轻骨料混凝土断裂行为的细观数值模拟

基于细观尺度,将轻骨料混凝土看作由轻骨料、砂浆基质、两者之间的粘结界面层和气泡组成的四相复合材料。采用蒙特卡罗方法,随机生成轻骨料与气泡的位置和大小数据,在有限元计算软件ANSYS中建立二维的轻骨料随机分布数值模型,再将该模型导入ABAQUS中,在任意相连的两单元之间插入零厚度粘结单元,在单轴拉伸和压缩载荷作用下得到轻骨料混凝土数值试件的裂缝扩展路径及破坏形式。结果表明:通过该方法建立的数值模型,可模拟得出轻骨料混凝土试件的裂缝扩展路径,从而有助于在细观尺度上对轻骨料混凝土的力学性能进行深入研究。     

基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.     

混凝土细观分析中随机多边形骨料生成方法

提出了一种以改进面积判别准则和凸多边形生成方式为基础的二维混凝土骨料随机生成算法。通过对骨料延伸条件的改进和定点位置条件的限定,改进了程序的可执行性,提高了随机多边形骨料的生成效率;通过轴向拉压计算实例对比分析了圆形和多边形骨料对于混凝土试件单轴抗拉、抗压力学性能的影响。结果表明：圆形骨料试件抗拉、抗压能力略高于多边形骨料试件,骨料形状对混凝土试件拉压力学性能数值模拟结果的影响很小。     

界面特性及骨料分布对混凝土破坏模式影响

过渡区界面(ITZ)是混凝土细观组分中的相对薄弱环节,对混凝土的宏观力学性能具有重大影响。基于混凝土随机骨料模型,采用扩展有限元法(XFEM),对单轴拉伸及弯拉条件下混凝土材料的细观破坏过程及机理进行数值模拟,研究界面特性及骨料空间分布形式对混凝土宏观力学性能及破坏模式的影响。数值结果表明:(1)不同界面强度使得混凝土具有不同的细观破坏模式,界面强度越高混凝土宏观强度越高;(2)骨料分布形式影响混凝土细观破坏模式,但对混凝土宏观弹性模量及强度的影响可忽略。     

混杂纤维混凝土二维随机建模方法

以二维凸多边形骨料混杂纤维混凝土为例,提出骨料间、骨料与纤维间和聚丙烯纤维与钢纤维间的干涉判断方法,构建混杂纤维混凝土的二维随机投放生成算法和随机游走生成算法,并从骨料投放量、试件密实度、纤维分散性以及生成效率等4个方面对比分析两种算法的优劣。编制界面友好的交互式混凝土/纤维混凝土随机生成程序,展现不同骨料形状的钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及混杂纤维混凝土试件投放效果,以验证生成算法的有效性和程序的可执行性。最后建立3种骨料形状的混杂纤维混凝土细观结构有限元模型。结果显示,随机游走生成算法比随机投放生成算法更适合于生成高填充率的混杂纤维混凝土试件,但其纤维分散性则相对较差。     

单轴荷载作用下混凝土强度代表体尺寸定量研究

为从细观层次研究混凝土宏观力学性能,提出了混凝土强度代表体定义,建立了基于统计特征的混凝土强度代表体尺寸确定方法.采用三维随机缺陷界面弹簧元模型,给出了确定单轴加载下的混凝土强度代表体尺寸的数值方法.分析了不同数值样本取值对混凝土单轴受拉及单轴抗压强度离散性的影响规律,以及尺寸试件变化对混凝土拉伸及受压强度仿真结果稳定性的影响规律.研究结果表明,在单轴拉伸荷载和单轴压缩荷载作用下,混凝土强度代表体尺寸分别为最大骨料粒径的5.0倍和6.5倍,与基于细观结构统计特征确定的混凝土几何代表体尺寸进行对比,证明了所提方法的合理性.     

钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线数值模拟

为了探究细观尺度中钢纤维再生混凝土的受拉性能及损伤情况,基于随机骨料模型,以级配方程计算再生骨料各粒径骨料的含量,用瓦拉文公式将三维骨料含量转换为二维平面内各粒径骨料的分布概率,在MATLAB中利用蒙特卡洛方法生成随机数,考虑边界条件以及投放互不干涉法则,得到骨料圆心坐标、半径,以及纤维坐标。采用有限元分析软件Abaqus建立钢纤维再生骨料混凝土二维模型,对不同钢纤维体积掺量,钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线进行数值模拟分析。结果表明:数值模拟钢纤维再生骨料混凝土单轴受拉应力应变曲线形状与实际试验曲线吻合程度较好,且随着钢纤维体积掺量的提高,混凝土峰值应力提高,应力应变曲线下降段陡峭程度降低,延性增强;其应力集中出现于老砂浆、界面过渡区及钢纤维处,与实际情况相符。     

考虑骨料粒径影响的混凝土拉伸强度尺寸效应律

为了研究最大骨料粒径对混凝土单轴拉伸破坏行为、名义拉伸强度以及尺寸效应的影响规律,采用基于连续级配建立的细观随机骨料模型,对不同尺寸及不同最大骨料粒径的双边缺口混凝土试件在单轴拉伸荷载下的力学行为进行数值模拟.研究结果表明:在相同试件尺寸下,随着最大骨料粒径的增大,混凝土单轴拉伸宏观裂缝曲折度增大,名义拉伸强度增大,尺寸效应逐渐被削弱.同时,基于Type-2尺寸效应律提出了考虑最大骨料粒径影响的尺寸效应公式,并验证了该公式的合理性.该理论公式可以基于已知的物理参数(即结构尺寸D和最大骨料粒径dmax)定量地预测在不同最大骨料粒径下的混凝土拉伸强度的尺寸效应规律.     

钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究

提出了二维随机凹凸型碎石骨料生成方法,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了数值骨料和钢纤维随机碰撞,得到钢纤维混凝土细观二维几何模型和有限元模型。基于双折线弹性损伤演化本构模型,模拟了素混凝土和钢纤维混凝土数值试件在单轴拉伸荷载下的损伤过程。研究结果表明:素混凝土数值试件的破坏模式与真实素混凝土破坏模式比较接近,掺入钢纤维会改变裂纹扩展的路径;钢纤维混凝土二维模型中,裂纹萌生位置和扩展路径影响钢纤维对混凝土的增强增韧效果。     

混凝土材料细观结构断裂数值模拟

在细观层次上，应用蒙特卡洛法，在二维平面上建立了混凝土多边形骨料随机分布结构模型。对该模型采用有限元方法，根据最大周向正应力准则，以混凝土三点弯曲梁试件为例，进行了开裂过程的模拟，得出了裂纹在基质、骨料及界面中的扩展路径。仿真分析表明，混凝土试件的承栽能力随着组成骨料粒径的不同而变化，中对此进行了讨论。     

均匀化在数值混凝土单轴拉伸试验中的应用

目的研究湿筛混凝土、全级配混凝土的抗拉强度,进一步掌握混凝土的细观结构与宏观力学性能间的关系.方法将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法生成混凝土随机骨料模型.采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相单元的损伤退化.利用非线性有限元方法对一级配混凝土试件的轴拉实验进行了数值分析;在二级配混凝土试件的轴拉实验中验证了均匀化的正确性;在全级配混凝土轴拉实验中应用了均匀化方法.结果得到一级配混凝土的抗拉强度为2.5 MPa,二级配混凝土的抗拉强度为1.96 MPa,四级配混凝土的抗拉强度为1.72 MPa.结论采用均匀化方法预测全级配混凝土的宏观力学性能是可行的.数值模拟所得的结果与实验结果表现出较好的一致性.     

基于性能演变理论的混凝土细观损伤特性研究

为研究混凝土性能演变过程中的损伤特性,借助细观力学随机骨料模型,将化学-热-力耦合的性能演变模型引入混凝土损伤特性研究中,直观反映早龄期混凝土的材料性能和损伤参数随其内部水化反应的演变过程.结合连接宏-细观热力学特性的均匀化方法,对硬化过程中混凝土三相介质的材料参数进行率定,并且在细观层次上实现早龄期混凝土单轴拉伸试验的数值模拟.结果表明,水化度的空间分布差异性对早龄期混凝土力学参数的取值存在显著影响;采用的水化度损伤模型能够直观反映早龄期混凝土试件在单轴拉伸试验中裂缝萌生、扩展直至贯通的全过程,可以为早龄期混凝土结构的拉伸损伤断裂过程分析提供有力的数值工具.     

碾压混凝土试件细观损伤断裂的强度与尺寸效应分析

为了实现碾压混凝土试件强度性能的仿真计算分析 ,在细观层次上将试件看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者之间的粘结带及水泥砂浆中间层面形成的非均质复合材料 ,以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构 ,应用非线性有限元法 ,模拟试件的细观损伤断裂 ,从而求得其宏观力学强度 ,据此可解释试件的尺寸效应 .计算结果表明 ,试件的单轴抗压强度及劈裂抗拉强度与试验结果较为吻合 ,试件的尺寸效应符合一般规律 ,该方法为碾压混凝土试件强度性能的数值模拟提供了一种新的技术途径 .     

海水海砂混凝土无尺寸效应拉伸强度与断裂韧度的确定

海水海砂混凝土（seawater sea sand,SSC）在岛礁和临海工程建设中有广阔的应用空间。海洋环境下,混凝土容易开裂,严重影响结构耐久性。为确保该新型混凝土在海洋环境下的安全服役,对SSC的断裂力学性能研究以及断裂参数的合理确定至关重要。然而采用传统方法,基于线弹性断裂理论确定的断裂参数,由于未考虑材料非均匀性的影响,不可避免存在尺寸效应。鉴于此,本文利用基于边界效应的非线性断裂理论,考虑材料的非连续性与非均匀性,确定SSC的真实断裂参数。配制最大骨料粒径d_max为10和20 mm的海水海砂混凝土,分别进行高度为100和200 mm的三点弯曲梁试验,初始缝高比为0.1~0.7；并用淡水、河砂等质量替代海水、海砂配制普通混凝土（ordinary Portland cement,OPC）作为对照组进行试验。基于边界效应模型,通过引入混凝土平均骨料粒径,得到了SSC的真实无尺寸效应拉伸强度f_t及断裂韧度K_IC,进而结合正态分布分析确定两断裂参数的均值以及具有95%保证率的上下限值,并利用得到的拉伸强度成功预测任意尺寸条件下SSC试件的极限荷载。结果表明:相同骨料级配下,与普通混凝土相比,海水海砂混凝土断裂截面上骨料断裂的比例更高,SSC的拉伸强度及断裂韧度高于OPC；随着最大骨料粒径的增大,SSC和OPC骨料断裂的比例均减小,其断裂韧度K_IC均增加,f_t降低。所提模型及相关结果可为海水海砂混凝土实际工程设计提供参考。     

包浆再生粗骨料对自密实混凝土力学性能及抗冻性的影响

通过自密实包浆再生骨料混凝土力学性能及快速冻融循环试验,从试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及冻融后试件的质量损失率、抗压强度损失率及相对动弹性模量角度研究了再生粗骨料包浆对自密实再生混凝土性能的影响,结合SEM电镜试验从微观上分析了骨料包浆对混凝土抗冻性能的改善机制.结果 表明:普通混凝土和再生混凝土的劈裂抗拉强...     

基于随机骨料模型的碾压混凝土劈拉性能的数值分析

为从细观结构上研究碾压混凝土的劈裂抗拉力学性能的尺寸效应,采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料;利用有限元方法数值模拟碾压混凝土的细观损伤断裂和劈裂抗拉,对其劈裂抗拉强度尺寸效应进行了研究。结果表明：黏结层面是碾压混凝土劈拉破坏的薄弱环节,碾压混凝土试件的劈裂抗拉强度存在明显的尺寸效应,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

预制键槽UHPC-混凝土界面黏结性能研究

UHPC永久性模板与普通混凝土的界面黏结性能是两者协同作用的关键,研究不同键槽类型、混凝土强度和养护条件等因素对UHPC-混凝土界面黏结性能的影响。结果表明:键槽可以提高UHPC-NC界面黏结强度,其中B型键槽机械联锁作用贡献最大。劈裂拉伸试件界面中心轴线的应变大于两侧应变,界面裂缝从水平拉应变开始向压应变区域扩张。复合试件键槽的存在使得裂缝在混凝土内部由一端延伸至另一端,并非两端向内发展。随着后浇混凝土抗压强度的提高,界面劈裂抗拉强度增幅降低。蒸汽养护导致初始收缩变形较大,应力集中区域比标准养护试件更大。复合试件界面劈裂抗拉强度可以通过混凝土立方体抗压强度和拟合参数c计算得出。提出了最优永久性模板键槽参数和养护条件。     

钢纤维再生混凝土劈拉强度试验研究

通过钢纤维再生混凝土立方体试件的劈拉强度试验,研究了钢纤维体积分数(0.0%～2.0%)、3种钢纤维类型(MF,SF,BF)、再生粗骨料处理方式以及试件尺寸变化对再生混凝土劈拉性能的影响.结果表明:钢纤维的加入显著提高了再生混凝土的劈拉强度,当纤维体积分数超过1.5%后,钢纤维再生混凝土的劈拉强度接近甚至超过天然钢纤维混凝土;钢纤维类型对再生骨料钢纤维混凝土影响显著,钢纤维对再生混凝土和天然混凝土的增强效果比较接近,其中BF钢纤维增强效果最好;尺寸效应对钢纤维再生混凝土的影响比天然钢纤维混凝土显著;再生骨料处理方法对钢纤维再生混凝土的劈拉强度也有一定的影响;现行钢纤维混凝土劈拉强度计算公式仍适用于钢纤维再生混凝土.