基于能量转化原理的地铁板式轨道自密实混凝土本构行为

为了掌握地铁板式轨道充填层自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)在车辆荷载作用下的本构行为,通过对SCC进行单轴抗压试验,研究了不同应变率、橡胶掺量和尺寸对力学性能和能量演化规律的影响,建立了SCC的本构模型。结果表明：峰值应力的应变率敏感系数绝对值最大,弹性模量次之,峰值应变最小;橡胶延缓了能量的早期增长,而在峰值应力之后,橡胶则阻碍了弹性应变能的耗散,延长了总应变能和耗散能的快速增长;应变率越大,总应变能和耗散能增长越快,弹性应变能在峰值应力前的积累速率越快,峰值应力后的释放速率越快;建立的本构模型可以用于描述SCC在不同应变率条件下的应力-应变关系。     

一种基于残余应变的混凝土疲劳损伤模型

介绍了混凝土在承受疲劳荷载时内部微裂纹的扩展规律,根据疲劳损伤变形的3阶段特征,可知混凝土内部微裂纹的扩展是导致其疲劳损伤的本质原因,提出了残余应变可作为建立疲劳损伤模型的基础。研究并介绍了混凝土疲劳损伤破坏时峰值应变εunstab的确定、等幅或变幅荷载作用下残余应变ε残和总应变ε总的计算理论。根据疲劳等效累积原则和混凝土疲劳残余应变的计算理论,推导出混凝土在疲劳荷载作用下基于残余应变的疲劳损伤模型,并提出了建立混凝土疲劳损伤模型需要进一步研究的重点和难点。     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

动载下尾砂胶结充填体的损伤规律与本构关系研究

为研究胶结充填体在冲击载荷下峰后破坏特征及损伤演化规律，通过对灰砂比为1∶4,1∶6,1∶8和1∶10的充填体试件进行单轴冲击试验，探索充填体在冲击荷载下的力学特性。基于weibull分布统计损伤理论，引入裂纹闭合系数(h),构建了Weibull分布的裂纹闭合效应的充填体损伤本构模型，结合试验曲线分析充填体的损伤演化规律，并分别探讨了Weibull参数的物理意义。研究表明：不同灰砂比的损伤发展趋势均呈倾斜拉伸的“S”型，在峰后阶段，同等应变条件下，高配比试样损伤变量值大于低配比试样损伤变量值，表明在一定承载范围内，低配比的充填体反而能更好地发挥峰后承载能力。当h=0.98时，由损伤本构模型得到的理论预测曲线与试验曲线具有较高的吻合度；且损伤演化方程也能很好地反映充填体损伤破裂的全过程。     

基于残余应变的多侧压下混凝土受拉疲劳损伤研究

在侧压分别为0.25fc和0.50fc及其组合条件下,进行了混凝土在多侧压下的受拉等幅与变幅疲劳试验,得到了疲劳累积极限应变和残余极限应变,建立了残余应变与疲劳次数关系方程,并给出了残余应变与循环次数关系曲线。根据残余应变的稳定性,也即不受加载历程的影响,主要与侧应力水平和相对疲劳次数有关,以残余应变与相应应力水平下的残余极限应变之比作为损伤变量,建立了损伤变量与疲劳次数关系的统一方程,并给出了损伤变量与疲劳次数关系曲线。同时,对单轴、单、双侧压下的混凝土受拉疲劳的累积极限应变和残余极限应变与相应应力条件下的静态峰值应变进行了比较,其结果是随着侧应力水平的增加,相应的极限应变增加,再次说明了侧应力水平的影响。静态峰值应变与相应条件下的疲劳累积极限应变接近,残余极限应变与静态峰值应变及疲劳累积极限应变的比值较为稳定,其变化区间在0.22~0.28之间,且两种比值之间相差0.0~0.2。最后,对Miner准则进行了改进,并根据所建立的损伤模型与改进的Miner准则,对变幅疲劳寿命进行了预测,其结果是较为合理的。     

饱和软粘土地基的损伤模型与震陷计算

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软粘土弹塑性动力损伤本构模型.考虑到地震作用下土体应力的不规则性,对循环三轴试验获得的粘土残余应变经验计算公式进行了修正,最后将该残余应变引入到损伤演化方程中.通过对地基的震陷计算并与不考虑损伤的模型进行对比,结果表明,该模型能合理地考虑屈服面内应力循环对地基残余塑性应变的贡献.     

土坯砌体单轴受压本构模型研究

通过土体材料的土工试验及泥浆立方体、土坯和土坯砌体单轴抗压试验,分析了土体材料的工程性质和单轴受压下土坯砌体的应力-应变关系。建立了泥浆立方体、土坯和土坯砌体的弹性模量与其抗压强度之间的关系方程,提出了土坯砌体抗压强度的简化计算公式。基于Weibull分布的损伤统计强度理论,利用应力-应变曲线峰值点的特征,建立了损伤修正统计本构模型,并与试验数据进行了比较,验证了损伤修正统计本构模型。研究表明:土坯砌体损伤统计本构模型,在峰值应力前期,损伤修正统计本构模型与试验数据吻合很好;在峰值应力后期,由损伤修正统计本构模型计算的应力值比土坯砌体试验应力值偏小。研究结果可为土坯砌体墙的抗震性能研究提供理论参考。     

循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究

针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。     

高应变率下含水红砂岩爆破损伤演化模型研究

基于直径50 mm的Hopkinson压杆装置,从宏观与微观两方面探究含水红砂岩在应力波作用下的力学特性与损伤演化机理,并将弹性模量定义的含水损伤与微元破坏数量定义的荷载损伤视为宏观损伤与微观损伤,基于Weibull理论与Drucker-Prager准则,推导得到红砂岩在含水率与应变率耦合作用下的复合损伤变量与动态损伤本构方程。研究表明,岩石损伤在一定范围内随含水率的增加而逐渐扩大,随着试样饱和,含水损伤趋于稳定。复合损伤变量与荷载损伤在应变率的作用下变化趋势近似,可分为初始阶段、低速发展阶段与快速发展阶段,代表了岩石在爆破冲击作用下的损伤演化过程,与含水红砂岩动态压缩破坏过程中应力-应变曲线的各个阶段相对应。将理论应力-应变曲线与实测应力-应变曲线进行对比,对建立的动态损伤本构模型准确性进行验证,发现该模型与含水红砂岩在动态压缩过程中的各个阶段拟合度较好,证明了该模型的准确性。     

高温后高强混凝土受压疲劳性能研究

利用电液伺服疲劳试验机,进行了C60高强混凝土的单轴受压疲劳试验,研究了其经100℃、400℃和700℃高温后表观特征、残余应变、疲劳寿命等的变化规律。试验结果表明:高温后高强混凝土的色泽变浅,部分400℃恒温0.5 h、1 h的试块呈铁锈红色,700℃时试块外表呈灰白色;在单轴受压疲劳荷载作用下,高温后高强混凝土的残余应变符合三阶段发展规律,较普通混凝土有更长的第二阶段。定义相对残余应变为损伤变量,建立了高温历程与受压疲劳损伤的关系模型,为经历重复荷载作用与不同加温历程等综合工况下高强混凝土疲劳试验研究及疲劳损伤评价奠定了基础。     

弯曲疲劳载荷作用下HPC和HPFRCC抗氯离子扩散性能研究

在疲劳和环境因素耦合作用下,混凝土材料与结构易于加速损伤劣化,从而影响到混凝土结构的服役寿命.针对混凝土损伤发展的第Ⅱ阶段,采用残余拉应变来表征损伤变量,研究了疲劳载荷与氯离子协同作用下对高性能混凝土(HPC)和高性能纤维混凝土(HPFRCC)耐久性的影响.研究结果表明:随着残余拉应变的增加,氯离子在HPC和HPFRCC扩散系数均增大,而且当残余拉应变超过60×10-6时,这种增加幅度开始更加明显;在疲劳载荷与氯盐耦合作用下,HPC和HPFRCC的服役寿命均低于单一环境因素作用下的混凝土服役寿命.因此,疲劳载荷会加速因环境因素作用引起混凝土损伤劣化进程.文章还从混凝土内部微结构的演变来解释这种损伤耦合效应.     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

横观各向同性岩石力学-化学-损伤耦合有限元分析

该文基于层理性岩石的水化作用和连续损伤特性,建立力学-化学-损伤耦合的有限元（FEM）求解方法,开展含钻井孔岩石的井壁应力和围岩损伤演化分析。该文发展横观各向同性Biot本构关系,采用Weibull分布函数表征岩石的非均质性;考虑水化作用引起的损伤,结合当前应力状态的应力损伤得到损伤张量,对弹性模量和渗透率进行损伤分析,实现层理性岩石在水化和荷载作用下的连续损伤演化,形成一套渗流-应力-化学-损伤（HMCD）耦合分析方法。该文给出数值算例,将含损伤横观各向同性模型用于研究层理性岩石的水化特性,表明岩石的非均匀性和水化作用对井壁应力解答具有重要影响,该有限元求解方法可对岩石水化、损伤进行可靠、有效的数值分析。     

循环荷载下岩盐Poyhting-Thomson模型研究

循环荷载下盐岩流变模型,是岩石力学的重要内容之一。利用Poyhting-Thomson模型,根据岩样真实循环加载疲劳过程,推导出初始匀速加载段和正弦循环加载段的应变随时间变化的本构方程。对盐岩进行了循环加载疲劳试验,由于疲劳损伤的原因,平均应变值随时间延长等速增加。据此,对理论本构方程进行了修正,用时间的幂函数来描述应变增量,得到了修正的Poyhting-Thomson疲劳流变本构方程。匀速加载阶段理论模型能较好模拟试验曲线。用修正的流变本构模型对循环加载疲劳阶段的应变曲线的上限线、下限线和中间线进行拟合分析,得到了相应的拟合参数。取参数的平均值,用修正模型对试验疲劳曲线进行了模拟,模拟曲线与试验曲线比较接近,几乎可以代替试验。通过试验和数学验证表明,Poyhting-Thomson模型及其修正的模型,来描述循环载荷作用下盐岩的疲劳应变发展是可行的,能较好的刻画应变随时间变化的规律。     

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。     

混凝土双轴拉压、三轴拉压压变幅疲劳性能研究

利用大型多轴疲劳试验机,进行了拉压双轴和拉压压三轴荷载作用下混凝土两级、三级变幅疲劳试验研究,重点分析了残余应变的变化规律。试验结果表明:混凝土在拉压和拉压压加载工况下的残余应变主要与相对疲劳次数和侧压应力比有关,基本不受加载历程因素的影响。定义相对残余应变为损伤变量,建立了损伤演变方程,并进行了疲劳损伤分析和剩余疲劳寿命预测,为混凝土在多轴变幅疲劳试验研究及疲劳损伤评价提供参考。     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

钢板-混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究

为研究钢板-混凝土组合桥面板在疲劳荷载下的受力性能,该文完成了10块钢板-混凝土组合桥面板试件的等幅疲劳试验研究。试验主要考察栓钉布置、开孔钢板连接件数量及疲劳荷载幅值等3个因素对组合桥板的疲劳破坏模式及疲劳损伤程度的影响。试验过程中对组合桥面板各个主要时刻的动挠度、混凝土应变、底部钢板应变、残余挠度及剩余承载力进行测...