混凝土正交各向异性损伤模型的研究

混凝土的基本破坏机理是微开裂。基于不可逆过程热力学,用连续介质力学的方法建立了一个混凝土正交各向异性损伤模型。在模型中用一个二阶对称张量Ｄ来描述损伤,利用能量等效假设来考虑损伤对弹性张量的影响,并直接假设了损伤增量与不可逆应变增量之间的关系式,而不是用经典塑性理论来处理不可逆应变。模型只需一个加载函数。模型与Ｋｕｐｆｅｒ,Ｔａｓｕｊｉ等的试验结果吻合较好。     

纤维混凝土受压细观统计损伤本构模型研究

分别对31个普通混凝土试块、38个钢纤维混凝土试块及11个聚丙烯纤维混凝土进行了单轴受压本构试验研究,采用卡方检验方法对试验结果进行统计分析及假设检验,确定了以峰值应变为损伤变量的概型分布.基于唯象细观统计损伤力学及热力学的相关理论,在传统模型基础上引入了损伤阈值概念,并研究了不同混凝土损伤阈值取值问题.同时,探讨了塑性应变对本构模型的影响,建立了考虑塑性应变及损伤阈值的纤维混凝土单轴受压细观统计损伤本构模型.研究结果表明:损伤变量较好的服从Weibull分布函数;普通混凝土损伤阈值γ为0.6倍峰值应变,掺入纤维后,损伤阈值γ提高为0.8倍峰值应变;所建立的本构模型能够有效地描述纤维混凝土的受压本构关系.     

考虑热粘塑性钛合金动态本构关系及其实验验证

由于钛合金在冲击载荷的特殊力学性能,经典Johnson-Cook本构模型不能很好地描述钛合金在高应变率下的热粘塑性变形,以及因热粘塑性耗散而导致温度应力降低的定量关系。本文提出了功热转换系数β与应变率 之间的指数关系,发展了一种修正的Johnson-Cook模型,建立了应变率、热粘塑性耗散功与温度应力降低的函数关系,并引入以最小二乘法为目标函数的局域搜索优化算法,能快速确定修正方程中的各待定参数,最后采用修正本构模型的增量形式描述了Ti-6Al-4V钛合金在应变控制条件下,在不同应变率、温度下的单轴动态应力-应变曲线。数值模拟和文献中实验数据吻合良好,表明本文发展的确定修正本构方程中各待定参数的算法和程序,具有概念清晰、精度高简单实用的特点,建立的修正Johnson-Cook模型很好的描述钛合金在高应变率下的热粘塑性特性。     

火灾下钢筋混凝土热弹塑性徐变本构方程研究

火灾高温作用下钢筋和混凝土材料的力学性能变化非常复杂.为了研究钢筋混凝土材料的抗火性能,基于热弹塑性徐变理论,考虑了材料性能随温度的变化,并根据不同的屈服法则,推导出了钢筋和混凝土材料热弹塑性徐变问题的增量本构方程.采用了向后Euler积分法和隐式积分的广义中心法,根据给出的求解步骤对推导得出的钢筋和混凝土热弹塑性徐变本构方程进行了数值模拟,所得结果与现有试验模型基本吻合.从计算结果可以看出,高温下钢筋混凝土材料的徐变应变是不可忽略的,并且随着温度的升高而升高.该研究为进行钢筋混凝土结构在火灾高温作用下的耐火性能分析提供了理论依据.     

混凝土弹塑性损伤本构理论的研究

所讨论的模型和方法都是以连续介质力学和不可逆热力学为基础的，提出了新的混凝土弹塑性损伤本构模型.在该模型中采用了三个内变量，即塑性应变、各向同性损伤标量D以及应变梯，其中应变梯度反应了损伤的非局部性质，因此本模型是梯度依赖的非局部损伤模型.这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程，在理论上是严密的.     

动态载荷下的混凝土本构关系及有限元实现

建立了应用于冲击和地震荷裁下的应变率和应变历史相关的混凝土动态本构模型。该模型是建立在Perzyma的一般粘塑性理论和Bicanic的塑性间断面运动规律的基础上，应用在动态加裁条件下混凝土的塑性屈服面和极限面的变化规律来刻画材料的粘塑性响应。文中给出了动态粘塑性本构关系的详细阐述和有限元的实现方法。对于材料的不同拉压受力状态，本文使用两种不同的屈服准则—Druck-Prager准则和Mohr-Conlumb准则来描述材料进入屈服状态的力学性质，最后给出混凝土梁在三角裁荷下的非线性有限元算例。     

基于不可逆热力学的形状记忆合金相变塑性统一本构模型研究

为了获得能够描述形状记忆NiTi合金相变和塑性行为的本构关系,基于不可逆热力学,假设两个内变量,分别推导了相变演化规律和塑性演化规律,以及NiTi合金本构模型的主控方程。将导出的本构方程写成一维的增量形式,编制FORTRAN程序,将本构模型进行了程序实现。结合单轴加载的实验曲线、非线性拟合的方法确定该本构模型的相关参数。比较实验结果,验证了该本构模型的合理性。该模型能很好地描述随着载荷不断增加,NiTi合金表现出的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性以及马氏体塑性流动行为,同时,对于应变率效应也能够较为理想地描述。所建立宏观唯象本构模型,参数易确定,为NiTi合金在更加苛刻、极端的环境下的工程应用打下基础。     

超塑胀形动态过程的新的流变方程

本文将变m值超塑性本构方程用于由连续介质塑性力学理论所得的应力、应变速率表达式所给出的新的超塑胀形流变方程,在直至破裂的整个自由胀形过程均与实验结果符合。因此可把该方程定为超塑胀形动态过程的流变方程,由其所得的应力、应变速率表达式能有效地描述在胀形过程中应力、应变速率的变化规律。同时表明塑性力学的增量理论可以用于超塑性,等效应力和等效应变速率的关系满足超塑性本构方程,以及在胀形过程的任一瞬间把试样厚度中面看作球面的一部分是可行的。     

弹粘塑性问题的增量泛函及其变分原理

塑性应变率是反映固体材料在动力作用下处于塑性状态力学特性的一个重要因素,在塑性动力学的分析和计算中应考虑它.本文在弹粘塑性动力本构模型的基础上,利用泛函分析理论导出塑性动力学问题的增量泛函.     

双重流动法则下地基黏塑性随机有限元方法

针对地基工程复杂的随机非线性力学增益,基于黏塑性非线性随机有限元优势,借助Mohr Coulomb破坏准则下的黏性拟时间步,推导在三维及平面应变条件下黏塑性非线性随机有限元的本构关系式,建立基于全量理论的黏塑性非线性随机有限元列式.在Naylor孔隙水压理论基础上,提出考虑各向同性及各向异性孔压条件的土体介质黏塑性非线性随机本构模型.以施工期三层复合地基为例,分别针对关联及非关联流动法则2种工况,研究地基在增量加载条件下的位移、应力、黏塑性应变、孔隙水压等矢量场的随机数字特征,以及地基在各个加载时期的可靠度情况.结果表明,在复杂工况下复合地基中有效应力及孔隙水压的数字特征与可靠指标分布的内在联系紧密;由非关联到关联流动法则,有效应力增加,孔压减小,同时随着孔压变异下降、可靠指标显著提高,由此形成在随机数学覆盖下完整的非线性数学模型.     

活性粉末混凝土冲击压缩性能及本构关系

为了克服传统活性粉末混凝土（RPC）须高温蒸养的缺点,采用粒化高炉矿渣代替部分水泥制备出免蒸养RPC,利用直径为80 mm的霍普金森压杆试验系统（SHPB）对免蒸养RPC进行冲击压缩试验研究,探究率效应对免蒸养RPC动态力学性能的影响规律,建立动态本构模型. 结果表明：在10~290 $ {{\rm{s}}^{ - 1}}$的应变率范围内,免蒸养RPC的峰值应力、峰值应变和冲击韧性表现出明显的率敏感性,而弹性模量在不同应变率下基本保持不变. 改进型Z-W-T黏弹性本构模型和基于Weibull分布的模型均能对免蒸养RPC的动态应力-应变曲线进行较好的描述,基于Weibull分布的模型所含参数相对较少,根据模型中各参数与应变率之间的关系可以对不同应变率下的应力-应变曲线进行预测.     

火灾下隧道衬砌混凝土细观损伤演化

为了客观地反映火灾下衬砌混凝土高温损伤的本质,需要考虑混凝土结构特性的不均匀性.结合细观损伤力学,建立混凝土热力耦合作用下衬砌混凝土细观损伤过程的数值模型,该模型考虑了隧道衬砌结构顶部的受力状态,可以研究隧道衬砌混凝土在火灾过程中的力学行为与损伤过程.研究结果表明,火灾对隧道衬砌混凝土的力学性质和损伤演化过程影响显著,界面的力学特性决定宏观强度的差异;基于强度等效理论,隧道衬砌混凝土在RABT火灾荷载下的累积等效烧损深度呈曲线变化;细观数值模拟下损伤单元比例与等效烧损深度存在较好的线性关系.     

预应力混凝土连续梁板抗火性能非线性分析

为模拟预应力混凝土连续梁板在火灾下的受力全过程,认为火灾下预应力混凝土梁板截面总应变符合平截面假定,基于混凝土、普通钢筋和预应力筋的耦合本构关系,用t时刻的混凝土应力计算t＋1时刻混凝土的瞬态热应变、高温徐变,钢筋与预应力筋采用相同的解耦方法,可求得火灾下预应力混凝土梁板的弯矩-曲率曲线;对支座反力进行迭代求解,计算梁...     

混凝土率相关单轴塑性损伤本构的开发及应用

为了对爆炸作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)构件动力响应进行简化分析,需要合理描述混凝土和钢筋的应变率效应,而LS-DYNA中缺乏能够考虑混凝土应变率效应的单轴本构模型,因此,结合Faria单轴塑性损伤模型,通过黏性规则化方法调整率无关模型的损伤阈值演化律以考虑应变率效应,并利用LS-DYNA将该模型编制为用户材料子程序VUMAT.以单个单元测试了高应变率下材料的基本性能;基于纤维模型模拟了RC梁在爆炸、冲击作用下的动力响应.结果表明:该本构模型能反映混凝土受拉应变率效应高于受压应变率效应的事实,同时也能较准确地模拟爆炸与冲击作用下RC梁的动力响应.     

一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

利用混凝土损伤塑性模型评价CRCP+AC复合式路面的损伤演变

在连续配筋混凝土复合式路面（CRCP＋AC）的研究中,CRCP面板的裂缝形态和分布模式是影响今后路面使用性能和生命周期的重要因素。研究采用ABAQUS有限元程序中的混凝土损伤塑性模型（CDP）表征CRCP面板的力学特性,结合三维瞬态热传导分析的温度场数据,分析了变温条件下的结构损伤情况;并进一步分析复合式路面在温度变化和交通荷载耦合作用下,CRCP面板损伤的演化规律以及裂缝张开闭合的行为特征。研究认为沥青面层的作用不仅仅局限在功能性方面,它可以明显改善CRCP面板的受力状况;复合式路面设计中应根据CRCP面板的温缩性能和损伤性能综合考虑沥青面层的合理厚度。     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率（0、20%、40%、60%）的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。研究结果表明：不同取代率的煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力–应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

高强度混凝土的细观损伤本构模型研究

基于轴向拉伸与压缩试验观测资料，论述了高强度混凝土的细观损伤机理和以应力与应变全曲线及其特征点相对应参数建立的损伤本构模型，提出了拉、压二向应力状态时的本构模型和正交异性损伤本构模型，同时还引入其他学者提出的混凝土三向应力状态各向同性损伤时的本构模型，并提出了高强度混凝土的损伤断裂判据     

Dynamic properties of concrete under severe environmental condition

Exposure to environmental conditions can significantly influence the mechanical behavior of concrete structures in civil engineering. In this study, the effect of environmental factors, such as moisture and temperature, on the strain-rate sensitivity of concrete mixtures was systematically investigated. The strain rate varied from 10⁻⁵s⁻¹ to 10⁻²s⁻¹. From the investigation it was concluded that moisture content had a significant influence on the strain-rate sensitivity of concrete. With regard to concrete with low moisture content, temperature had little influence on the rate-dependent behavior; while for fully saturated specimens, a significant influence was observed. These phenomena were attributed to the meso-scale bonding properties of the concrete matrix. Equations were derived to characterize the ultimate strength increment of concrete with strain rate under different environmental conditions. An explanation to the dynamic failure mechanisms of concrete based on the experimental findings was proposed.