摘要
工程竹是由竹束或竹片胶合而成、具有明确力学性能参数的竹基复合材料（bamboo-basedcomposite），宏观上可视为纤维定向复合材料，材料主向即为顺纹方向，其力学性能稳定，变异性小，强度一般高于工程木制品，适用于建造多高层结构。材料中的微孔扩展并生成宏观裂纹，最终导致断裂破坏，是工程竹的主要破坏机理。这种断裂破坏会导致结构在低于预期应力的情况下发生严重刚度和强度退化，影响结构的正常使用和结构安全。可见，断裂问题是工程竹结构设计和寿命评估中必须考虑的重要因素。 由于工程竹是一种纤维定向复合材料，非线性断裂特征显著，断裂过程中的纤维“桥连”现象致使实际意义上的裂纹尖端并不存在。因此，如何确定裂纹扩展长度或裂纹前端损伤区（FPZ）长度，是工程竹断裂问题研究的难点和重点。 本文聚焦工程竹剪切型（Ⅱ型）断裂问题，针对裂纹前端损伤区长度和断裂能确定方法，开展理论分析和试验研究，主要研究内容和成果包括： （1）采用高速成像技术和DIC数字图像相关技术，研发了高速裂纹扩展观测系统。该系统可以1000帧/秒的速度，采集裂纹扩展过程中荷载与裂纹长度变化，记录裂纹前端应变场演化过程；依据裂纹前端应变场和荷载的变化规律，提出了基于该高速观测系统的名义裂纹尖端确定方法，可通过试验，直接给出P-a曲线并计算断裂能。本文提出的试验技术，解决了现行标准ENF方法无法得到P-a曲线的问题，无需再通过荷载-位移曲线（P-δ曲线）和完全线性卸载假定间接估算裂纹长度。到目前为止，本文提出的试验方法，未见类似报道。 （2）基于高速裂纹观测试验技术，采用标准ENF试件，开展了工程竹Ⅱ型断裂试验，研究了工程竹Ⅱ型断裂破坏历程与破坏模式。结果表明：工程竹Ⅱ型断裂可以概括为三个阶段，线性阶段、裂纹前端损伤积累阶段和裂纹扩展阶段。线性阶段，裂纹无损伤发生，试件荷载-位移曲线呈线性关系；当外荷载达到比例极限时，裂纹前端开始出现损伤，断裂进入损伤积累阶段，试件刚度逐渐减小，荷载-位移曲线出现非线性软化现象，同时，阻力曲线（R曲线）开始非线性（下凹）增长；当损伤发展到临界状态时，FPZ充分发展，R曲线达到最大值，裂纹开始不稳定扩展，此时R曲线保持水平，荷载-位移曲线突然下降。 （3）采用内聚力模型，导出了标准断裂试件端部裂纹梁（ENF）的剪切型（Ⅱ型）非线性断裂分析控制方程，给出了该方程基于双线性内聚力本构关系的解析解，得到了ENF试件比例极限荷载、断裂极限荷载与内聚力参数之间关系的解析公式。在此基础上，进一步开展了ENF试件的断裂分析，提出了确定内聚力参数、裂纹前端断裂损伤区长度（FPZ）和断裂能的方法。该方法从理论上建立了标准ENF试验中的荷载-裂纹长度关系（P-a曲线）、试件柔度-裂纹长度关系（C-a曲线），给出了断裂能计算解析公式，避免了现行ENF标准试验由于裂纹或损伤长度难以确定所致的大量数据处理过程及其完全线性卸载假定所致的断裂能计算误差。经试验验证，本文导出的模型具有较高的精度。 （4）研究了ENF试件尺寸、初始裂纹长度对断裂测试结果的影响，结果表明：当初始裂纹长度较小时，裂纹前端损伤区发展不充分，工程竹Ⅱ型断裂非线性特征不明显；随着初始裂纹长度的增加，裂纹前端断裂损伤区发展趋于充分；当ENF梁宽高比满足平面应变问题假定且初始裂纹长度a0与裂纹韧带长度L（ligament length）满足0.55＜a0/L＜0.65时，裂纹前端损伤区断裂参数趋于一定值，可以测得稳定的断裂能。 综上，本文提出了高速裂纹观测试验技术，建立了基于此技术的ENF标准断裂试验方法和非线性分析方法，给出了获得稳定断裂能的试验技术参数，为工程竹和与之类似的纤维复合材料ENF剪切型断裂试验与分析提供了理论依据与技术手段。
NETL