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基于双K断裂模型的水泥混凝土路面XFEM开裂分析
| 论文题名： | 基于双K断裂模型的水泥混凝土路面XFEM开裂分析 |
| 关键词： | 水泥混凝土路面;XFEM开裂分析;应力强度因子;双K断裂模型 |
| 摘要： | 在车辆荷载与外部环境反复作用下，水泥混凝土路面易出现裂缝、断板等病害，严重降低了水泥路面的正常使用寿命，混凝土的裂缝开裂与扩展特性是有效分析和解决水泥路面断裂破坏问题的重点研究方向。随着重载化交通特点的日益突显，水泥混凝土面板裂缝尖端处会产生更加复杂的应力状态和裂纹扩展趋势，使水泥路面板的开裂性能受到了更加严峻的考验。 为详细探究混凝土的断裂性能和尺寸效应问题并验证扩展有限元法（ExtendedFi-niteElementMethod，XFEM）的优势，首先，本文分别采用三种试件尺寸和三种缝高比的混凝土梁开展三点弯曲试验，并在试验过程中实时获取混凝土梁的承受荷载大小、裂缝尖端两侧应变变化、竖向挠度、横向开口位移等数据。其次，采用荷载挠度（P-δ）曲线和和荷载横向开口位移（P-CMOD）曲线两种断裂能分析方法计算混凝土的断裂能，并运用双K断裂模型计算混凝土的断裂韧度，分析缝高比和试件尺寸因素对混凝土断裂参数的影响规律。最后，运用ABAQUS有限元软件建立XFEM三点弯曲试验模型，对比模拟得到的裂尖两侧荷载应变曲线、双K断裂参数与试验数据之间的相关性。为进一步研究荷载作用下水泥混凝土路面裂缝尖端的开裂响应，运用ABAQUS有限元软件建立水泥混凝土路面模型，采用围线积分法计算裂缝尖端应力强度因子（K）。考虑正偏荷载两种作用形式，分析不同初始裂缝深度与重载等级因素作用下裂尖的受力响应以及K值变化规律。 试验结果表明：运用P-CMOD曲线计算断裂能的方法具有较高的准确性，采用应变片测试混凝土的起裂荷载具有较高的可行性。混凝土的起裂与失稳荷载受缝高比和尺寸大小因素均十分显著，起裂与失稳韧度具有一定的尺寸效应，但基本不受缝高比因素变化的影响。有限元模拟结果表明：模拟得到的双K断裂参数、荷载应变曲线与试验结果均基本一致。对水泥路面开裂响应而言，随着初始裂缝深度的增大，正载与偏载作用下裂尖I型应力强度因子（KI）均呈先增后减的规律，偏载作用下裂尖II型应力强度因子（KII）逐渐增大。此外，随着重载等级的增大，裂尖KI值呈线性增大趋势。 |
| 作者： | 张伟豪 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 李鹏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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