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。     

楔入劈拉试验支承形式对混凝土断裂韧度的影响

针对楔入劈拉试件支座位置的不同,包括双线支座与单线支座,分析不同竖向荷载对断裂性能参数测试可能造成的影响,并通过试验数据进行验证。通过分析比较,认为对于实验室进行混凝土楔入劈拉试件的常用尺寸,支承体与传力装置所传荷载在一个竖向平面内可抵消竖向荷载和一部分构件自重,从而得到较为接近真实值的断裂性能参数。     

混凝土试件楔入劈拉试验及损伤参数研究

通过3组不同初始裂缝长度的混凝土双支承楔入劈拉试验,运用断裂力学和损伤力学的理论研究了初始裂缝长度对断裂破坏及损伤参数的影响。根据试验测试过程及计算结果分析,证明非均匀应力场下测试损伤参数是可行的,而初始裂缝长度对材料损伤参数有一定影响,表现为初始裂缝越长损伤参数也越大。测试结果同时说明,对混凝土构件中已开展裂缝的观测,其观测仪器宜布置在裂缝尖端并重视其应变突变值的捕获和分析。     

混凝土非标准楔入劈拉试件断裂参数的确定

目前混凝土非标准楔入劈拉试件还没有一个合适的确定裂缝尖端断裂参数公式,通常的方法是借用紧凑拉伸试件的应力强度因子公式,不便于应用。文中利用有限元程序,对在不同高度以及不同初始缝高比条件下非标准楔入劈拉试件进行了模拟。得到了裂缝尖端的应力强度因子公式以及裂缝张口位移曲线。分析结果及举例表明,非标准楔入劈拉实验断裂参数确定模型是可靠的。断裂韧度不随试件尺寸变化,是材料常数;裂缝扩展量不受初始裂缝长度影响,而随着试件高度的增加而增长。     

含空洞缺陷混凝土试件楔入劈拉性能分析

为研究空洞缺陷对混凝土楔入劈拉性能的影响,将空洞缺陷等效为相应纵向截面高度的损失量,并推导了含空洞缺陷混凝土楔入劈拉断裂参数的计算式,同时利用改进型测试装置进行了8组共32个试件的楔入劈拉性能试验,分析研究了空洞尺寸及其位置变化对试件楔入劈拉性能的影响规律。结果表明,起裂荷载、失稳荷载、起裂张口位移和失稳张口位移都随着空洞尺寸增大(直径0~120 mm)而降低,降幅分别为43.59%,23.75%,39.85%,54.50%;空洞缺陷对混凝土的起裂韧度影响较小,但却会明显降低混凝土失稳韧度,随着空洞尺寸增大,其降幅达到46.20%;空洞位置对混凝土断裂特性的影响跟裂纹扩展路径相关,当裂纹经过空洞时会降低相关参数,当其远离空洞区域时,则影响较小。     

不同初始缝高比楔入劈拉试件断裂试验研究

为研究初始缝高比对混凝土断裂性能的影响,设计4组共32个不同初始缝高比的试件进行楔入劈拉试验。测定试件断裂过程中的荷载、裂缝张口位移、混凝土应变等参数的特征值及全过程曲线。以双K断裂理论为基础,计算不同初始缝髙比试件的有效裂缝长度a_c、起裂断裂韧度Kⁱⁿⁱ_IC和失稳断裂韧度K^un_IC等断裂参数。试验结果表明:有效裂缝长度a_c随缝高比的增大而增大,裂缝亚临界扩展量Δa_c随缝高比的增大而减小;起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响,失稳断裂韧度随缝高比的减少有所增大,当a₀/D≥0.5时,为一常数。     

混凝土梁四点弯曲试验的并发多尺度区域分解法模拟

损伤在准脆性混凝土材料的非线性力学特性中占有重要地位。但有限单元法计算采用局部损伤模型时存在网格敏感性和零能耗问题。同时,传统单一网格有限元模型难以对构件的线弹性区域和非线性区域进行区别处理,无法将有限的计算资源集中在重点关注区域。通过局部子区域预设高精度有限元网格和引入尺度间线性多点约束法,实现并发多尺度方法和整体有限元撕裂对接法的结合,采用隐式梯度损伤模型描述混凝土材料的非线性本构关系,运用双重组装并行直接求解法进行模型的大型线性方程组求解,完成了混凝土损伤失效分析的并发多尺度区域分解模型构建。将该模型用于混凝土单边切口梁的四点弯曲试验模拟,并对可能损伤的纯弯拉区域分别采用了3种不同尺寸的有限元网格计算。算例分析表明,模型合理可靠且不具网格敏感性,能够重现混凝土的损伤失效全过程,可为混凝土构件开展损伤失效全过程分析提供多尺度数值模拟技术支持。     

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。     

基于声发射技术的混凝土动态劈拉试验研究

为了研究混凝土材料在受拉状态时的动态力学性能,采用新型动态无损检测声发射技术进行了不同加载速率下(10^-5/s ,10^-4/s,10^-3/s,10^-2/s)混凝土劈拉试验,根据实时采集的声发射数据建立了不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系,并在此基础上分析了混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及规律。结果表明混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的三阶段特征,加载前期产生的声发射信号较微弱,材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升;采集的声发射数据能真实地反映混凝土劈拉破坏特性。     

有侧压混凝土动态劈拉力学性能试验研究

为模拟混凝土结构在地震等动态荷载作用下的真实应力状态,进行不同侧压力下的混凝土动态劈拉试验。对混凝土劈拉强度、峰值应变、弹性模量等力学性能与应变速率、侧压力之间的变化规律展开深入的分析,并基于统计分布理论改进了Mazars劈拉本构模型。研究结果表明,侧压力作用下混凝土劈拉受荷的力学性能仍具有率效应,应变速率和侧压力的增大均会引起混凝土劈拉强度与劈拉弹性模量的提高,混凝土动态峰值应变会随侧压力增大呈现出先减小后增大的变化规律。改进后的本构模型对不同侧压力下的混凝土动态劈拉应力-应变曲线拟合效果都很好,其中上升段拟合参数c值受应变速率与侧压力的双重影响,而下降段拟合参数A_T和B_T值则主要由试验条件决定。与其他学者的数据进行拟合比较,可以发现该模型具有很好的适用性。     

混凝土面板堆石坝地震反应离心模型试验

介绍了离心模型试验技术在地震工程研究中的应用原理与方法。运用该技术研究了最大坝高为157m的某混凝土面板堆石坝在地震作用下的坝体加速度反应、坝体和面板变形。结果表明，离心模型试验可有效地模拟混凝土面板堆石坝的地震反应。     

一种模拟介质交界面处达西流速的分区多尺度有限单元法

地下含水层常由多种不同含水介质组成,交界面处的达西流速需符合折射定律,传统数值方法难以准确模拟.基于多尺度有限元法和区域分解技术提出分区多尺度有限元法(Multiscale finite element method with Domain decomposition technique,MSFEM-D)模拟交界面处的...     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验

从混凝土细观结构出发,假定混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料,以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性,借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式,产生随机骨料模型。扩展后的二阶流形元法,可以模拟混凝土受力、变形和破坏的全过程,可以追踪多裂隙的扩展,裂缝闭合后的压剪。开裂面可利用应力结果自动搜索,而不必人为预设。利用改进的流形元进行混凝土力学特性数值试验的模拟研究,再现了混凝土单轴受压、受拉试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至破坏的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。数值模拟结果与试验统计结果相符。     

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。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

混凝土大坝水下裂缝修补技术

混凝土大坝水下裂缝修补是一大难题，结合国家电力公司重点研究项目，研制出水下封堵材料、水下遇水膨胀嵌缝材料、复合型水下裂缝覆盖材料、水下裂缝灌浆等新材料。应用仿真模型试验技术，采用自行研制的水下修补材料对水下裂缝嵌缝封堵工艺、水下裂缝锚贴工艺及水下裂缝灌浆工艺分别进行了详细的试验研究，在此基础上提出了一整套水下裂缝修补的施工方案及其施工工艺。