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。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将"结果输出"作为"初始条件"对混凝土动态力学行为进行细观模拟,模拟与已有试验结果的良好吻合验证了数值方法的可行性及准确性。在此基础上,研究了高温加热后混凝土动态单轴压缩破坏行为及细观破坏机制,揭示了高温作用对动态压缩强度放大系数的影响规律。结果表明:高温加热后,混凝土动态冲击破坏集中在力学性能薄弱的加载端;相比于应变率效应,温度退化效应对混凝土力学性能（如强度、割线模量）影响更为显著。     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

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。     

初始静载对不同剪跨比BFRP筋混凝土梁动态剪切性能的影响EI北大核心CSCD

为揭示初始静载对玄武岩纤维增强(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋混凝土(BFRP-RC)梁动态剪切性能的影响,建立了考虑混凝土非均质性、混凝土与BFRP筋间相互作用及各材料应变率效应的三维细观数值模型。在验证了该模拟方法合理性与准确性的基础上,分析了初始静载对不同剪跨比BFRP-RC梁破坏过程与失效机制的影响。研究结果表明:BFRP-RC梁的抗剪承载力及变形能力均随应变率增大而提高;应变率对梁抗剪承载力的增强作用随剪跨比增大而减弱;在峰值荷载前应变率突增,BFRP-RC梁的刚度增加,抗剪承载力提高;在峰后软化段应变率突增,BFRP-RC梁的峰后软化转变为峰后硬化,而后出现第二峰值荷载;BFRP筋混凝土梁的动态抗剪承载力均随初始静载增大而降低,但梁抗剪承载力的降低量是否与后续应变率有关取决于初始静载水平;在各应变率下,BFRP筋混凝土梁的变形能力及损伤程度均随初始静载的增大而减小,但增大后续应变率会削弱初始静载对梁动态性能的影响。     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10-5 s-1~2×102 s-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明:混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s-1）,即:低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

历经荷载历史混凝土动态受拉损伤试验研究

该文通过在MTS试验机上对普通混凝土受拉试件预先施加不同应变率和大小不同的荷载历史,然后对经历荷载历史后的混凝土受拉试件在应变率10?5/s―10?2/s范围内进行动态单轴拉伸损伤试验,研究了荷载历史对混凝土的动态抗拉强度、动态变形特性和动态损伤特性的影响。研究结果表明:混凝土经历荷载历史后,混凝土抗拉强度和混凝土损伤槛值都降低了,但临界应变受荷载历史影响不大;在相同的应力比和应变比情况下,混凝土的损伤值随着荷载历史的增加而增加了。     

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟EI北大核心CSCD

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。     

HSLA TRIP钢的动态拉伸行为及其模拟

研究了HSLA TRIP钢的相变诱发塑性,并模拟了其动态流变行为．结果表明,HSLA TRIP钢是应变率敏感的,屈服强度和抗拉强度均随着应变率的提高而增大,断裂延伸率降低．其变形机理是应变率硬化、绝热软化和残余奥氏体的应变诱发相变等因素的综合作用．计及拉伸流变过程中准静态向热激活、热激活向粘性拖曳及热激活和粘性拖曳综合作用和高应变率热软化特性,计算结果与实验具有较好的一致性．在高应变率拉伸变形过程中HSLA TRIP钢的塑性功热转化率为0．8-0．9．     

Cohesive crack modeling of influence of sudden changes in loading rate on concrete fracture

The results of an experimental study of a sudden change in loading rate on the fracture behavior of normal- and high-strength concrete specimens of three different sizes are reported. Geometrically similar three-point bend specimens were subjected to either a sudden 1000-fold increase or a 10-fold decrease of the loading rate. It was observed that for a large increase of the loading rate, the post-peak softening can be reversed to hardening followed by a second peak of the stress-strain diagram. A sudden decrease of the loading rate initially causes, a steeper softening slope of this diagram. The results are similar for normal and high strength concrete specimens. The viscoelastic cohesive crack model with the rate-dependent softening law is used to model the experimental results.     

钢筋混凝土长柱快速轴心受压试验与模拟研究

为了研究钢筋混凝土长柱在快速轴心受压加载下应变率和惯性效应对其性能的影响,开展了钢筋混凝土长柱快速轴心受压加载试验和动力有限元模拟研究。设计了两组共6根构件,长细比分别为12和22,快速加载试验中实测混凝土材料应变率达到10-3/s数量级。试验结果表明,与准静载相比,快速轴心受压下构件承载力及对应的轴向变形均有不同程度的提高,并且动力增大系数随长细比增大而增大。将CEB-FIB模式规范的混凝土材料动态应力-应变关系引入混凝土塑性损伤模型,在ABAQUS中建立了钢筋混凝土长柱快速轴心受压下力学性能分析的显式动力有限元模型,数值模拟结果与试验结果吻合良好。最后,运用所建立的有限元模型分析快速加载下构件承载力动力效应的形成机制。分析结果表明,构件长细比较小时其惯性效应可以忽略,动力增大系数可以主要由应变率效应来描述,随长细比增大,惯性效应对动力增大系数的贡献越来越明显,而应变率效应仍不可忽略。     

Study on Dynamic Behavior and Tensile Strength of Concrete Using 1D Wave Propagation Characteristics

Concrete structures are usually fractured under dynamic loadings, so it is important to have a clear knowledge of their dynamic behavior and tensile strength. First, the principle of one-dimensional (1D) stress wave reflection and superposition at free surface is briefed, and the spalling test method based on the Hopkinson bar is presented. Then, the attenuation law of stress wave is explored and the dynamic tensile/compressive moduli of concrete are evaluated according to the wave propagation experiment. Lastly, the influences of strain rate on the spalling tensile strength and failure patterns of concrete are further analyzed. The testing results demonstrate that the attenuation of stress wave accords with an exponential law when propagating in the concrete bar. The difference between the dynamic elastic moduli of concrete in tension and in compression is minor. Spalling tensile strength is sensitive to strain rate, and there is an obvious linear correlation between dynamic increase factor (DIF) and strain rate in a log-log plot for strain rate above 1.0/s; a single fracture occurs at low strain rate, while multiple fractures are detected with increasing strain rate.     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

基于细观模拟的轻骨料混凝土动态压缩破坏及尺寸效应分析

轻骨料混凝土由于其轻质及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,采用塑性损伤本构关系模型,考虑应变率效应的影响,建立了对应的细观随机骨料模型,研究了轻骨料混凝土在动态压缩作用下的破坏行为及尺寸效应规律。发现:随着应变率的增加,惯性效应逐渐成为主导效应,动态压缩强度的尺寸效应逐渐被削弱,达到临界应变率时,尺寸效应被完全抑制。此外,结合率效应影响机制与规律,揭示了轻骨料混凝土动态压缩强度的尺寸效应机理,建立了“静动态统一”的尺寸效应半经验-半理论公式。     

Simulation of rate dependent fracture in concrete using an irregular lattice model

An irregular lattice model is used to simulate concrete fracture behavior under dynamic loadings. The numerical approach is based on rigid-body-spring networks, in which a visco-plastic damage model is applied to describe the rate dependency. A direct tensile test is simulated at various strain rates, and the dynamic strength increase is obtained in terms of dynamic increase factor (DIF). The DIFs are compared with a previous experimental and empirical study to calibrate the visco-plastic parameters. Next, a three-point-bending test is conducted numerically under impact and slow loadings, where the mixed-mode fracture is set up with a notch offset from the midspan. The rate-sensitive failure features are shown at the two different loading rates, and the rate effect on the failure mechanism is related with the peak load in the loading history. This study provides qualitative and quantitative understandings of the rate dependent failure behaviors in concrete.