单调加载试验,测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应变等试验数据.按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素,并阐述其破坏机理的尺寸效应.试验分析表明,混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为负面尺寸效应,这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著.相比之下,内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响.随截面尺寸增大,受弯承载力和延性均呈增长趋势.根据试件在不同尺度上表现出的显著破坏特征和实测数据,推导相关计算参数随试件尺寸的关系,建立考虑尺寸效应的极限承载力计算方程.同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性.     

砂浆单轴抗压强度尺寸效应律研究

为评估尺寸效应行为对砂浆准脆性材料力学性能的影响及完善砂浆尺寸效应理论,以物理模型试验方法及理论解析方法对砂浆尺寸效应行为进行了研究.通过对12组几何相似的砂浆立方体试件及12组非几何相似的砂浆板式试件进行单轴抗压强度试验,研究砂浆尺寸效应行为及砂浆强度等级对尺寸效应的影响.研究结果表明,砂浆抗压强度随着试件几何尺寸的增大而减小,尺寸效应随砂浆强度等级的提高而增强.引入基于断裂力学能量释放理论尺寸效应律分析砂浆几何相似试件的尺寸效应行为,加入强度项修正Bazant尺寸效应律并以修正尺寸效应律分析砂浆非几何相似试件的尺寸效应行为,分别建立了砂浆抗压强度尺寸效应律计算式,其计算结果与试验结果吻合良好.该研究成果可为砂浆材料工程应用提供指导,为砌体精细化细观模型的建立提供重要依据.     

单向拉伸应力状态下沥青混合料强度和刚度特性

为了解单向拉伸应力状态下沥青混合料的强度、刚度特性及破坏原因,进行不同加载速度的直接拉伸动回弹模量、静回弹模量及强度试验,揭示沥青混合料强度、回弹模量、破坏应变、应变能等参数随加载速度的变化规律。建立初始开裂对应的各个力学参数与加载速度之间的幂函数关系,并从破坏机理上将材料设计与结构层的设计相统一。研究结果表明:在单轴拉伸试验中,沥青混合料的动、静回弹模量随加载速度的增大而呈幂函数增大,且动回弹模量随着温度的升高而降低;进行不同加载速度的破坏试验时,试件的初始开裂应变基本保持稳定,且表现为拉应变破坏特征,故拉应变是导致沥青混合料发生破坏的原因,用第二强度理论作为直接拉伸条件下的破坏准则较合适。     

含水率对相似材料模型强度的影响规律

为减少含水率对相似材料模型强度的影响,利用时域反射技术对相似材料模型含水率变化特征进行了监测,通过不同含水率值的相似材料试件,获得了相似材料试件单轴抗压强度与含水率的关系;提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率,得出了含水率变异函数表达式;以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象,搭建了长×宽×高为1 000 mm×120 mm×700 mm的相似材料模型,利用FDR传感器监测模型含水率,绘制模型含水率分布图。结果表明,当配比为8∶3∶7且含水率在0.2%～2.3%之间时,相似材料试件的单轴抗压强度与其含水率呈负线性关系;通过模型含水率分布云图,模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征,中硬度岩石相似材料模型含水率值达到1.7%～2.2%时,模型强度达到预期强度;相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度,中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判模型干燥养护程度的方法,为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。     

活性粉末混凝土单轴受压强度与变形试验研究

运用微机电液伺服控制的位移加载方式,对不同钢纤维含量的活性粉末混凝土100×100×300 mm棱柱体试件进行了单轴受压试验,得到了该种材料的单轴受压应力应变曲线,分析了钢纤维含量对破坏形态、抗压强度、弹性模量与峰值应变的影响规律.     

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的"固-气"耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展"固-气"耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及"固-气"耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。     

尺寸效应对生土立方体试件抗压强度的影响

试件的抗压强度是生土基建筑材料的重要力学指标.本次研究以生土材料立方体试件尺寸效应为研究目的,探寻不同尺寸试件对材料抗压强度的影响.对采用同样制样方法、养护方式和加载方法的三种尺寸立方体生土试件进行抗压强度试验,研究试件的破坏形态、抗压强度以及试件的不同尺寸对强度的影响规律与作用机理,并采用统计筛选法推算三种尺寸试件的...     

温度对岩石类材料断裂性能的影响研究

根据CCCD-SHPB测试原理,利用平台巴西圆盘研究温度对岩石类材料断裂性能的影响,实验过程中通过控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度.根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法,在SHPB装置上完成岩石类材料的动态断裂韧度随温度变化的测试,获得了不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度.     

试件尺寸对金属材料Hopkinson拉杆实验结果的影响研究

分离式Hopkinson拉杆是当前进行材料高应变率加载条件下力学行为的主要研究手段.受加载条件的限制，往往采用小尺寸的试件开展实验.因此，试件在加工过程中的加工硬化对实验结果会产生一定的影响，从而不能完全反映真实材料的力学性能.为研究这一效应的影响，首先利用微纳米压痕法测量了小尺寸不锈钢试件沿表面厚度方向的维氏硬度变化规律，得到了加工硬化层的厚度及其对材料性能的影响.在此基础上，通过理论分析研究了加工硬化对试件拉伸试验结果的影响，并结合不同尺寸试件的准静态拉伸试验结果，给出了分离式Hopkinson拉杆动态拉伸结果的修正方法.     

深埋隧硐模型试验相似材料配比的多元回归分析

为研究深埋岩体相似材料影响因素的显著性,以确定相似材料配比的多元回归方程,采取正交试验方法,选取传统相似材料配比方案中砂胶比(A)、胶结材料石灰含量(B)、胶结材料石膏含量(C)和云母含量(D)为试验因素,同时设置空列为误差列以考虑试验误差的影响,通过单轴抗压和直剪试验等物理试验得到试件的内摩擦角、抗压强度、抗拉强度和粘聚力等物理力学指标,通过极差法求出各因素各水平均值极差,通过分析得出影响规律,即随着试验因素胶结材料(B)的石灰含量增大,相似材料内摩擦角、粘聚力、抗拉强度和抗压强度显著增大,而随着因素砂胶比(A)的减少,相似材料密度与内摩擦角显著减小。通过方差法将各因素影响参数大小进行量化,获得了各因素影响参数贡献率,其中,试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力影响贡献率最大,依次为59.1%、53.7%、53.4%和48.3%,表明试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力起到主要控制作用,而试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力影响贡献率最大,依次为77.4%和42.0%,表明试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力起到显著控制作用。最后根据各因素对相似材料力学参数影响的贡献率,选取具有显著控制作用的影响因素进行多元回归分析,得到了可用于试验配比的多元回归方程。     

隧道爆破力学模型相似材料配比的正交试验

以砂岩作为模拟对象,研究满足隧道爆破力学模型试验要求的相似材料配比问题.基于正交试验法,选取石英砂、重晶石粉、石膏、水泥和水为相似材料,设置以石英砂/固体、水泥/石膏、重晶石粉/(重晶石粉+石英砂)的质量比为3个因素,每个因素3个水平,共9组配比的正交试验方案.通过室内试验,得到相似材料的密度、单轴抗压强度、弹性模量和声波波速的实测数据.试验结果表明:相似材料的物理力学参数分布范围较广,可满足不同隧道模型试验对相似材料的配比要求.利用极差敏感分析法分析各因素对相似材料参数的敏感性,并通过各因素对相似材料参数影响的直观分析图,分析各因素对相似材料物理力学参数的影响规律.对试验数据进行多元线性回归分析和室内试验,发现最优配合比下的相似材料与原型砂岩的单轴应力-应变曲线具有相似的脆性破坏特征;相似材料物理力学参数的设计值和实测值误差较小.     

基于正交设计的土质相似材料配比试验研究

以黏土、重晶石粉、粉细砂和膨润土为原材料,配制振动台模型试验中的土质相似材料,并基于正交设计方法,通过直接剪切与压缩试验,对影响土质相似材料物理力学参数的各配比因素进行敏感性分析.结果表明,不同配比相似材料的参数取值范围较广,能够满足大部分模型试验对土质相似材料的要求.研究成果可为类似模型试验土质相似材料的配比选取提供参考.     

变分数阶微积分在描述材料力学性质演变方面的应用

材料在受力和变形过程中,力学性质是不断变化的,而现有的整数阶本构模型只能定性描述材料从弹性变为塑性,变为流体,不能定量地描述力学性质的演变．在常分数阶本构模型的基础上,提出一个新的变分数阶本构模型．从理论上讲,该模型可以通过阶数的变化来展示材料力学性质的变化．用该模型,对铜、铝合金以及低碳钢在等应变率拉伸过程中的力学性质进行分析,发现其变化过程均可分为3个阶段：第1阶段为线弹性阶段,第2阶段力学性质发生突变,第3阶段为线性变化阶段,而这与实验中所得现象是符合的,从而得出该模型可以描述力学性质演变．因为阶数的变化范围为0到1,所以该模型可用于其他粘弹性材料在具有时间效应的受力及变形过程中力学性质演变的分析,如岩土及高分子材料的应力松弛与蠕变,等应变率加载等．     

不同黏土矿物对岩石相似材料性质的影响

岩石相似材料配比中水敏材料的合理选择是开展水岩劣化作用下岩体工程大型物理模型实验研究的重要基础与前提。从研制适用于开展水岩作用相关物理模型试验相似材料的角度出发,以石英砂、重晶石粉为骨料,水泥、石膏为胶结材料,分别添加膨润土、伊利石粉、高岭土作为水敏性调节剂来制作岩石相似材料,开展了单轴压缩、直剪以及水理性试验,获得了不同配比相似材料的物理力学参数和水理性质指标,并采用单因素控制法深入分析了不同黏土矿物类型与不同掺入量对相似材料试样物理力学性质与水理性质的影响。结果表明：(1)添加黏土矿物的相似材料,其物理力学参数分布范围广,能满足岩石相似材料的需求;(2)黏土矿物的添加显著改变了试样的物理力学性质,随着其掺入量的增加,试样密度、抗压强度、弹性模量以及黏聚力整体呈下降趋势,内摩擦角呈增大趋势,其中膨润土的影响程度强于伊利石粉和高岭土;(3)含有膨润土的相似材料相对于其他黏土矿物吸水率更大,更易于发生崩解,更适合作为研究水岩相互作用的物理模型试验相似材料的水敏性添加剂。该研究成果可为研制适用于开展水岩相互作用的物理模型试验相似材料提供参考。     

应力锥橡胶材料在变温环境下的力学性能

利用德国Zwick020材料试验机,进行高压电缆终端应力锥两种橡胶材料在不同温度环境下单向拉伸大变形力学行为的试验研究,得到不同温度和不同加载速率条件下材料的应力 应变关系曲线,并分析了温度及加载速率变化对材料力学性能的影响.运用Mooney Rivlin橡胶材料模型,对试验材料进行了理论分析,根据试验结果拟合出相关参数,构建了适用高压电缆终端应力锥两种橡胶材料的本构关系公式.对比不同温度下两种橡胶材料的理论计算和试验的应力值,说明该本构关系满足工程实际需要,为高压电缆应力锥的进一步研究提供了理论基础.     

HRB500级高强钢筋高温后的力学性能试验

对HRB500高强钢筋在高温后的力学性能进行试验,研究不同受火温度对其力学性能的影响,以及高温后的应力-应变关系曲线图的变化规律,并提出相应的力学模型.结果表明,经历高温作用并冷却后,高强钢筋的屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和截面收缩率等力学性能随所经历的温度的不同而变化,变化规律也不相同. 钢筋的应力-应变关系发生一定的变化,但是一般仍然出现明显的屈服阶段和强化阶段,屈服台阶的高度随着温度的升高而降低;高强钢筋的弹性模量的变化很小.     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

PVDF压力计在相似材料动态力学参数测试中的应用

随着相似材料逐渐用在动力学模型试验中,其动态力学参数的测试和研究显得尤为重要.相似材料是软弱材料,其强度较低,波阻抗也无法与Kolsky杆常用的钢杆或铝杆相匹配,因而无法利用传统的应变测量系统进行动态力学测试.本文基于一维应力波理论,推得被测试件端面应力与应变、应变率之间的关系表达式,进而利用PVDF压电薄膜传感器改进SHPB装置的压力量测方法和系统;采集到相似材料的动态压力信号,得到了相似材料在不同应变率下的全应力应变曲线、动态弹性模量、动态峰值强度以及随速率变化的关系.      

模糊评价在软弱土质相似材料正交试验中的应用

以洗衣液、石膏粉、重晶石粉、膨润土、石英砂和水为原料,基于正交试验法获得了不同配比软弱土质相似材料的密度、黏聚力和内摩擦角等物理力学指标。采用极差法分析了各因素对3种指标影响的敏感性,研究了各因素对相似材料参数的影响规律;通过模糊评价方法对各配比进行了综合分析。结果表明:不同配比的相似材料各参数指标分布范围较大,能够满足大部分土质材料模型试验的要求;基于正交试验的模糊综合评价方法能够根据试验需求给出可靠的配比方案。研究结果可为该类模型试验土质相似材料的配制及优选工作提供参考。     

基于修正Lv模型的低周疲劳寿命预估方法

当材料力学特性不同时,疲劳损伤程度受平均应力的影响不同,于是对Lv模型进行改进.首先,利用材料力学特性系数修正Walker指数,将修正后的指数引入Lv模型.同时,考虑正应变对疲劳寿命造成的影响,修正最大应力.其次,基于M-H模型对材料塑性部分的改进,修正Lv模型塑性变形部分.此外,因为2倍Walker指数对材料特性不敏感,所以引入敏感系数来提高材料受平均应力影响时的反应程度.最后,基于4种航空材料TA11、GH909、FGH96及GH4133合金的低周疲劳试验数据,对SWT模型、M-H模型、Lv模型及改进Lv模型的预估结果进行对比分析.结果表明,相比于其他3种模型,改进Lv模型预测结果具有较好的分散性,在预估精度和适用性等方面均具有较大优势.