骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10-5 s-1~2×102 s-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明:混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s-1）,即:低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

基于细观模拟的轻骨料混凝土动态压缩破坏及尺寸效应分析

轻骨料混凝土由于其轻质及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,采用塑性损伤本构关系模型,考虑应变率效应的影响,建立了对应的细观随机骨料模型,研究了轻骨料混凝土在动态压缩作用下的破坏行为及尺寸效应规律。发现:随着应变率的增加,惯性效应逐渐成为主导效应,动态压缩强度的尺寸效应逐渐被削弱,达到临界应变率时,尺寸效应被完全抑制。此外,结合率效应影响机制与规律,揭示了轻骨料混凝土动态压缩强度的尺寸效应机理,建立了“静动态统一”的尺寸效应半经验-半理论公式。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载。建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强度特性及宏观应力应变曲线的影响。研究结果表明:在低应变率下混凝土拉伸应变率硬化效应相对较弱,而在高应变率下应变率硬化效应显著增强;在加载上升段应变率突增后加载获得的动态拉伸强度和峰值应变均得到了明显提高;在软化段应变率突增时,混凝土试件的“软化行为”转变为“硬化行为”,宏观应力-应变曲线会出现二次峰值;以初始应变率与突变应变率组合加载得到的动态拉伸强度均低于以突变应变率单独加载得到的拉伸强度,并且强度下降的百分比均随着应变率的增大而增大。     

钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏及尺寸效应律研究

相比于混凝土材料,钢筋混凝土构件的破坏模式与机制更为复杂,采用混凝土材料层次的尺寸效应理论难以描述钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应行为。为研究钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏的尺寸效应行为,从细观角度出发,建立了钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。结合现有试验数据,验证了细观模拟方法的可行性与合理性,进而拓展模拟与分析了剪跨比及配箍率对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为的影响规律,发现:剪跨比对悬臂梁抗剪承载力有较大影响,对尺寸效应的影响很小;配箍率的增大提高了悬臂梁抗剪承载力,同时削弱了梁的抗剪强度尺寸效应。根据剪跨比及配箍率对悬臂梁抗剪强度的影响机制与规律,基于Bažant材料层次尺寸效应律,建立了钢筋混凝土悬臂梁抗剪强度尺寸效应理论公式。对比模拟结果及试验数据,验证了所提尺寸效应理论公式的准确性与合理性。     

钢筋混凝土梁动态剪切性能及尺寸效应细观研究EI北大核心CSCD

基于ABAQUS有限元数值计算平台,考虑混凝土材料的非均质性以及钢筋和混凝土的应变率效应,建立了钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁三维细观数值分析模型,探究了RC梁在不同应变率和配箍率条件下的剪切性能及其尺寸效应行为。结果表明:剪切承载力随着应变率和配箍率的增加均有不同程度的提高;名义抗剪强度随梁高的增大而减小,存在显著的尺寸效应现象;应变率和配箍率的增大一方面可以提高RC梁的名义抗剪强度,另一方面会削弱名义抗剪强度的尺寸效应行为;提出的RC梁静/动态剪切统一尺寸效应律同时考虑了尺寸效应、应变率效应和配箍率的影响,能够较好地预测RC梁在静态和动态作用下的名义抗剪强度,具有一定的准确性和合理性。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将"结果输出"作为"初始条件"对混凝土动态力学行为进行细观模拟,模拟与已有试验结果的良好吻合验证了数值方法的可行性及准确性。在此基础上,研究了高温加热后混凝土动态单轴压缩破坏行为及细观破坏机制,揭示了高温作用对动态压缩强度放大系数的影响规律。结果表明:高温加热后,混凝土动态冲击破坏集中在力学性能薄弱的加载端;相比于应变率效应,温度退化效应对混凝土力学性能（如强度、割线模量）影响更为显著。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究EI北大核心CSCD

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究。同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义。将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件,对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明:与常态混凝土类似,动态荷载(ε^(·)>30 s^(-1))下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反,即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强;动态尺寸效应与应变率呈现相关性,应变率越高,动态尺寸效应越显著,这与碾压混凝土SHPB(the split Hopkinson pressure bar)试验结果相验证;当应变率ε^(·)=1~30 s^(-1)时,尺寸效应并不显著,不同尺寸试件的抗压强度相差不大;准静态荷载ε^(·)=1×10^(-5) s^(-1)下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后,基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。     

钢筋混凝土柱纯扭破坏尺寸效应数值分析

在地震作用下,钢筋混凝土柱时常会受到扭矩的作用,而扭矩的存在会改变钢筋混凝土柱的破坏模式。为探究钢筋混凝土柱纯扭破坏的尺寸效应行为,采用三维细观数值模拟方法,考虑了混凝土细观组分的非均质性及钢筋与混凝土间的粘结滑移作用,建立了钢筋混凝土柱的纯扭作用数值模型。模拟分析了结构尺寸、纵筋率、配箍率和截面形状对钢筋混凝土柱抗扭破坏的影响。结果表明:钢筋混凝土柱扭转破坏表现为脆性特征,名义抗扭强度表现出明显的尺寸效应;纵向配筋对扭转强度尺寸效应影响不大;方形截面柱比圆形截面柱具有更强的尺寸效应;箍筋可以提高扭转强度,且可以削弱名义抗扭强度的尺寸效应。最后,修正了Ba?ant尺寸效应律,建立了全结构尺寸范围内的名义抗扭强度预测公式。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型

混凝土宏观力学性能与其内部细观结构构造密切相关。该文建立了一类能够考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型。首先,采用细观力学数值试验法对理论模型中的参数进行了标定;进而,基于该模型对混凝土断裂能和单轴抗拉强度在材料层次的尺寸效应行为进行了分析。结果表明:混凝土断裂能和单轴抗拉强度均随骨料级配（即最大骨料粒径）发生变化,且受到界面特性的影响。当界面过渡区力学性能相对薄弱时,混凝土强度较低,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大而呈现减小的趋势;当界面过渡区力学性能较强时,混凝土强度较高,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大亦呈现增大的趋势。计算结果与试验结果吻合良好,验证了该文建立的理论预测模型的准确性和合理性。     

HSLA TRIP钢的动态拉伸行为及其模拟

研究了HSLA TRIP钢的相变诱发塑性,并模拟了其动态流变行为．结果表明,HSLA TRIP钢是应变率敏感的,屈服强度和抗拉强度均随着应变率的提高而增大,断裂延伸率降低．其变形机理是应变率硬化、绝热软化和残余奥氏体的应变诱发相变等因素的综合作用．计及拉伸流变过程中准静态向热激活、热激活向粘性拖曳及热激活和粘性拖曳综合作用和高应变率热软化特性,计算结果与实验具有较好的一致性．在高应变率拉伸变形过程中HSLA TRIP钢的塑性功热转化率为0．8-0．9．     

剪跨比对CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究

剪跨比对FRP抗剪加固梁的裂缝开展和破坏模式有重要影响,但对FRP加固梁抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少。采用三维细观数值模拟方法,考虑混凝土细观组成的非均质性及碳纤维布(CFRP)与混凝土之间的相互作用,建立了CFRP加固无腹筋钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型。在验证细观模拟方法合理性的基础上,拓展模拟与分析了剪跨比对CFRP加固钢筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响机制与规律。研究结果表明:剪跨比对CFRP抗剪加固梁剪切破坏模式影响较大,剪跨比越大,加固梁愈趋近于延性较好的斜拉破坏;剪跨比对CFRP加固梁抗剪承载力有较大影响,对抗剪强度尺寸效应影响较小;剪跨比对加固梁中的CFRP剪切贡献影响较大,剪跨比越大,CFRP对加固梁的抗剪效果越好,其中对中型剪跨比(λ=2.5)的梁加固效果最有效。     

CFRP布加固方案对RC梁剪切性能及尺寸效应影响分析EI北大核心CSCD

采用同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土之间的相互作用以及CFRP布与混凝土之间的相互作用影响的三维细观数值模拟方法,建立了CFRP布加固RC梁剪切破坏力学分析模型。在验证了细观数值方法合理性的基础上,设计并建立了12根CFRP布加固RC梁细观模型,探究相同CFRP配纤率(用布量)前提下,不同CFRP布加固方案对单调荷载作用下RC梁的剪切性能及尺寸效应的影响。结果表明:CFRP布应变分布与裂缝位置紧密相关,越靠近裂缝位置的CFRP布应变越大,提供的抗剪贡献越多;在CFRP配纤率一致的前提下,CFRP布宽度大厚度小的加固方案优于CFRP布厚度大宽度小的加固方案;CFRP布U型加固RC梁剪切强度存在尺寸效应现象,但相同CFRP配纤率下,不同CFRP布加固方案对名义抗剪强度尺寸效应的影响较小,可以忽略。