基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型

根据碾压混凝土材料的力学特性和损伤拉压显著不同的特点,分别在拉应变和压应变空间建立了碾压混凝土的本构关系和损伤演化方程。在拉应变空间,碾压混凝土的变形特性表现为脆弹性,考虑弹性与损伤耦合,应用正交各向异性损伤理论描述碾压混凝土的刚度退化和应变软化;在压应变空间,考虑弹塑性与损伤耦合,应用内时理论来描述碾压混凝土的弹塑性特性,正交各向异性损伤理论来描述微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化,内时理论没有屈服面,使模型的参数和方程大大减少,从而简化了非线性计算过程。计算结果表明,该模型能够较好地描述碾压混凝土在单轴和多轴加载下的性质。     

混凝土双轴拉-压综合随机损伤本构关系研究

实际工程中的混凝土结构大多处于复杂应力状态,该文考虑混凝土组成材料物理性能的差异及横向变形性等特点,基于混凝土单轴受拉弹簧-摩擦块细观单元,建立混凝土双轴拉-压随机损伤细观模型。在双轴拉-压荷载组合作用下,根据混凝土破坏过程中的能量守恒原理,分别建立超高强高性能混凝土、普通混凝土及高强混凝土综合随机损伤本构关系,并针对损伤本构函数进行多参数灵敏度分析。通过理论值与试验结果的比较,验证了提出的随机损伤本构关系的有效性。     

钢-混凝土组合简支梁滞回性能非线性有限元分析

为实现钢-混凝土组合简支梁滞回性能三维非线性有限元分析,该文提出混凝土在单轴拉、压应力下的损伤变量计算方法,给定了混凝土的卸载规则,完善并提出混凝土应力-应变滞回本构关系和钢材循环本构关系,应用ABAQUS有限元软件建立混凝土棱柱体试件、钢材试件和钢-混凝土组合简支梁有限元三维非线性有限元模型,对混凝土棱柱体试件在单轴受压和受拉反复荷载下的试验结果进行分析,对钢材试件在单轴拉压循环荷载下的试验结果进行分析,对钢-混凝土组合简支梁在循环荷载下的荷载-挠度滞回关系、梁端荷载-滑移滞回关系以及栓钉的荷载-侧向变形滞回关系曲线等试验结果进行分析,计算结果与试验结果符合较好。     

混凝土拉-压疲劳损伤模型及其验证

基于连续损伤力学理论,提出了混凝土单轴拉-压疲劳损伤模型。模型中采用了拉和压两个边界面。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内,由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系,确定了疲劳加载中极限断裂面尺寸的变化规律,由此模拟混凝土在循环荷载作用下的刚度退化过程。结合作者完成的疲劳试验结果,确定了理论模型中的计算参数。经比较,理论模型预测的应力-应变数值、疲劳寿命和试验结果吻合较好。     

一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变

基于Hsieh-Ting-Chen强度破坏准则的思想,提出由于求解混凝土各向同性损伤模量的等效应变。首先通过混凝土试件材料特性以及强度试验资料来确定四参数,然后求解出由多轴应力状态下的应变退化得到的等效应变以及相应的损伤模量。对一混凝土立方体试件进行有限元分析,计算结果表明:采用该等效应变计算所得的应力应变曲线与试验曲线吻合性较好,从而说明了该等效应变的合理性,并且可说明利用该等效应变的损伤模型不但可以描述单轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线,而且能描述多轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线。该等效应变形式单一,计算简单。     

一种新的混凝土各向异性弹塑性损伤本构模型及其数值实施

该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型,以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制,建立了拉、压不同的两种损伤演化方程,用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外,根据应变等效假设,假定有效构型和损伤构型的应变相等,该方法不仅大大简化了模型的推导过程,而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算,也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现,损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现,从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明:该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为;对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明:该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点,计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况,计算效率也更高。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应分析

在实际的结构应用中,混凝土类材料一般处于复杂工作应力状态,且可能承受动态荷载的作用。据此,本文采用Instron3421液压伺服试验机和具有主动围压加压装置的SHPB研究了混凝土材料-砂浆宽应变率范围多轴应力下的动态力学行为;基于Johnson-Cook强度模型框架,确定了等效强度模型的率相关参数及其他材料常数;提出了适用于描述主动围压下砂浆受冲击荷载的损伤演化规律,并确定了损伤演化常数,实验数据与理论值吻合较好     

混凝土双轴拉压、三轴拉压压变幅疲劳性能研究

利用大型多轴疲劳试验机,进行了拉压双轴和拉压压三轴荷载作用下混凝土两级、三级变幅疲劳试验研究,重点分析了残余应变的变化规律。试验结果表明:混凝土在拉压和拉压压加载工况下的残余应变主要与相对疲劳次数和侧压应力比有关,基本不受加载历程因素的影响。定义相对残余应变为损伤变量,建立了损伤演变方程,并进行了疲劳损伤分析和剩余疲劳寿命预测,为混凝土在多轴变幅疲劳试验研究及疲劳损伤评价提供参考。     

模拟混凝土滞回行为的各向异性损伤模型

该文引入相互独立的拉损伤、压损伤演化规律,分别描述受拉开裂和受压破碎导致的混凝土损伤行为,然后采用非线性卸载．线性重加载模拟滞回行为,建立了改进的各向异性损伤模型。该文还建议了模型关键参数的率定方法。应用该模型模拟混凝土受拉和拉一压往复加载试验,计算获得的应力-应变曲线与试验曲线具有良好的可比性,能够反映损伤导致的刚度...     

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。     

水工混凝土弥散型裂缝数值模型中开裂判据的研究

重大水利工程中,混凝土结构多处于高水压环境,坝体或多或少存在着裂缝,然而大部分开裂的混凝土坝仍能够安全运行,从而引申出是否可以允许混凝土结构出现裂缝,多大的裂缝才不至于引起破坏,以及用怎样一个合理的指标来对混凝土开裂程度进行描述评判的问题。该文以等效塑性应变表征混凝土弥散型裂缝模型数值模拟中的开裂破坏,通过混凝土单轴拉伸数值模拟,并根据试验资料及相关文献,建立了等效塑性应变与主拉应变、裂缝宽度之间的关系,得到对应于“有害裂缝”的等效塑性应变值。将方法和成果运用到混凝土重力坝的开裂研究中,具有较好的实际工程意义。     

Computational applications of a coupled plasticity-damage constitutive model for simulating plain concrete fracture

A coupled plasticity-damage model for plain concrete is presented in this paper. Based on continuum damage mechanics (CDM), an isotropic and anisotropic damage model coupled with a plasticity model is proposed in order to effectively predict and simulate plain concrete fracture. Two different damage evolution laws for both tension and compression are formulated for a more accurate prediction of the plain concrete behavior. In order to derive the constitutive equations and for the easiness in the numerical implementation, in the CDM framework the strain equivalence hypothesis is adopted such that the strain in the effective (undamaged) configuration is equivalent to the strain in the nominal (damaged) configuration. The proposed constitutive model has been shown to satisfy the thermodynamics requirements. Detailed numerical algorithms are developed for the finite element implementation of the proposed coupled plasticity-damage model. The numerical algorithm is coded using the user subroutine UMAT and then implemented in the commercial finite element analysis program Abaqus. Special emphasis is placed on identifying the plasticity and damage model material parameters from loading-unloading uniaxial test results. The overall performance of the proposed model is verified by comparing the model predictions to various experimental data, such as monotonic uniaxial tension and compression tests, monotonic biaxial compression test, loading-unloading uniaxial tensile and compressive tests, and mixed-mode fracture tests.     

孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响

混凝土内部随机分布的微裂纹和孔洞等细观缺陷影响其破坏机理及宏观力学性能,且孔隙率随着外荷载的变化而不断变化。该文中将含缺陷(微裂纹、各种空隙等)混凝土复合材料简化为空心球力学模型,基于弹性力学理论推导并获得了混凝土当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系;推导并得到了含孔隙混凝土的有效弹性模量、有效泊松比及峰值应变等与孔隙率的定量关系,进而得到了单轴加载条件下含孔隙混凝土细观单元的等效多折线本构关系模型。最后,采用细观单元等效化力学模型,研究了单轴加载(拉伸和压缩)情况下不同孔隙率混凝土材料的破坏过程及宏观力学性能,探讨了孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

Lateral behavior of concrete under uniaxial compressive cyclic loading

In reinforced concrete structures under seismic loading, concrete is subjected to compressive cyclic stress. Although cyclic stress–strain response has been described before, the cyclic behavior of strains in the direction orthogonal to loading has not been characterized yet. Such behavior can be of great importance for evaluating the efficiency of the confinement under cyclic loading. For this purpose an experimental program on cylindrical specimens of concrete strength from 35 to 80 MPa subjected to uniaxial cyclic compression was carried out. Stress versus longitudinal and lateral strains curves have been obtained both for the hardening and softening branches under monotonic and cyclic loading. Governing parameters of the lateral behavior are identified and correlated to describe the response of the lateral strain. Additionally, an analytical model to obtain the lateral deformations of concrete under cyclic uniaxial compression has been formulated and verified experimentally. Finally, some examples are presented in order to illustrate the applicability of the proposed model and its possible incorporation into a 3D constitutive cyclic model.     

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。