考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析

混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明：劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。     

混凝土轴心抗压强度与高宽比关系的数值分析

混凝土作为重要的建筑材料已有百余年的历史,当前在土木工程领域中,更被为广泛应用。对于混凝土轴心抗压强度,已有前人通过试验,得到其存在的关系——即轴心抗压强度受到构件高宽比的影响很大,高宽比h/b=2～4时,其强度趋近于稳定。但在高宽比h/b=2～4范围之外,强度是如何变化,很少被工程界从事实践的人士所掌握。本文应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心(CRISR)自主开发的RFPA2D系统软件,进行了混凝土轴心抗压破坏过程的数值分析,直观地显示了混凝土的受力过程和破坏过程,从而较好地阐明了混凝土轴心抗压强度与高宽比的关系。因此,明确混凝土轴心抗压强度在不同高宽比范围内如何变化,对于工程实践人士进一步研究混凝土的特性,以及合理开展工程设计、保护国家财产和人民安全的举措上有着重要意义。     

基于超声波测试的片岩单轴抗压强度预测模型

岩石单轴抗压强度是岩土工程中最基础、最重要的参数之一,建立其快速、方便、经济的预测方法一直是岩土界的研究热点。为了获取片岩单轴抗压强度的预测模型,基于超声波试验和单轴压缩试验数据,对福建某矿山的片岩岩样分别开展了单轴抗压强度与纵波波速、横波波速、纵波模量、横波模量、动弹性模量和静弹性模量的回归性分析,并各自建立了线性、对数、多项式、指数函数和幂函数5种回归模型。分析表明,除了动弹性模量以外,其他参量都易受空间变异性和各向异性影响,不适合用于片岩单轴抗压强度的预测。最终,通过拟合度、所包含参量、量纲平衡、测试方法以及显著性分析,确定基于动弹性模量建立的线性回归模型是最合理、可靠、方便的片岩单轴抗压强度预测模型。研究成果可为开展岩石单轴抗压强度预测的相关理论研究和工程应用提供参考和帮助。     

高强混凝土材料细观冻融损伤与抗压强度的关系

为研究高强混凝土冻融损伤机理及其与抗压强度之间的关系,采用RapidAir结合金相显微镜的方法,实现对混凝土细观冻融损伤的连续观察,探究了细观结构对冻融的敏感程度以及细观破坏对宏观破坏的影响规律.结果表明:对高强混凝土而言,较低的含气量和较大的气泡间隔系数并不意味着较差的抗冻性;孔隙群的冻融响应敏感,且微裂缝出现较早,该区域的缺陷增长能与冻融前期混凝土抗压强度线性下降很好地对应,但此时混凝土的抗压强度下降并不明显;相对孤立的孔和砂浆与粗骨料的界面过渡区较不敏感,这些区域出现损伤后,混凝土的抗压强度逐渐非线性下降,预示着混凝土即将冻碎.     

高强混凝土层裂数值仿真

为军事防护工程的安全合理设计提供关键的材料特性参数,研究高强混凝土(HSC)在冲击作用下的动态性能响应,采用软件LS-DYNA对C80级HSC在霍普金森压杆(HPB)装置上的冲击层裂过程进行数值仿真分析。仿真表明:应力波在混凝土试块的传播过程中,波形基本保持不变,且峰值震荡不明显;随着冲击速度的增大,混凝土试块的破坏越来越严重;横截面内层裂裂缝由试块表面向内部扩展。数值仿真结果与试验结果有较好的相似性,基本能够反映出HSC试块在HPB冲击层裂试验过程中的受力与破坏特征,由试验结果修正后的HJC本构参数可为后续HSC层裂性能的进一步研究提供参考。     

考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤模型

该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型,将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段,考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下,混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化,可由初始弹性模量E反映;在进一步承受压缩荷载过程中,微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变,可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下,混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性,将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性,该文开展了混凝土单轴压缩试验,获得冻融循环次数N为0次～150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线,同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好,模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。     

非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟

在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明：1) 与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2) 骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3) 与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。     

橡胶混凝土单轴受压疲劳性能研究

为掌握橡胶混凝土单轴受压疲劳性能,用粒径为30目的橡胶颗粒以不同掺量代砂制备橡胶混凝土,进行等幅循环荷载单轴受压疲劳试验研究。采用Miner累积损伤理论定义损伤量,并建立橡胶混凝土疲劳应变的损伤模型。使用概率统计方法对橡胶混凝土疲劳寿命的试验结果进行可靠性分析,得到等幅循环荷载作用下橡胶混凝土单轴受压疲劳寿命分布规律。结果表明:应力水平相同时,橡胶混凝土的疲劳寿命优于普通水泥混凝土,且随橡胶掺量的增加,混凝土的疲劳寿命随之提高。橡胶混凝土的疲劳应变变化符合普通混凝土疲劳应变发展的三阶段规律,橡胶混凝土疲劳寿命服从对数正态分布。采用双对数方程对橡胶混凝土的疲劳寿命进行线性回归分析,可得到P-S-N曲线及疲劳极限强度。     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

孔隙水对湿态混凝土抗压强度的影响

湿态混凝土受压时会产生孔隙水压力,孔隙水压力的大小与混凝土的变形和裂纹的扩展速度相关。孔隙水压力的产生给混凝土的力学性能带来一些影响,但是目前这方面的理论研究甚微。尝试利用断裂力学的方法,来探讨湿态混凝土在承受单轴压缩荷载时,孔隙水压力对混凝土开裂、扩展和抗压强度的影响。研究结果表明:混凝土中的孔隙水压力减小了阻碍混凝土开裂的摩阻力,相当于楔体的“楔入”作用,加速了混凝土的损伤和微裂纹的扩展,与干燥态的混凝土相比,湿态混凝土的开裂应力和抗压强度都有所降低。     

箍筋约束混凝土单轴滞回本构实用模型

该文深入研究了箍筋约束混凝土单轴滞回本构模型,并利用ABAQUS-2次开发功能对6种典型的模型进行计算分析。通过各模型计算结果与试验结果的比较以及各模型之间的比较,从受压骨架曲线,受压滞回曲线,受拉滞回曲线3个方面,研究了各模型的准确性和计算效率。在对比分析的基础上,建立了一个与实验符合较好、且考虑复杂加载路径的混凝土...     

单调轴向荷载下钢筋混凝土拉伸损伤本构研究

在已有的连续损伤理论基础上,研究综合考虑混凝土损伤、钢筋混凝土粘结滑移、以及受拉刚化效应等因素的钢筋混凝土拉伸本构模型,所提出的模型可以由其中各元件的本构特性推导出钢筋混凝土受拉损伤本构.该模型可以表征混凝土损伤、配筋等参数与钢筋混凝土试件受拉特性之间的量化关系,可以用于分析配筋受拉试件的初裂荷载、裂缝宽度等.通过与试验数据的对比得出了一些很有意义的计算与分析结果.     

含盐冻结粉质粘土单轴抗压强度试验研究

通过对饱和含盐冻结粉质粘土单轴抗压强度试验,得到了试验条件下土体的单轴抗压强度与含盐量、负温的关系;讨论了应变速率一定,温度和含盐量变化时,含盐冻结粉质粘土的屈服应力和抗压强度间的关系;提出了相对温度这一新概念,并给出抗压强度与相对温度间的线性关系。相对温度的引入建立了盐渍土和非盐渍土力学性质的关系,从而可以用非盐渍土力学性质预测盐渍土的力学性质。     

混凝土单轴压缩CT观测及三维变形场计算分析

利用微焦点工业CT对混凝土试件单轴压缩过程分阶段进行原位扫描,获得相应的系列CT图像。由数字体散斑法（Digital Volumetric Speckle Photography,DVSP）获得了试件内部三维位移场与应变场。混凝土内部非均匀细观结构可以作为散斑结构成为变形信息的载体用于试件内部变形的测量;通过位移场和应变场的分析,揭示了试件内部变形局部化区域的演化及破坏过程,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。根据试件的体积应变随轴向应力的变化曲线分别定义了小于CT尺度微裂隙和CT尺度裂隙的发育点,分别为峰值应力的54.7 %和82.0 %,这两点同时对应着试件扩容的起始点及塑性变形的起始点。结果表明,DVSP与CT技术相结合能够直观地揭示混凝土试件内部变形局部化产生及发展过程,为三维变形的精细测量及可视化提供了方法。     

不同强度等级混凝土遭受超低温冻融循环作用的受压强度试验研究

通过设计强度等级C40、C50及C60混凝土经历0次、16次和30次温度区间分别为15℃~-120℃和15℃~-190℃的冻融循环作用试验,探讨不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用下受压强度变化规律。试验结果表明,不同强度等级混凝土试件上下限温度时加载的破坏形态基本上类似、均大致呈对顶锥状,但其破坏面状况等破坏特征有所不同。经历各种超低温冻融循环作用工况混凝土上、下限温度时的相对受压强度随其含水率增加基本上均呈下降趋势。而随强度等级提高,上限温度时混凝土相对受压强度呈增大态势,但各强度等级混凝土均随冻融循环作用次数的增加呈下降趋势;下限温度时不同超低温温度区间的混凝土相对受压强度虽也基本上有所增大,但增大的原因存在明显的差异。给定的超低温冻融作用温度区间工况下各强度等级混凝土下限温度时相对受压强度随冻融循环作用次数增加的变化趋势相似,但不同温度区间时却不同。超低温冻融作用对混凝土性能影响与常规冻融作用不同,其受压强度恶化更为严重。实际工程中不能直接地将常规冻融循环作用研究结果应用于设计具有超低温冻融作用的混凝土结构。     

水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型

多孔多相的饱和混凝土中,孔隙自由水对混凝土的力学特性有显著的影响。该文基于损伤力学基本原理建立了单轴压缩条件下水饱和混凝土的弹塑性损伤本构模型,并结合太沙基“有效应力原理”,认为材料的损伤是由本体有效应力和结构有效应力引起的,根据应力平衡条件得出了两种有效应力下的应力关系方程,并在此基础上建立了水饱和混凝土的单轴压缩损...     

聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究

混凝土结构在受到远超其极限强度的准静态或者冲击载荷作用时,常常发生粉碎性的破坏,导致结构坍塌。采用高弹性材料包覆混凝土有可能减缓结构的灾难性坍塌。该文研究了聚脲涂层包覆的圆柱形混凝土试件在准静态和动态落锤压缩下的破坏过程和吸能特性。实验结果表明混凝土试样的抗压强度存在明显的应变率硬化效应,观察到聚脲包覆混凝土和无聚脲包覆混凝土破坏后期残余承压特性的明显差异。分析了有无聚脲包覆混凝土的破坏形态,结果表明聚脲包覆混凝土的压缩吸能效果远远优于无包覆混凝土,有可能承压吸能构件应用于工程实际。