混凝士动态力学性能的试验研究

混凝土结构在爆炸与冲击载荷下的安全分析通常是结构的应力波效应和材料的应变率效应。而混凝土结构中的应力波传播特性实际上又依赖于混凝土在高应变率下率型本构关系。本文利用改装的杆径为74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验,得到应变率约100s-1下的应力-应变全曲线及方程,得出混凝土具有敏感的应变率效应。     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

基于拉格朗日分析方法的冲击作用下砂浆层裂特性试验研究

对混凝土材料的动态力学特性,主要研究其应力波及应变率效应。分离式霍普金森压杆装置(SHPB)是研究冲击作用下混凝土力学特性的主要试验技术手段之一。基于SHPB装置,主要研究了冲击作用下砂浆的动态本构关系。以往的研究主要针对砂浆材料的应变率效应,通过连续介质守恒方程和试件实测应变波来求解方程,从而得到冲击荷载下砂浆的动态本构关系,与此同时还研究了砂浆材料两种加载模量的计算方法,并对两个计算结果进行了比较分析。     

泡沫混凝土动态力学性能及本构关系

采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对泡沫混凝土进行了不同最大应变率下的冲击试验.结果表明:泡沫混凝土动态应力-应变曲线均呈现出明显的应变率效应,因材料多孔结构的特殊性,整段曲线上下波动较大,在破坏阶段尤为明显;应变软化阶段中应力值并没有快速下降至完全丧失承载力,而是形成了较高的应力平台,并且最大应变率越高,应力平台越长、越显著.从破坏层面分析,较低最大应变率下泡沫混凝土主要呈均匀压实破坏;较高最大应变率下则呈现逐层塌落的破坏形式.借鉴宏观损伤变量及朱-王-唐本构方程,归纳宏观试验结果,通过改进建立了反映泡沫混凝土峰值应力前动态应力-应变关系的等效本构方程.     

模型试验的微粒混凝土力学性能试验研究

开展微粒混凝土不同加载应变率和不同初始静态荷载下力学性能和抗压强度尺寸效应试验研究。试验结果表明:微粒混凝土的动态抗压强度和弹性模量随着加载应变率的增加而提高,不同应变率下微粒混凝土峰值应力处的应变基本相同,应力-应变曲线相似,破坏形式相同;微粒混凝土的动态抗压强度随着初始静载比例的提高而降低,但破坏形式相同。振动台模型试验中微粒混凝土可以较好地模拟原型普通混凝土。在试验的基础上,进一步建立考虑应变率和初始静载影响的微粒混凝土抗压强度和弹性模量计算方法,提出微粒混凝土不同应变率下本构关系实用计算模型和抗压强度尺寸效应计算公式,建立振动台模型试验微粒混凝土强度控制准则。研究成果可用于振动台模型试验微粒混凝土相似关系设计和结果分析。     

Bukit Timah花岗岩的动态本构关系

用预埋于不同位置的压力探头，监测冲击产生的平面应为波在岩石试件中的应力历史波形。对应力波经过Lagrange分析得到BukitTimah花岗岩的动态本构关系。在一维应变状态下，BukitTimah花岗岩的应力依赖于瞬态应变和应变率，以及波动过程的应变率历史。     

基于ANSYS的不同本构模型的钢筋混凝土梁非线性分析

在已有混凝土受压试验数据的基础上,对不同实验条件下同等级混凝土单轴受压应力—应变曲线进行分析,得到混凝土在不同工作环境下的非线性应力应变关系域,选取域的上、下边缘值作为结构分析的本构基础。用ANSYS软件对相同配筋条件下不同本构关系的同等级混凝土的钢筋混凝土梁进行分析,以考察钢筋混凝土梁在相同受力条件下抗弯等性能的差异。     

考虑尺寸影响的箍筋约束混凝土轴压本构模型

已有箍筋约束混凝土轴压本构关系模型大多未考虑尺寸效应的影响,或通过采用强度折减系数法来粗糙反映尺寸的影响。为研究大尺寸箍筋约束混凝土柱轴心受压性能及尺寸效应规律,根据已有箍筋约束混凝土圆柱和方柱轴压破坏试验结果,分析了体积配箍率、箍筋形式(方箍及圆箍)及试件尺寸对箍筋约束混凝土应力应变曲线的影响。考虑体积配箍率及箍筋形式的影响,建立了箍筋约束混凝土峰值应变尺寸效应公式,并结合前期箍筋约束混凝土名义轴压强度(峰值应力)尺寸效应公式,提出了可考虑尺寸影响的箍筋约束混凝土轴向压缩全应力应变关系模型。与试验及模拟结果进行对比发现,建立的可考虑强度和峰值应变尺寸效应的本构关系与已有试验结果吻合较好,模型计算曲线与试验曲线接近。     

高强箍筋约束混凝土实用本构关系模型

在轴心受压试验数据的基础上,分析了约束混凝土体积配箍率、箍筋屈服强度和素混凝土抗压强度对箍筋约束混凝土受压性能的影响,探讨了直接应用配箍特征值建立箍筋约束混凝土本构关系存在的问题,建立了箍筋约束混凝土峰值应力、峰值应变和极限应变的计算公式.归纳分析了以往典型箍筋约束混凝土本构关系模型的合理性和缺陷,提出了简化的箍筋约束混凝土本构关系模型,并和高强箍筋约束混凝土试验应力应变曲线进行对比.对比结果表明,所建立的本构关系模型能较好拟合高强箍筋约束混凝土试验应力应变曲线.     

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.     

A study of constitutive relation and dynamic failure for SFRC in compression

This paper presents a study of constitutive relation and fracture failure of steel-fiber reinforced concrete (SFRC) subjected to compressive loading. Firstly, the characteristics of stress–strain curves for SFRC are analyzed, and appropriate constitutive relations are suggested. Subsequently, an erosion algorithm is presented for the simulation of the fracture failure of the SFRC. With the erosion criterion of maximum principal strain implemented, the failure of the SFRC specimen in split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests is finally simulated. Numerical results show that the isotropic hardening plasticity mode and the erosion criterion are suitable for the analysis of the SFRC failure under medium strain-rate loading. In addition, the volume fraction of fibers has significant influence on SFRC fracture failure.     

考虑Cowper-Symonds黏塑性材料本构的向量式有限元三角形薄壳单元研究

薄壳结构的力学行为分析往往涉及显著的材料非线性效应,对爆炸、冲击等高速动力问题还需进一步考虑高应变率效应的影响。基于此,将可同时考虑应变硬化和应变率效应的Cowper-Symonds黏塑性材料本构模型（简称C-S模型）引入向量式有限元三角形薄壳单元,以实现金属薄壳结构的动力非线性分析。推导C-S模型的弹塑性增量分析步骤,并将其作为单独的计算分析模块引入薄壳结构的向量式有限元分析程序,适用于线弹性、理想弹塑性、双线性弹塑性和率相关C-S模型等4种材料模型条件下的薄壳结构分析。算例分析表明,所编制的向量式有限元程序可以有效实现非线性材料情况下薄壳结构的静、动力分析以及爆炸冲击作用下的非线性动力响应分析,验证了文中C-S模型理论推导和程序的正确、可靠。     

冻结黄土的单轴试验及其本构模型研究

冻土的强度及变形行为受加载速率及环境温度效应的影响。以冻结兰州黄土为对象,开展了一系列不同温度及加载速率下的常规单轴压缩、变速率压缩及加卸载蠕变回弹试验。基于常规单轴压缩试验结果,考虑了加载速率对变形行为的影响;通过变速率压缩试验,引入了一个与加载速率相关的率敏感性系数,构建一个新的考虑率效应的冻土强度关系式,解决了由试样离散性而对率效应试验研究带来的不利影响;运用加卸载蠕变回弹试验实现了对冻土变形中弹性、塑性变形的解耦,并获得了率无关弹性模量。以此为基础,在一定的温度、加载速率范围内建立了考虑率效应及温度效应的冻结黄土单轴唯像本构模型。通过试验验证,该模型能较好地模拟冻结黄土在不同温度和不同加载速率条件下的应力应变行为。     

型钢混凝土粘结-滑移本构关系理论分析

根据国内外关于型钢混凝土粘结性能的试验研究 ,对型钢混凝土粘结应力沿锚固长度的分布规律进行了综合和分析 ,并根据粘结应力的分布规律 ,利用弹性力学中相似性的原理 ,从弹性力学角度对型钢混凝土粘结滑移本构关系进行了理论推导 ,建立了粘结应力与粘结滑移关系的数学模式 ,可为用有限元法进一步分析型钢混凝土结构的非线性性能提供参考和依据     

考虑动态应变率效应的混凝土单轴拉伸统计损伤模型

基于准脆性材料细观损伤机制,将损伤概括为"有效受力面积的减小"和"有效受力部位弹性模量的减小"两个方面,可分别利用断裂和屈服2种损伤模式表征;认为材料破坏过程实质上为2种损伤模式累积演化的连续过程。干燥混凝土所表现出的动态本构行为本质上是由于自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观2种损伤累积演化过程的改变。忽略水的黏滞性影响,通过假设不同应变率情况下干燥混凝土损伤演化服从某种相似性规律,建立相应增量形式的单轴拉伸动态损伤本构模型。通过算例和试验结果比较,表明该模型可预测变应变率加载情况下材料均匀损伤阶段的本构行为,等应变率加载可作为其中的一个特例。结合算例从有效应力、名义应力、吸能能力3个角度对材料的动态损伤机制进行探讨。区分开峰值应力状态和局部破坏的临界状态,并建议后者作为本构模型的最终破坏点。此举可充分考虑材料均匀受力阶段的延性,同时避免过多考虑局部破坏阶段本构模型尺寸效应的影响。     

Mechanical properties and associated seismic isolation effects of foamed concrete layer in rock tunnel

Foamed concrete has a good energy absorption capability and can be used as seismic isolation material for tunnels. This study aims to investigate the mechanical properties and associated seismic isolation effects of foamed concrete layer in rock tunnel. For this, a series of uniaxial/triaxial compression tests was conducted to understand the effects of concrete density, confining stress and strain rate on the mechanical properties of foamed concrete. The direct shear tests were also performed to investigate the effects of concrete density and normal stress on the nonlinear behaviors of foamed concrete layer-lining interface. The test results showed that the mechanical properties of foamed concrete are significantly influenced by the concrete density. The foamed concrete also has high volumetric compressibility and strain-rate dependence. The peak stress, residual stress, shear stiffness and residual friction coefficient of the foamed concrete layer-lining interface are influenced by the foamed concrete density and normal stress applied. Then, a crushable foam constitutive model was constructed using ABAQUS software and a composite exponential model was also established to study the relationship between shear stress and shear displacement of the interface, in which their parameters were fitted based on the experimental results. Finally, a parametric analysis using the finite element method (FEM) was conducted to understand the influence of foamed concrete layer properties on the seismic isolation effect, including the density and thickness of the layer as well as the shear stiffness and residual friction coefficient of the interface. It was revealed that lower density and greater thickness in addition to smaller shear stiffness or residual friction coefficient of the foamed concrete layer could yield better seismic isolation effect, and the influences of the first two tend to be more significant.     

钢管自密实混凝土短柱的有限元分析

钢管自密实混凝土在工程结构中得到了广泛的应用.通过理论分析,建立了轴心受压钢管自密实混凝土短柱的承载力计算公式.并借助有限元分析软件ANSYS,考虑了钢管与混凝土两种材料本构关系的非线性,对轴心受压钢管自密实混凝土短柱进行了大量的非线性有限元分析,建立了钢管自密实混凝土短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型.通过数值模拟,对提出的轴心受压钢管自密实混凝土短柱的承载力计算公式得出的结果进行了验证,发现计算结果与有限元分析结果吻合良好.     

基于ABAQUS程序的结构静力和动力弹塑性分析

在ABAQUS有限元分析软件的基础上,开发了针对钢筋混凝土杆系结构弹塑性分析的混凝土材料子程序。在程序中,建立了基于应力-应变关系层面的材料非线性本构关系及滞回模型。通过分析钢筋混凝土杆件在不同受力和边界情况下的静力和动力往复性能,说明该本构模型能准确模拟杆件的性能。为了验证该程序分析结构的能力,建立了一个高层框架结构,进行了静力推覆和动力弹塑性时程分析,对结构的弹塑性有较准确的模拟,结果能够反应结构在地震时的性能,说明本程序具有良好的分析性能,可以进行钢筋混凝土高层结构的静力和动力弹塑性分析。     

基于能量方法的分段曲线混凝土损伤模型

混凝土损伤模型的研究,实际上是研究混凝土材料的本构行为。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤发展,最终将产生宏观裂缝直至破坏。根据Najar能量损伤理论,提出新的分段曲线混凝土受压损伤演变方程,并给出不同强度混凝土损伤演变方程。通过计算、对比、分析、认为:建议的损伤模型与已有的混凝土本构模型吻合较好。该方法的优点是参数少,不同强度的混凝土有确定的损伤演变方程,可以动态分析混凝土的累积损伤程度。对比理论计算与试验结果表明,二者吻合较好,可为混凝土结构损伤仿真分析提供另一个解决途径。