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。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10-5 s-1~1 s-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

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。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

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。     

高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响：精细化模拟

为研究高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响,建立了考虑带肋钢筋表面特征和混凝土材料非均质性的三维细观模型,与试验的破坏模式和黏结应力-滑移曲线进行对比,验证了细观模型的合理性。在此基础上,分析了高温下和冷却后钢筋-混凝土动态黏结应力-滑移行为的变化规律。结合数值模拟结果,建立了考虑高温效应的动态黏结强度预测公式。结果表明：细观模型能够反映变形钢筋与混凝土界面的开裂过程和黏结破坏机理;随着应变率的增加,高温下或冷却后的混凝土损伤区域逐渐减小;应变率相同时,高温下混凝土的损伤区域明显大于冷却后;随着温度的升高,高温下或冷却后试件的极限黏结强度均线性下降;相同温度环境下,应变率增加使得极限黏结强度非线性提高;预测结果与试验结果的良好吻合,说明本文提出的经验公式可以合理反映钢筋-混凝土动态极限黏结强度的高温效应。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

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...     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

高温下混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和高温炉进行了高温下普通混凝土的抗冲击性能试验研究,通过比较实测动态强度和应力-应变曲线,揭示了温度和应变率对高温下混凝土动态力学性能的影响规律.试验结果表明:除200℃~300℃范围外,高温下混凝土具有显著的应变率效应,且温度越高动态应变率效应越显著;温度和应变率对混凝土归一化应力-应变关系曲线上升段的形状影响很小,可采用统一的函数形式.200℃~300℃低温区混凝土不仅无明显动态效应,且存在静力强度衰减现象,此特性需引起注意并有待进一步研究.     

不同温度环境中沥青混凝土动态抗压性能试验研究

为研究沥青混凝土在不同温度环境中的动态力学特性,该研究在-20~30℃和10-5~10-2 s-1条件下对其进行了动态抗压试验研究。试验结果表明:温度和应变速率对沥青混凝土的力学性能有显著影响,降低温度或增加应变速率导致抗压强度和弹性模量增加,峰值应变减小;当温度大于20℃或小于-10℃时,应变速率由10-5 s-1增加到10-2 s-1,温度对抗压强度和弹性模量的影响逐渐减小,该研究提出的温度影响因子经验公式较好地反映了抗压强度和弹性模量随温度变化的规律。在-20~0℃温度区间,抗压强度和弹性模量的动态增强因子随应变速率呈线性增长;在0~30℃温度区间,抗压强度和弹性模量的动态增强因子随应变速率呈非线性增长。在此基础之上,基于时温等效原理,建立了沥青混凝土抗压强度和弹性模量的计算模型。该模型考虑了温度和应变速率对沥青混凝土的共同作用,与试验结果吻合较好。     

聚合物改性碳纤维增强混凝土的动态压缩力学性能

为探究聚合物改性碳纤维增强混凝土(PMCFRC)的动态压缩力学性能,利用直径Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,分别对碳纤维增强混凝土及聚合物体积分数为4vol%、8vol%、12vol%的PMCFRC进行了5组不同气压下的冲击压缩试验,获得了混凝土在不同应变率下的动态应力-应变曲线和破坏形态,分析了应变率和聚合物掺量对PMCFRC动态压缩强度、变形和韧性的影响规律。结果表明：PMCFRC的动态压缩强度、变形和韧性均具有明显的应变率强化效应,聚合物对PMCFRC的动态压缩力学性能既有强化效应,也有劣化效应。随着应变率的增大,PMCFRC的动态抗压强度、动态强度增长因子(DIF)、动态峰值应变、冲击韧性均逐渐增大。随着聚合物掺量的增大,PMCFRC的动态抗压强度、DIF、冲击韧性均先增大后减小,动态峰值应变不断增大。相同应变率水平下,4%PMCFRC的动态抗压强度、冲击韧性最大,破损程度最轻;8%PMCFRC的应变率敏感性最佳,DIF最大时达到1.94,对混凝土强度的增幅最大。聚合物一方面在混凝土基体中发挥着填充、阻裂、增韧作用,另一方面改善碳纤维-混凝土基体界面的粘结...     

Experimental study on the dynamic compressive mechanical properties of concrete at elevated temperature

Strain rate effect and temperature effect are two important factors affecting the mechanical behavior of concrete. Each of them has been studied for several years. However, the two factors usually work together in the engineering practice. It is necessary to understand the mechanical responses of concrete under high strain rate and elevated temperature. A self-designed high temperature SHPB apparatus was used to study the dynamic compressive mechanical properties of concrete at elevated temperature. The results show that the dynamic compressive strength and specific energy absorption of concrete increase with strain rate at all temperatures. The elastic modulus decreases obviously with strain rate at room temperature and stabilizes at a level with slightly decrease at elevated temperature. The dynamic compressive strength of concrete at 400 °C increases by nearly 14% compared to the room temperature. However, it decreases at 200 °C, 600 °C and 800 °C with the decrease ratio of 20%, 16% and 48%, respectively. The dynamic elastic modulus decreases largely subjected to elevated temperature. The specific energy absorption at 200 °C, 400 °C and 600 °C is higher than room temperature and decreases to be lower than room temperature at 800 °C. Formulas are established under the consideration of mutual effect of strain rate and temperature.     

高温后混凝土的SHPB试验研究

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）试验装置,对常温和经历200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,得到了动态压缩应力-应变曲线,分析了弹速、温度对平均应变率的影响以及温度、平均应变率对动态抗压强度的影响。结果表明：弹速与平均应变率之间、平均应变率与动态抗压强度之间都近似呈线性关系。温度对混凝土动态性能影响显著,在相同弹速下与常温情况相比,200 ℃时平均应变率有所提高、动态抗压强度有所降低,400 ℃时与常温接近,400 ℃以后平均应变率随着温度增加而提高,而动态抗压强度随着温度的增加而急剧下降,至800 ℃不足常温试件的30%。高温将降低混凝土的应变率敏感性,其中以400 ℃降低最为明显。     

高温后高强混凝土受压动态损伤

对45个高强混凝土（HSC）棱柱体进行高温加热,温度分别为20℃、200℃、400℃、600℃和800℃。然后对棱柱体进行高温后轴向动态受压试验,应变率分别为10-5 s-1、10-3 s-1和0.067 s-1。结果表明:随着经历温度的升高,HSC将会出现裂缝,细观结构变得松散;高温对HSC造成的损伤随温度的升高而增大,而应变率对高温后HSC的损伤没有明显影响;经历相同的高温损伤后,HSC的相对受压强度随应变率的增大而增大;轴向应变对高温后HSC造成的损伤在峰值应变前缓慢增大,达到峰值应变后迅速增大;温度越高,峰值应变对应的HSC损伤越小,而经历相同温度后不同应变率下峰值应变处HSC损伤的变化趋势并不明显。基于试验及理论分析,建立了HSC高温损伤以及高温损伤后相对受压强度的计算公式。