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全球科研项目数据库2026版

全级配水工混凝土断裂的边界与尺寸效应

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

管俊峰

项目受资助机构

华北水利水电大学

立项年度

2017

立项时间

未公开

项目编号

51779095

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

59.00万元

学科

工程与材料科学-水利工程-水工结构

学科代码

E-E09-E0906

基金类别

面上项目

关键词

非线性模型 ; 边界效应 ; 准脆性断裂 ; 尺寸效应 ; 全级配水工混凝土 ; Fully graded hydraulic concrete ; boundary effect ; size effect ; quasi-brittle fracture ; non-linear model

参与者

白卫峰；郝颖；李长永；姚贤华；李长明；钱国双；韩霄羽；刘霖艾；韩浩田

参与机构

华北水利水电大学

项目标书摘要：项目紧密围绕确定大坝全级配水工混凝土真实材料参数，预测大坝实际性能等特高拱坝建设核心问题，基于混凝土宏观非线性断裂特性的本质是由于细观非均质性引起的事实，考虑骨料颗粒、裂缝、试件尺寸等对断裂破坏的耦合影响，采用试验研究、理论分析及典型工程案例相结合的手段，深入系统开展大坝全级配水工混凝土断裂的边界与尺寸效应研究。基于不同骨料级配、试件尺寸与加载型式的系统试验研究，发展由小尺寸试件确定混凝土真实材料参数的理论与模型及试验方法；建立适用于弹性与非线弹性断裂分析的统一解析表达式；明确大坝混凝土断裂的边界与尺寸效应机理；构建预测大坝结构个性化破坏的应用模型与设计方程。最终形成一套大坝混凝土断裂性能评估与裂缝预测的理论体系。课题研究重点在发展由处于准脆性断裂的试件确定材料真实参数的理论与模型，建立结构破坏个性化预测模型与方程。项目研究对促进我国水工结构与材料在国际上的发展具有重要科学与工程意义。

Application Abstract: This project will investigate key scientific issues in the construction of super-high arch dams,namely,determining the actual material parameters of fully graded hydraulic concrete and predicting the actual structural characteristics of dams.The macroscopic nonlinear fracture properties of concrete contribute to mesoscopic heterogeneity,and thus,the coupling influences of aggregate gradation,crack length,and specimen size on fracture will be considered in this project.This project will combine experimental study,theoretical research,and typical arch dam analysis to conduct a comprehensive and systematic research on the boundary and size effects of a fully graded hydraulic concrete fracture.On the basis of systematic experiments involving different aggregate gradation,specimen size,and load types,an improved theoretical model and a novel method will be established to determine the actual material parameters of fully graded hydraulic concrete using small specimens.Unified analytical expressions will be deduced to predict the material structure of linear and nonlinear elastic fractures.The principle of the boundary and size effects of fully graded hydraulic concrete will be determined.Several practical equations for predicting the individual structural failures of dams will be developed.In addition,a fracture performance evaluation and crack prediction system will be established for the hydraulic concrete of super-high arch dams.The current study focuses on improving the theory,model,and test method for determining actual material constants,as well as on developing individual prediction equations for structural failure.Upon the completion of this project,the influences of science and engineering on hydraulic materials and structures in China will rise to remarkable heights in the field of international dam studies.

项目受资助省

河南省

项目结题报告(全文)

实验室条件下试件预测真实结构性能存在两个关键科学问题：由小尺寸试件如何准确确定真实材料参数；基于材料参数，如何预测结构的真实工作特性。上述两个问题仍是混凝土研究领域卡脖子的亟待解决的关键问题。区别于尺寸效应模型仅关注试件绝对尺寸，项目考虑骨料、裂缝、试件等耦合影响，建立了由实验室条件下楔入劈拉、三点与四点弯曲、单边与双边拉伸等型式确定混凝土材料参数的模型及方法；克服了现行规范确定强度和韧度时，需采用不同试件型式和加载方法，且试样尺寸与预制裂缝等需严格满足规范要求的技术局限。基于砂浆、混凝土、岩石、金属类材料的试验成果，验证了所提理论与方法的合理性。采用强度与断裂韧度两个材料参数，来描述混凝土岩石试件的个性化断裂特性，建立了可涵盖塑性——准脆性——线弹性断裂状态的破坏曲线，阐述了不同断裂破坏状态的转换条件，建立起结构特性与材料参数间的联系纽带，实现了结构断裂破坏的个性化预测。结合尺寸效应模型和边界效应模型的优点，考虑混凝土骨料级配曲线的重要影响，提出了改进的混凝土离散颗粒断裂模型。建立了由无缝试件确定混凝土和岩石断裂韧度的模型及表达式，仅需小尺寸无缝试件的峰值荷载，即可直接确定出无尺寸效应的混凝土与岩石的断裂韧度。发展了确定混凝土开裂强度与起裂韧度等材料参数的模型与方法，建立了起裂荷载与起裂韧度之间的解析公式，对三点弯曲、楔入劈拉、四点弯曲等不同类型混凝土试件的起裂荷载和起裂韧度进行了成功预测。发展了预测低碳钢和低合金钢结构断裂破坏的弹塑性断裂理论与模型，确定出断裂韧度、屈服与极限强度等材料参数；构建了可涵盖所有试验点的安全设计曲线，为确定金属材料参数及预测金属结构破坏提供了新思路。混凝土裂缝随机性、离散性及个性差异特征是其固有属性，考虑混凝土岩石等材料裂缝扩展的随机性，分别发展了正态分布断裂模型和威布分布断裂模型，揭示了混凝土试验结果随机性及显示尺寸效应的本质原因。

  • 排序方式：
  • 1
  • /

  • 1.新型混杂纤维水泥砂浆高温后力学性能研究

    • 关键词：
    • 混杂纤维水泥砂浆;高温;力学性能;碳酸钙晶须;抗爆裂;配筋梁
    • 谢衍
    • 指导老师：华北水利水电大学 管俊峰
    • 学位论文

    火灾高温会导致建筑结构中混凝土的爆裂和力学性能的劣化,显著降低结构的承载力、安全性和耐久性,甚至造成严重的人员伤亡和经济损失。本论文在国家自然科学基金（51779095）和陕西省自然科学基础研究计划项目（2021JQ-174）的支持下,系统研究了由钢纤维（S）、毫米尺度的聚乙烯醇纤维（PVA）及微米尺度的碳酸钙晶须（CW）组成的新型混杂纤维体系对水泥砂浆试件（圆柱体、立方体和配筋梁）高温后物理力学性能的影响,包括抗爆裂性能、质量损失、超声波波速损失、抗压强度、劈裂抗拉强度、配筋梁抗弯性能等。全文主要研究内容及结论总结如下:（1）研究了高温后不同配合比混杂纤维水泥砂浆的宏观形貌、质量损失和超声波波速损失。结果表明:在慢速升温制度下,混杂纤维能够有效抑制水泥砂浆的开裂,减少砂浆表面裂缝数量,降低质量损失,CW在砂浆中的填充作用能够增加砂浆密实度,优化砂浆孔隙结构,降低超声波波速损失。在ISO 834曲线（模拟真实火灾）的快速升温制度下,CW与钢-PVA纤维混杂能够显著提高混杂纤维水泥砂浆的抗爆裂性能,抑制高温后试件裂缝的产生和扩展,保持较好的完整性。（2）研究了常温下不同配合比混杂纤维对水泥砂浆力学性能的影响。结果表明:在素砂浆中引入混杂纤维能够改变其轴压破坏模式,将无征兆的脆性破坏转变为有征兆的延性破坏模式,并起到微观增强作用,提高砂浆的抗压强度和劈裂抗拉强度。掺入适量CW能够进一步提高混杂纤维水泥砂浆的韧性,发挥其微集料的填充作用和阻裂增强效果,但掺入CW过多会产生聚集、结团,从而劣化砂浆的力学性能。（3）研究了高温后不同配合比混杂纤维对水泥砂浆力学性能的影响。结果表明:CW在混杂纤维水泥砂浆中能够发挥微观作用,优化混杂纤维水泥砂浆的抗压和劈裂抗拉等力学性能。引入混杂纤维能够提高砂浆的延性和轴压强度。相较于无纤维组砂浆试件,在砂浆中掺入适量的钢-PVA混杂纤维可以显著提高其高温后的劈裂抗拉强度,削弱高温对砂浆劈裂抗拉强度的劣化作用。（4）研究了混杂纤维水泥砂浆配筋梁高温前和高温后的弯曲性能。结果表明:高温前混杂纤维的引入能够显著提高配筋梁的初裂荷载、屈服荷载和峰值荷载,提高配筋梁的初裂应变,推迟配筋梁的开裂、减小配筋梁正常使用状态下的裂缝宽度,提高其耐久性。混杂纤维体系不仅可以在高温作用下有效避免配筋梁爆裂、限制热裂缝的扩展;而且在高温作用后仍然可以发挥阻裂作用,提高配筋梁受弯时的持荷能力。

    ...

  • 2.确定混凝土起裂韧度的极值方法及应用

    • 关键词：
    • 起裂韧度;极值方法;双线性黏聚力分布假定;三线性黏聚力分布假定;黏聚单元
    • 董默闻
    • 指导老师：河北工业大学 卿龙邦
    • 学位论文

    混凝土裂缝尖端断裂过程区导致混凝土断裂呈现非线性特性,因此传统线弹性断裂力学不适用于试验室尺寸混凝土试件断裂性能研究。起裂韧度定义为外荷载达到起裂荷载时在裂缝尖端引起的应力强度因子,可用于表征混凝土裂缝起裂时结构抵抗裂缝扩展能力的断裂参数。本文结合国家自然科学基金（Nos.51779069,51779095）深入研究了确定混凝土起裂韧度的极值方法,分析了不同黏聚力分布形式对起裂韧度计算结果的影响,并基于数值模拟方法研究了试件尺寸及初始缝高比对起裂韧度等断裂参数的影响规律。（1）基于双线性和三线性黏聚力分布假定,建立了确定三点弯曲梁试件起裂韧度等断裂参数的极值方法,分析了黏聚力分布形式对起裂韧度计算结果的影响规律,并研究了裂缝尖端张开位移公式对起裂韧度计算结果的影响。结果表明:双线性和三线性黏聚力分布假定得到的起裂韧度计算结果稍大于传统线性黏聚力分布假定得到的起裂韧度计算结果;当对计算结果精度要求较高时,可采用双线性黏聚力分布假定进行计算;裂缝尖端张开位移公式对起裂韧度计算结果无明显影响。（2）利用黏聚单元法建立了混凝土三点弯曲梁的数值模型,开展了高度为100mm~1000mm、初始缝高比为0.1~0.8的三点弯曲梁试件断裂全过程数值模拟研究。基于模拟得到的峰值荷载确定了起裂韧度等断裂参数,分析了起裂韧度受试件尺寸和初始缝高比的影响规律。结果表明:起裂韧度计算结果随试件尺寸增大而增大,随初始缝高比增大而减小。对于不同尺寸和初始缝高比的试件,采用双线性黏聚力分布假定均可得到精确稳定的起裂韧度等断裂参数计算结果。（3）基于双线性黏聚力分布假定,建立了适用于计算楔入劈拉试件及立方体和圆柱体劈拉试件起裂韧度等断裂参数的理论公式。比较了黏聚力分布形式对起裂韧度等断裂参数计算结果的影响,研究了最大骨料粒径和加载速率对起裂韧度计算结果的影响规律。研究结果同样表明:基于双线性黏聚力分布假定可以得到精确稳定的起裂韧度等断裂参数,验证了双线性黏聚力假定计算楔入劈拉试件及立方体和圆柱体劈拉试件起裂韧度等断裂参数的准确性与适用性。

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