FRP-混凝土三点受弯梁损伤粘结模型有限元分析

该文采用双线形损伤粘结模型研究带切口FRP-混凝土三点受弯梁(3PBB)I型加载下的界面断裂性能。通过有限元参数分析,详细讨论了界面粘结强度、界面粘结能、混凝土抗拉强度、混凝土断裂能对3PBB受力性能的影响。数值模拟表明,FRP-混凝土界面有两种破坏形式,包括FRP-混凝土界面的损伤脱粘和界面混凝土的损伤脱粘破坏,与实验所观察到的现象一致。两种破坏形式尽管在宏观上均表现为界面脱粘,但破坏机制却不同。FRP-混凝土界面的损伤粘结模型与混凝土的拉伸塑性损伤模型相结合,不但再现了3PBB的宏观力学性能,数值分析得到的荷载-位移曲线接近实验结果,而且还能详细展示FRP-混凝土界面的损伤、断裂破坏过程以及损伤在FRP-混凝土界面和界面混凝土之间的转移,能够预测构件的承载力,有助于界面优化设计,这是单纯以能量判据预测裂纹发展的经典断裂力学方法所无法做到的。     

基于统计损伤理论的硫酸盐侵蚀混凝土本构模型研究

基于统计损伤理论及宏观试验现象,该文建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土单轴、双轴压缩统计损伤本构模型。混凝土变形破坏被理解为细观断裂、屈服两种损伤模式的连续累积演化过程。硫酸盐侵蚀效应改变了混凝土微结构的组成成分和力学特征,进而改变了微裂纹萌生、扩展的形态以及损伤的累积演化过程,可通过改变断裂和屈服两种细观损伤机制演化过程的概率分布形态来模拟。分析结果表明:在硫酸盐侵蚀环境下,侵蚀程度的加深显著改变了混凝土细观损伤累积演化过程,最终导致混凝土宏观力学性能呈现先“强化”后“弱化”的现象。在此过程中,细观损伤演化过程呈现出明显地规律性,可由统计损伤模型中5个特征参数的变化规律表征。该文模型为复杂环境下侵蚀混凝土细观损伤过程预测和分析提供了新的方法和工具。     

混凝土111起裂缝动静力损伤断裂分析

本文把混凝土的动静损伤本构模型通过应变等价性假设引入到线弹性断裂力学中，推出了混凝土ＩＩＩ型裂缝在动静力荷载作用下缝端附近的损伤场，给出了相应的判据，实现了损伤与断裂的耦合分析，为把损伤理论应用到混凝土断裂分析中提供了一条可行的途径，文末还给出混凝土Ⅲ型裂缝允许损伤尺度度的估计值。     

混凝土Ⅲ型裂缝动静力损伤断裂分析

本文把混凝土的动静力损伤本构模型通过应变等价性假设引入到线弹性断裂力学中，推出了混凝土Ⅲ型裂缝在动静力荷载作用下缝端附近的损伤场，给出了相应的判据，实现了损伤与断裂的耦合分析，为把损伤理论应用到混凝土断裂分析中提供了一条可行的途径。文末还给出了混凝土Ⅲ型裂缝允许损伤尺度的估计值。     

混凝土、岩石类损伤材料宏观断裂模型及应用

本文研究了混凝土、岩石类损伤材料的宏观断裂模型。文中从损伤材料中微裂纹等缺陷的拉裂扩展过程,研究宏观断裂的形成与发展,并由此建立了相应的本构关系和断裂判据。文中对此模型用地质力学模型试验作了验证。最后将其应用于某水电站建基面外移方案可行性研究中。     

混凝土、岩石类损伤材料宏观断裂模型及应用

本文研究了混凝土、岩石类损伤材料的宏观断裂模型。文中从损伤材料中微裂纹等缺陷的拉裂扩展过程,研究宏观断裂的形成与发展,并由此建立了相应的本构关系和断裂判据。文中对此模型用地质力学模型试验作了验证。最后将其应用于某水电站建基面外移方案可行性研究中。     

数值分析中的脆性材料损伤开裂模型

本文用连续介质损伤理论及方法建立了正交各向异性非线弹性三维抹平式损伤开裂模型，按照余能原理导得了损伤本构关系，进而给出了损伤演变方程及损伤开裂判据。该模型可用于大体积混凝土结构及岩体基础损伤断裂数值分析。     

混凝土重力坝抗震配筋加固数值模拟分析

针对地震作用下重力坝损伤开裂直接影响大坝安全问题,以Koyna水坝为研究对象,提出两种不同抗震配筋形式,利用混凝土塑性损伤开裂模型计算不同配筋方案混凝土重力坝地震响应。采用钢筋混凝土嵌入式模型考虑钢筋加强作用,据断裂能守恒原理调整混凝土软化段曲线,获得强化后混凝土本构。数值分析结果验证在坝体薄弱部位进行抗震配筋的必要性与实用性。     

高强度混凝土损伤断裂判据研究

本文建立了高强度混凝土各向异性损伤本构关系，提出了高强度混凝土单元的损伤破裂判据和高强度混凝土结构的损伤断裂判据。     

循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法研究

为建立混凝土塑性损伤(concrete damaged plasticity, CDP)模型中描述循环荷载下混凝土开裂-闭合行为的受压刚度因恢复因子w_c计算方法,基于混凝土开裂断裂能G_F建立了指数型软化应力σ-开裂位移w关系;对比评价了现有的混凝土拉、压损伤参数(分别为d_t、d_c)计算模型,选择了适用于钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构分析的d_t和d_c计算模型;并以受拉残存断裂能密度g_(FR)与开裂断裂能密度g_f之比的θ次方(θ≥1)建立了w_c计算模型。该计算模型同时考虑了单元特征长度l_(eq)和d_t对变量w_c的影响,并讨论了刚度恢复修正参数θ的取值。为解决CDP模型中的w_c只支持某一常数定义所存在的局限性,以循环荷载下严重破损的RC节点为研究对象,基于现有混凝土裂缝特征与受拉损伤状态的统计关系,提出了一种基于拉伸损伤水平d_t的模型简化处理方法。以0≤d_(t1)≤0.75和0.75≤d_(t2)≤d_(tm)(d_(tm)≤1)将RC节点模型划分为轻微损伤和损伤-破坏两个区域,并分别采用特征刚度恢复因子w_(cz1)和w_(cz2)定义两个区域的材料属性。通过对多组循环荷载下的RC节点进行数值模拟并与试验数据比较,验证了循环荷载下混凝土开裂-闭合行为计算方法的正确性以及模型简化方法的可行性。     

基于随机骨料模型的EPS混凝土粒子尺寸效应分析

建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型,对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS混凝土的损伤破坏过程。研究表明,EPS混凝土的损伤破坏有两种形态,即延性破坏和脆性破坏。延性破坏与EPS颗粒的面积占有率、断裂过程区长度有关;脆性破坏与EPS颗粒的面积占有率、粒径大小以及颗粒间距有关。在EPS颗粒面积占有率较低的情况下,EPS混凝土的粒子尺寸效应对混凝土力学性能的影响较明显,在较高面积占有率的情况下,粒子尺寸效应对其影响较小。随着EPS颗粒面积占有率的增加,EPS混凝土损伤破坏由脆性破坏向延性破坏转变。建立基于损伤力学与断裂力学的粒子尺寸效应数学模型,用数值模拟进行验证,发现两者吻合较好。     

新老混凝土粘结面断裂损伤过程区研究

在新老混凝土粘结面断裂性能试验的基础上,建立了新老混凝土粘结面断裂破坏模式,分析讨论了界面层特性及界面微裂缝扩展对新老混凝土粘结面断裂性能的影响。建立了新老混凝土粘结面带状微裂缝断裂过程区模型,根据该模型可求出断裂过程区尺寸。结合裂缝过程区的荷载~应变试验结果,用临界断裂韧度对新老混凝土粘结断裂韧度进行了断裂过程区影响修正。     

混凝土试样在静态载荷作用下断裂过程的数值模拟研究

提出了一个模拟混凝土断裂过程的细观力学模型,并应用该模型从混凝土的细观非均匀性结构出发,对混凝土试样在单轴和双轴静态载荷作用下的断裂过程进行了数值模拟,给出双轴载荷作用下混凝土的强度包络面。数值模型结果较好地模拟了混凝土试样从裂纹萌生、扩展到宏观裂纹形成的整个断裂过程,与实验结果表现出较好的一致性。     

考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度及拉伸强度

考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制,将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数,引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式,从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件,基于所提模型,同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度,确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实,采用确定的断裂韧度及拉伸强度,建立起钢纤维高强混凝土塑性——准脆性——线弹性不同结构断裂模式的±20%全曲线,其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土,可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定,及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。     

混凝土确定性及随机性损伤本构模型研究进展

混凝土损伤本构模型的建立对表征混凝土力学行为与认识其本质至关重要。从确定性与随机性两个层面梳理了国内外混凝土损伤本构模型的研究历史和最新进展情况,针对不同模型的损伤定义方式、损伤演化规律、损伤物理机制等进行探讨,通过对比分析总结了混凝土材料的非线性、随机性和动力荷载下的率敏感性等特征,提出发展混凝土损伤本构模型的关键问题,为建立更完善的混凝土损伤本构模型提供参考。     

纤维自密实混凝土断裂能试验研究

通过14组56根带切口自密实混凝土梁三点弯曲试验,研究不同掺量的钢纤维、聚丙烯腈纤维、钢纤维与聚丙烯腈纤维组成的混杂纤维对自密实混凝土断裂能的影响规律。试验中制作了未掺纤维且强度相近的自密实混凝土伴随试件,用以对比并计算断裂能增益比。结果表明:钢纤维能显著提高自密实混凝土的断裂能,随着钢纤维掺量的增加,其断裂能呈线性增加;聚丙烯腈纤维有利于自密实混凝土断裂能的提高,但影响较小,且非线性增加;在钢纤维体积率不变情况下,聚丙烯腈纤维有利于混杂纤维自密实混凝土断裂能的提高,但也非线性增加。在分析试验结果的基础上,提出了以混凝土抗压强度、骨料最大粒径、纤维影响系数为主要因素的纤维自密实混凝土断裂能计算模型,经过对比表明,计算模型具有良好精度。     

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。     

疲劳荷载对橡胶混凝土损伤和断裂性能的影响

虽然橡胶混凝土塑性和疲劳性能较好,但由于掺入橡胶,其在疲劳荷载下离散性增大,损伤过程及最终的断裂机制均不明确。为研究橡胶混凝土在疲劳荷载下的损伤和断裂性能,基于声发射开展了不同橡胶掺量的混凝土在疲劳荷载下的三点弯曲疲劳断裂试验。计算有效裂缝长度,分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土裂缝长度a的变化规律,并利用裂缝长度a和声发射累积能量E_AE分别定义了损伤变量D_a和D_AE;分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土断裂能G_F的变化规律;利用声发射中的信号持续时间分析疲劳荷载下橡胶混凝土中裂缝出现和扩展的规律。结果表明,混凝土的断裂能随橡胶掺量的增加呈线性增加;在疲劳荷载下,裂缝长度a和D_a均呈倒S型规律变化,而D_AE呈正S型规律变化;声发射信号持续时间表明,在疲劳荷载下,橡胶混凝土中的裂缝总在荷载较小时出现或发生扩展。      

水泥混凝土路面损坏原因探析

本文应用断裂力学、损伤力学和路面破坏的原理,对水泥混凝土路面损伤断裂的产生、扩展直至破坏的全过程进行分析,指出每个阶段混凝土路面裂缝形成的根本原因,以便对症下药,为混凝土路面抗裂研究和处治提供科学依据。