基于宏-细观尺度的钢渣混凝土力学性能研究

为研究钢渣细骨料混凝土的力学性能,配制了钢渣替代率为0、10%、20%、30%的砂浆和混凝土,进行砂浆抗压强度、混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度试验。结果表明：粒化钢渣具有界面过渡区,可以减弱钢渣砂浆的抗压强度;钢渣具有一定的水化活性,可以提高砂浆的水灰比,进而提高砂浆的抗压强度;钢渣掺量为20%时,混凝土试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度最大;钢渣掺量为30%时,混凝土试件的抗折强度最大。基于细观尺度,将钢渣混凝土看作由砂浆、粗骨料、钢渣颗粒、砂浆-粗骨料界面和砂浆-钢渣颗粒界面组成的五相复合材料。建立钢渣混凝土细观数值模型,模拟不同钢渣掺量的混凝土立方体抗压强度、抗折强度、荷载-挠度曲线。模拟结果与试验结果符合较好,验证了细观模型的正确性。     

不同强度等级混凝土尺寸效应试验研究

为了研究不同强度等级混凝土强度的尺寸效应,分别对C15、C20和C30等级混凝土,边长分别为100、150和150 mm的立方体试件进行了抗压和劈裂抗拉试验。建立了不同强度等级混凝土抗压与劈裂抗拉强度尺寸效应律的计算式,并通过试验数据验证了其适用性。试验结果表明,混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均存在尺寸效应,随着强度等级增大尺寸效应显著性逐渐增大;抗拉尺寸效应大于抗压尺寸效应。     

橡胶混凝土抗压强度及细观破坏机理

为研究橡胶混凝土受压裂纹扩展过程和破坏机理,配制了水灰比为0.35、0.40、0.45,橡胶掺量为0、10%、20%、30%的橡胶混凝土,进行立方体抗压强度试验。将橡胶混凝土看作由砂浆、粗骨料、橡胶颗粒、砂浆-粗骨料界面和砂浆-橡胶颗粒界面组成的多相复合材料,建立细观数值模型,模拟不同橡胶掺量和不同水灰比的橡胶混凝土立方体抗压强度,模拟结果与试验结果符合较好,验证了细观模型的正确性。对橡胶混凝土立方体受压破坏进行细观仿真研究,结果表明:砂浆与橡胶颗粒的界面区域对橡胶混凝土立方体抗压强度和破坏过程影响较大;随着水灰比增大,砂浆与橡胶混凝土颗粒界面区域对橡胶混凝土立方体抗压强度的影响变小。     

基于细观模型的含腹筋混凝土梁受剪承载力尺寸效应

考虑混凝土细观非均质性及钢筋与混凝土之间相互作用,建立了钢筋混凝土梁破坏行为模拟的三维细观数值分析模型。以悬臂梁为例,在数值模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,扩展模拟了腹筋率、剪跨比及加载方式对大尺寸钢筋混凝土梁(最大梁深为2 000mm)剪切破坏尺寸效应的影响规律。模拟结果表明:无腹筋梁抗剪名义强度尺寸效应显著,中国《混凝土结构设计》规范提出的截面高度影响系数难以全面的反映梁剪切破坏的尺寸效应现象;腹筋会抑制梁抗剪强度的尺寸效应,随着腹筋率的增加,梁的抗剪强度尺寸效应逐渐减弱;随着剪跨比的增加,梁的抗剪承载力有所减弱,同时,尺寸效应现象也略有减弱;相比于单调加载,循环加载下梁将产生低周疲劳脆性破坏,使得梁抗剪强度尺寸效应更加明显。     

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。     

混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

基于细观随机模型的混凝土抗拉强度模拟研究

基于细观随机骨料模型的"数字混凝土"数值仿真是目前研究混凝土力学性能的重要手段之一。该方法可真实描述混凝土材料的非均质性,并直观反映混凝土试件内部应力、裂缝等分布状况。基于随机骨料模型,模拟了不同骨料分布下的混凝土圆柱体试件抗拉强度变化规律,探讨了混凝土非均质性对混凝土宏观力学性能的影响。     

混凝土类脆性材料损伤断裂数值模拟研究

对混凝土类材料细观结构的数值模拟从理论上进行了系统的分析，并采用梁—颗粒模型BPM^2(beam—particle model)模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程。在模型中用三种类型粱单元形成混凝土细观数值模型以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果显示，混凝土宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果。通过数值模拟结果的对比分析揭示出混凝土破坏形态随材料性质分布的非均匀性变化而不同，井探讨了混凝土材料细观结构数值模拟的发展方向。     

混凝土强度尺寸效应的细观数值分析

首先使用混凝土细观模型对轴向拉伸试件进行了数值分析,然后,在1∶8的尺寸范围内对轴向拉伸试件的强度尺寸效应进行了比较分析.分析表明,试件的强度随试件尺寸的增大而减小.Bazant尺寸效应律和Carpinteri尺寸效应律都能较好地模拟混凝土材料的尺寸效应,对于抗拉强度的尺寸效应现象,Carpinteri多重分形尺寸效应律更为确切些.     

基于CT图像的细观混凝土孔隙缺陷研究

将混凝土看作由骨料、砂浆、界面和孔隙缺陷组成的细观非均质材料,借助计算机断层扫描(CT)技术,建立了考虑孔隙缺陷相的细观混凝土模型,对有、无孔隙缺陷情况下混凝土的受拉破坏过程及应力集中的大小与分布进行了对比分析,研究了孔隙缺陷的面积统计分布规律.结果表明:孔隙缺陷的存在会增强混凝土材料的整体非均质性和拉应力分布的非均匀性,导致明显的应力集中;孔隙缺陷面积的分布规律基本符合Lognormal概率分布规律.     

基于三维细观分析方法的CFRP加固无腹筋混凝土梁剪切强度尺寸效应研究

以CFRP侧贴加固无腹筋钢筋混凝土悬臂梁为研究对象,从细观角度出发,考虑混凝土细观非均质性及CFRP-混凝土之间的相互作用,建立了单调加载下CFRP侧贴无腹筋钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。通过仅改变CFRP条带的厚度来改变CFRP的配纤率,进而以CFRP的配纤率为主导参数,并且在之前试验工作的基础上,扩展模拟了尺寸和配纤率对梁的剪切破坏机理和失效模式的影响,研究了外贴CFRP加固钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为。结果表明: CFRP侧贴加固无腹筋钢筋混凝土梁的名义剪切强度尺寸效应明显,CFRP布加固对小尺寸梁贡献最大,其有效性随着梁尺寸的增加而减小; 配纤率的增大提高了悬臂梁的名义抗剪强度,但同时也削弱了抗剪强度的尺寸效应; 当配纤率较大时,峰值剪切应力的增长趋势明显减缓,即层数过多时,加固效果不明显。     

无腹筋钢筋混凝土受弯构件基于修正压力场理论的受剪计算

为解释无腹筋钢筋混凝土受弯构件的受剪破坏机理,并反映尺寸效应对无腹筋受弯构件受剪强度的影响,在修正压力场理论基础上,对钢筋混凝土构件受剪破坏做了进一步研究,提出沿受弯构件斜裂缝表面平均剪应力的计算公式,并考虑混凝土构件的尺寸效应提出抗剪强度简化计算公式。与国内外无腹筋梁的512个试验结果比较表明,采用提出的斜裂缝表面平均剪应力公式按修正压力场理论计算的受剪承载力及按文中简化公式计算的受剪承载力与试验结果比值的变异性很小,可用于无腹筋钢筋混凝土梁的受剪分析和设计。     

EPS混凝土静态压缩和劈裂性能

试验研究了4种(表观)密度的EPS(发泡聚苯乙烯)混凝土的静态压缩性能和劈裂性能,建立了较低密度EPS混凝土的应力-应变关系模型,赋予了各参数相应的物理意义.结果表明:当EPS混凝土密度较高时,其呈现出明显的准脆性材料特性;当EPS混凝土密度较低时,其呈现出明显的泡沫吸能材料特性.所建立的较低密度EPS混凝土应力-应变关系模型能较好地拟合试验结果.相同相对密度的EPS混凝土,其相对劈裂强度表现出明显的粒子尺寸效应.随EPS混凝土相对密度的降低,其相对劈裂强度粒子尺寸效应逐渐减小.     

矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点受剪承载力研究

在矩形钢管混凝土异形柱-钢梁节点试验研究的基础上,对节点的破坏特征及影响因素进行分析,结果表明矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的破坏模式主要是节点域发生剪切斜压破坏,其受力机理为钢桁架、混凝土主斜压杆和约束斜压杆的综合作用。在此基础上,将节点域抗剪贡献分为三部分进行研究,包括节点域钢管腹板的抗剪贡献、节点域混凝土主斜压杆的抗剪贡献和约束斜压杆的抗剪贡献。根据试验结果和力学分析,推导了节点区柱腹板剪力计算式;由虚功原理得出节点区混凝土约束斜压杆的承载力计算式;通过对试验数据的回归分析,得到核心区混凝土主斜压杆的承载力计算式;最后提出了矩形钢管混凝土异形柱 钢梁框架节点屈服剪力和极限剪力的计算式,该计算式不仅考虑了柱轴力对节点区实际受力状态的影响,而且考虑了钢管对混凝土的约束作用。对比结果表明,采用计算式得到的结果与试验结果吻合较好。     

部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压性能数值分析

为研究部分包覆钢-轻骨料混凝土组合(PELC)短柱的轴压性能,采用ABAQUS软件建立了轴压作用下部分包裹钢-轻骨料混凝土组合短柱的有限元模型。通过典型构件揭示了部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱在轴压荷载作用下的全过程受力机理与破坏模式; 分析了轻骨料混凝土强度、系杆间距、含钢率以及翼缘宽厚比等参数对部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压性能的影响规律; 基于规范AISC 360并考虑轻骨料混凝土约束效应,提出了一种部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱轴压承载力的计算公式。结果表明:部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱在轴压荷载作用下的主要破坏模式为轻骨料混凝土压溃、H型钢正弦半波状鼓曲以及系杆屈服; 部分包覆钢-轻骨料混凝土组合短柱的极限承载力将随着轻骨料混凝土强度与含钢率的增加而提高,延性将随着含钢率的增加而提高,随着系杆间距和轻骨料混凝土强度的增加而降低; 研究结果将为轻骨料混凝土组合柱在实际工程中的设计与应用提供理论依据。     

Mesoscale modeling based numerical study on size effect of concrete compressive strength

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明：初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

普通混凝土和轻骨料混凝土强度尺寸效应的对比研究

介绍了3组普通混凝土和轻骨料混凝土立方体试件的抗压强度试验,进一步验证了普通混凝土尺寸效应的规律,初步得出了轻骨料混凝土的尺寸效应规律。     

普通混凝土与高强混凝土抗压强度的尺寸效应

通过对27组边长为100,150,200mm,强度等级为C20,C40和C60的普通混凝土和高强混凝土立方体试件进行抗压试验,系统研究了不同强度等级普通混凝土和高强混凝土试件立方体抗压强度的尺寸效应,建立了强度等级与立方体抗压强度尺寸效应的关系,得到了普通混凝土和高强混凝土抗压强度尺寸效应的临界尺寸和临界强度,提出了立方体抗压强度尺寸效应律的计算公式,并通过试验数据验证了该公式的适用性.试验结果表明：普通混凝土与高强混凝土的立方体抗压强度均具有较明显的尺寸效应现象,强度等级越高,尺寸效应越明显,C20混凝土立方体抗压强度尺寸效应度约为C60混凝土的55%.     

内填料石钢管混凝土短柱轴压性能研究及承载力计算

为合理重复利用废弃石材,将抗压强度高、脆性强的石材置于钢管混凝土柱(CFST)中部,利用钢管的约束充分发挥石材的抗压强度并延缓其压溃,形成内填料石钢管混凝土(SCFST)柱。为研究SCFST短柱的轴压受力机理,采用通用有限元软件ABAQUS建立SCFST短柱精细化3D有限元模型,并利用已经完成的18根SCFST短柱和6根传统钢管混凝短柱试件的破坏形态和荷载-变形关系试验结果对模型的可靠性进行验证。通过验证后的有限元模型,分析SCFST短柱各部件之间的相互作用及荷载分配规律。在此基础上,进一步开展系统的参数分析,研究内填料石尺寸、钢管壁厚、钢管屈服强度和混凝土强度等参数对SCFST柱轴压性能的影响规律。研究结果表明,不同部件间的相互作用随钢管壁增厚和混凝土强度提高而增大,受内填石料尺寸的影响较小。提出了适用于SCFST短柱的轴压承载力计算式,在研究参数范围内计算式具有较好的计算精度。     

Using XFEM to model the effect of different axial compression on the hysteretic behaviour of the flexure‐dominant RC columns

The axial compression ratio has a significant effect on the strength and ductility of reinforced concrete (RC) columns subjected to seismic loads. However, limited numerical models have been found to be able to consider the effect of axial compression ratio in mesoscopic scale. To achieve a sound understanding of the hysteretic mechanism of RC columns with different axial compression ratios, a novel modelling method was developed by employing the following techniques: (a) the extended finite element method for modelling crack initiating and propagating in concrete; (b) the contact algorithm for modelling the crack closure; and (c) the Cartesian type “connector” for modelling the interaction between concrete and steel bars. The effectiveness of the proposed model was validated in macroscopic scale by the results of a previous experimental study. Further analysis indicates that the axial compression ratio controls the axial deformations of RC columns, thus leads to different performances of concrete and steel under seismic loads. Based on the individual flexural contributions of the concrete and the steel bars, the effect of the axial compression ratio and the pinching effect is explained in a finer scale. The analytical results shed some light on the seismic mechanism of RC columns with different axial compression ratios.