基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点，而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程，本文在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上，建立了细观混凝土力学模型，提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法，对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究，利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明：细观模拟的裂纹形态与试验结果相符；裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程，可以定量描述材料损伤演化的特性；发现了混凝土从“均匀”损伤至局部破坏的临界点；细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小；随着混凝土试件骨料级配数的增加，骨料颗粒和界面减少，整体耗能降低，应力峰值和裂纹分形维均减小。此外，本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从“均匀”损伤进入局部破坏的临界点，是损伤和断裂的分界点，相应的损伤值约为0.8，该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

不同加载速率下界面过渡区对混凝土破坏模式的影响

混凝土细观结构形式及其力学性能决定混凝土宏观力学性能及损伤破坏模式。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土二维随机骨料有限元模型。采用耦合材料应变率效应的塑性损伤本构模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学性能;认为骨料不产生损伤破坏,为弹性体。对不同加载速率下双边缺口混凝土试件的拉伸破坏模式及混凝土梁动态弯拉破坏过程进行了数值研究,探讨了界面过渡区对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。数值结果表明当加载速率较小时,界面过渡区的力学性能对混凝土拉伸、弯拉破坏模式和宏观力学性能有显著的影响;而当加载速率很大时,如冲击载荷作用(名义应变率50 s-1)下混凝土动态拉伸破坏模式及混凝土梁弯拉破坏模式基本不受界面过渡区力学性能的影响。因此,在对高速冲击、碰撞或爆炸下关于混凝土拉伸破坏的数值研究中可忽略界面过渡区的影响。     

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

混凝土圆柱体试件劈拉性能数值模拟

为从细观层次上研究混凝土的劈拉力学性能,运用不同的三维随机骨料模型模拟混凝土中粗骨料,利用非线性有限元方法对混凝土劈拉细观损伤断裂进行数值模拟。结果表明:裂纹最先起裂于界面,随后扩展至砂浆直至整个试件断裂破坏,数值分析结果与试验结果基本吻合,所采用的数值分析方法在模拟混凝土劈拉力学性能时具有较高的可靠性。     

基于细观力学模型的三级配混凝土立方体试件单轴损伤数值分析

为分析混凝土细观结构在单轴荷载作用下的损伤演化过程,研究混凝土单轴破坏的宏观力学性能,基于细观力学模型,采用Marazs 损伤模型描述混凝土内部各相材料的本构关系,通过数值实验分析三级配混凝土立方体试件单轴破坏的宏观力学性能。数值实验结果表明：混凝土试件在单轴荷载作用下的损伤断裂是由于内部的初始损伤不断累积演变的结果,其数值实验的最终破坏形态与宏观层次上的破坏形态基本相似,粗骨料分布、粘结层厚度、粘结层和基体强度对混凝土宏观破坏具有一定的影响,说明该方法对混凝土细观结构破坏机制的分析合理、可靠。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料的细观力学分析模型基础上，提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用本文细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究，并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：(1) 细观尺度上，采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合很好，验证了本文细观力学方法的有效性和准确性；(2) 相比于宏观尺度分析模型，细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性，从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式，且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

地震荷载作用下大坝系统的非线性动力损伤分析

本文在连续损伤力学理论基础上，把非线性动力损伤的概念引入岩石类介质的本构模型，分别提出岩石类材料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤破坏模型。同时，将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，用于分析在渗流压力、损伤发展、孔隙率演化和动应力共同作用下堤坝及岩基系统的非线性地震动力损伤，建立了相应的二维有限元动力损伤数值分析模型，并应用于地震荷载作用下的龙滩混凝土重力坝及其岩基的破坏过程分析，分析结果可作为大坝的安全性评估的依据。     

用改进Najar能量法分析混凝土单轴受压损伤特性

Najar能量法定义了损伤耗散能和无损应变能,并通过两者的比值确定了混凝土单轴受压情况下的损伤变量。该方法原理清晰,但不能在宏观上很好地描述混凝土单轴受压破坏的实际过程。针对此问题改进了Najar能量法,将混凝土受压过程中的弹性变形和塑性变形剥离开来,定义了一个新的损伤变量。为了对比分析改进前后的方法,进行了不同加载速率下的混凝土单轴压缩试验,并对试验数据加以拟合。以拟合后的试验数据为基础,分别利用改进前后的两种方法计算了混凝土受压过程中损伤变量,得到了改进前后损伤变量随应变变化的关系曲线。对比分析发现,改进后的Najar能量法在计算上更为简便,而且在宏观上更符合混凝土单轴受压的一般破坏规律。同时,这一关系曲线也反映了混凝土材料的应变率效应。     

应变率效应对混凝土动弯拉强度的影响

本文基于混凝土材料的应变率效应及有关试验资料，给出了混凝土材料强度和弹性模量强化曲线，根据该关系曲线并考虑初始静预载的情况，建立了混凝土梁动弯加载过程的有限元数值模型。利用该数值模型模拟了不同加载速率和具有不同初始预静载时梁在冲击荷载作用下动弯拉破坏过程，分析了混凝土强度和弹性模量的应变率敏感性对不同初始预静载水平下的混凝土梁动弯拉强度的影响，初步揭示出动载强度随着应变率变化的规律。研究表明，在复杂加载情况下，动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。     

基于NGA模型的主余震序列作用下重力坝损伤破坏研究

传统的线弹性模型和弹塑性DP模型难以真实反映混凝土、岩石地基在遭遇超出其抗拉压强度时的损伤破坏规律。为更加全面地评估余震作用对已损重力坝结构的累积破坏影响,本文采用塑性损伤力学模型来模拟坝体的动力损伤,同时考虑岩石材料的非线性性质,将塑性损伤力学的方法推广到岩体材料,建立了大坝坝体与地基的整体损伤力学模型,实现了重力坝整体动态损伤演化全过程模拟。结合主震与强余震统计关系和NGA地震动衰减关系构造了主余震地震动序列,分别研究了单次主震、单次余震以及主震后余震对强震区混凝土重力坝坝体地基整体损伤演化的影响。研究结果表明:余震作用对坝基的塑性应变累积效应显著,对于主震受损的混凝土重力坝结构,余震作用能够引起结构较大的二次残余变形。     

边坡及挡土墙变形局部化分析

本文将局部和非局部软化损伤线性结合在一起表示非局部软化损伤内变量，给出变形体边界上积分点非局部内变量的复合映射方式。用非局部连续莫尔-库仑模型和次塑性模型(Hypoplasticity)，分别对边坡和挡土墙的变形局部化破坏过程进行了模拟分析。二维、三维有限元计算结果表明，本文采用的软化损伤内变量非局部方式和非局部边界的处理是行之有效的，反映材料微观性态的特征尺度以统计平均的方式表达，在材料本构关系中加以体现，所得计算结果对有限元网格的划分具有不敏感性，因而用非局部连续模型模拟土工建筑物的变形破坏过程具有可行性。     

动态循环荷载下大坝混凝土拉压转换损伤本构模型构建及影响研究

目前混凝土坝抗震安全评价中,对于动态循环荷载下大坝混凝土损伤本构模型中从受拉状态向受压状态转变过程(拉压转换)中的混凝土弹性模量变化,一般都基于商用软件ABAQUS的"单边效应"假设,认为混凝土弹性模量立即恢复为初始弹性模量。上述假设的合理性缺乏试验验证,直接影响混凝土坝抗震安全评价的可靠性。通过对全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果的观察分析,发现混凝土从受拉状态进入受压状态后弹性模量并非立即恢复为初始弹性模量,而是由损伤后弹性模量连续渐进恢复至初始弹性模量,期间原有的受拉残余应变在压应力作用下迅速减小到较小数值,因此ABAQUS的"单边效应"假设并不符合实际情况。本文以全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果为基础,提出受拉损伤发生后,拉压转换时受压应力应变关系采用双折线模型的思路,据此推导了相应的应力-应变关系解析表达式,构建了更接近混凝土拉压转换时真实状况的本构关系数值模型。通过实际工程的计算分析,发现常用的受压弹性模量立即恢复为初始弹性模量的损伤本构模型过高估计了坝体刚度,可能带来偏于不安全的评价结果。     

船舶撞击荷载作用下高桩墩的破坏分析

提出了以动量守恒定律为基础,试算输入不同简化撞击力-时间荷载曲线,计算结构的动力响应与现场检测结果一致为准则,基于有限元模型分析船撞结构损伤破坏的数值分析方法。以中泉石化船撞高桩系缆墩事故为背景,运用通用有限元显示动力分析软件LS-DYNA,建立了高桩系缆墩的三维有限元模型,采用所提出的方法计算分析了受撞系缆墩的破坏过程。数值分析结果表明,当撞击时间为13.75 s时,系缆墩残余位移与现场检测结果一致,系缆墩在船舶撞击作用下墩台发生剪切破坏的现象与事故现场相符;同时数值模拟结果表明系缆墩灌注桩混凝土在嵌岩端上部发生不同程度破坏,钢套筒进入屈服阶段;对系缆墩结构整体进行损伤等级评估,属于中等破坏。