角部钢筋锈蚀引发混凝土保护层开裂行为研究

为研究角部钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层开裂行为,提出了角部钢筋的非均匀锈胀模式.并将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土细观随机骨料模型.以施加非均匀径向位移方式来表征钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用.基于该方法对钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观数值模拟,模拟结果与已有文献中试验结果的良好吻合验证了该方法的合理性.另外,对比了宏观均质模型和细观非均质模型下不同角部钢筋锈胀模式导致的混凝土保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式以及钢筋锈胀压力的影响规律.     

相邻钢筋非均匀锈蚀引发混凝土保护层开裂的细观数值模拟

对2根相邻钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层破坏行为进行了细观数值模拟研究;考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,以施加强制位移的方式模拟钢筋的非均匀锈胀作用,建立了混凝土保护层开裂分析的细观尺度数值模型,并进行了影响参数分析。结果表明:细观数值模拟结果与已有文献中的试验结果吻合良好;相邻钢筋非均匀锈蚀时会发生内部裂纹相互贯通先于和落后于外部开裂2种破坏模式;钢筋直径不是影响混凝土保护层破坏的主要参数;混凝土保护层厚度主要影响外部开裂的发展;钢筋间距则主要控制内部裂纹的相互贯通。     

疲劳损伤RC梁氯离子腐蚀后疲劳性能和氯离子扩散性试验研究

对于沿海地区具有疲劳损伤的在役钢筋混凝土(RC)桥梁结构,其在氯腐蚀后的疲劳性能和氯离子扩散性对于结构耐久性设计和评估至关重要。为此,通过试验研究15根不同初始疲劳损伤程度RC梁在氯腐蚀后的疲劳性能和混凝土中氯离子含量,试验参数包括荷载水平(疲劳荷载上限与静载极限荷载之比,取0.2~0.5)、初始疲劳加载次数(1×104~120×104)、氯腐蚀时间(90、180d)和受拉纵筋配筋率(1.06%、1.59%和2.91%)。试验结果表明：疲劳损伤RC梁在氯腐蚀后进行疲劳加载时,梁挠度和混凝土应变等呈现典型的三阶段变化特征;荷载水平、初始疲劳加载次数、氯腐蚀时间和受拉纵筋配筋率均对其剩余疲劳寿命影响显著,荷载水平(不小于0.4)、初始疲劳加载次数(第一疲劳阶段)和氯腐蚀时间的增加均引起剩余疲劳寿命迅速降低,当配筋率增加到42%界限配筋率时,寿命有所增加;受拉混凝土氯离子扩散性的增加与RC梁剩余疲劳寿命的降低相关联,而受压混凝土的扩散性随荷载水平、初始疲劳加载次数和配筋率的增加而增加。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10-5 s-1~1 s-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度分析方法

混凝土的扩散渗透性能与其微观结构（包括细观尺度上粗骨料颗粒与砂浆之间的界面过渡区及砂浆本身的微观结构等）密切相关。在微观尺度上,砂浆和界面过渡区均可视为由无孔砂浆基质和孔隙水夹杂相组成的两相复合材料,二者的主要区别表现为孔隙率不同。在外荷载作用下,砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率及孔隙连通性会发生改变,从而改变混凝土的扩散渗透性能。基于此,该文建立了低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度理论分析方法,获得了混凝土表观扩散系数与外荷载（以体应变表征）及砂浆和界面过渡区当前孔隙率的定量关系。分析所采用的主要参数为砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率、无孔砂浆基质和骨料相的力学参数、骨料相和界面过渡区的体积分数、外荷载等。与已有文献数据对比知,该文分析结果与之吻合良好,表明了理论分析方法的合理性与准确性。此外,基于该方法,探讨分析了混凝土微/细观结构对其宏观扩散性能的影响。     

基于三维细观数值方法的钢筋混凝土悬臂梁抗剪行为研究

从细观角度出发,结合混凝土内部组成的微/细观结构特征,考虑钢筋与混凝土之间的非线性粘结-滑移行为,建立了钢筋混凝土悬臂梁力学行为研究的三维细观尺度数值分析模型与方法。基于建立的数值方法,对已有关于钢筋混凝土悬臂梁在循环往复荷载作用下的抗剪破坏试验进行模拟,模拟结果与试验结果的良好吻合表明了细观数值方法的可行性。进而在此基础上,拓展模拟了不同箍筋率下钢筋混凝土悬臂梁的剪切破坏过程,揭示了箍筋对悬臂梁滞回特性及抗剪承载力的影响规律。研究表明:1）细观数值分析模型能较好的模拟构件的宏观力学性能,且能细致的描述裂缝在混凝土中的发展过程;2）随着配箍率的增加,梁抗剪承载力及延性增加,但随着配箍率增加,钢筋混凝土梁抗剪承载力增加趋势减缓。建立的细观尺度数值方法可为有/无腹筋混凝土梁抗剪/抗弯破坏尺寸效应提供理论支持。     

近场数值波动分析中地震波输入的一种简化方法

在显式有限元方法结合黏弹性人工边界的时域波动方法的基础上,建立了地震波垂直输入时的一种简化输入方法。将近场有限元模型沿高度方向进行分层,将地震动的入射运动转化为作用于人工边界底面及分层后每层侧面上的均布力,以实现地震动的输入。与以等效节点力的方式实现的地震动输入相比,施加均布力的方式简化了地震波输入的前处理工作,且又能保证与等效节点力方式相同的精度。自由场数值算例表明：当本文方法中的分层高度与波动有限元网格离散要求的最大尺寸相等时,本文方法与等效节点力方法具有相同的精度;当局部区域按网格离散要求的最大尺寸进行分层而在其它区域放大分层高度时,局部区域上的近场波动响应仍可保证具有相当高的精度。另外,某隧道结构地震响应算例的计算结果同样说明了本文方法的有效性。     

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。