玄武岩格栅增强水泥基复合材料单轴拉伸力学性能试验及本构关系模型

考虑玄武岩纤维增强树脂合物基复合材料(BFRP)格栅层数和水泥基复合材料(ECC)配比等因素,对BFRP增强大掺量粉煤灰/矿粉ECC棒骨试件进行了静力单轴拉伸试验,研究掺加增强粉煤灰/矿粉ECC的抗拉力学性能。结合试验数据,基于Richard和Abbot的弹塑性应力-应变公式提出掺加增强ECC的应力-应变本构关系模型。试验结果表明:随着掺加层数的增加,格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。同配合比掺矿粉制成的ECC抗压强度、开裂应变及应力高于掺粉煤灰制成的ECC。掺加增强掺矿粉ECC试件相对掺粉煤灰ECC试件具有较好的抗拉力学性能。计算结果表明,建立的单轴受拉本构关系模型可以有效地预测掺加增强ECC的应力-应变关系和极限抗拉强度。     

受侧向约束混凝土的内时损伤本构模型

受侧向约束混凝土结构由于其核心混凝土处于三向受压应力状态,其强度和变形能力有了很大的提高,因此在土木工程得到了广泛的应用。为了更好的描述这一结构形式的强度和变形特征,该文结合Valanis所提出的内时理论和Mazars的损伤理论,建立了一种全新的适用于侧向约束混凝土结构分析的内时损伤本构模型。该模型考虑弹塑性与损伤的耦合,用内时理论来描述混凝土的弹塑性特性,用各向同性损伤理论描述混凝土微裂缝扩展引起的刚度退化,通过与试验结果以及与其他模型的比较证实了模型的正确性和必要性。最后将该本构模型用于对常见的约束混凝土结构,如钢管混凝土和CFRP约束混凝土结构的应力-应变全过程分析中。     

功能自恢复SMA/ECC墩柱抗震性能试验研究EI北大核心CSCD

墩柱作为主要承重构件,其抗震能力对整个桥梁结构的安全至关重要。为了提高墩柱的变形能力、耗能能力及损伤自修复能力,减小墩柱震后的残余变形和损伤,实现震后不修复或者稍作修复就可恢复正常功能,提出了一种基于形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)和工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)的新型自复位墩柱。利用SMA的超弹恢复性能,在墩柱的塑性铰区用SMA筋来替代普通纵向钢筋,来实现墩柱的自复位功能;利用ECC的应变硬化特性,ECC替代墩柱的塑性铰区普通混凝土,提高墩柱耗能能力并减少损伤。设计制作了5个试验试件,分别为普通钢筋混凝土墩柱、普通钢筋ECC墩柱、钢绞线普通混凝土墩柱、钢绞线ECC墩柱和形状记忆合金筋ECC墩柱,并进行低周反复加载试验,对比分析了不同墩柱的破坏模式、承载力、延性和耗能能力等抗震性能。研究结果表明:SMA材料能够增强结构的变形能力,提高结构的延性,减小结构残余变形;ECC材料能够提高结构延性,减缓裂缝的开展速度,提高结构的耗能能力。与普通钢筋混凝土墩柱相比,SMA/ECC墩柱不仅表现出较好的延性,且构件复位效果良好,显著减小了结构损伤,展现出更好的抗震性能。     

ECC材料力学性能与本构关系研究进展

混凝土在国内外应用广泛,但普通混凝土材料存在抗拉强度低、韧性差和脆性特征明显等缺点。自20世纪90年代采用性能驱动设计方法(PDDA)成功配制工程水泥基复合材料(ECC)后,仅在几年时间里,ECC材料受到了研究者的广泛关注。相比普通混凝土,采用PDDA得到的ECC的外掺纤维与基体界面有良好的粘结作用,这使得ECC材料具有应变硬化和多缝开展等重要特征。由于ECC优异的力学性能,使用其替代混凝土便成为解决混凝土脆性、裂缝开展等相关问题的一种有效的新途径。 然而, ECC的制备极不容易,由于基体胶凝材料产地不同或者纤维种类不同,某一地区配制成功的配合比大多无法适用于其他地区。因此,根据当地情况进行ECC材料的配合比设计仍然是各国学者青睐的课题。一方面,欲使用ECC代替混凝土用于建筑结构等,就必定要深入研究ECC材料层面的基本力学性能。建立ECC的本构模型对ECC构件甚至结构层面的研究都十分重要,但相关研究较少。另一方面,由于ECC材料良好的裂缝控制能力,国内外学者也致力于使用ECC材料进行结构加固修复的研究。 各国学者先后成功配制极限拉应变大于3%的ECC,这为进一步广泛开展ECC的研究和应用创造了很好的条件,用于配制ECC的纤维种类也更加丰富。在ECC拉伸、压缩、弯曲和剪切等大量的材料试验研究基础上,近几年,一些科研团队开始尝试用ECC部分甚至完全代替混凝土来浇筑梁、柱等构件,然后进行ECC构件层次的力学性能和耐久性等研究;另有部分研究人员也致力于建立ECC的本构模型,开展数值模拟分析。此外,由于ECC优异的力学性能,也有学者提出可以采用3D打印技术来建造无筋ECC建筑。 本文从ECC材料层面的单轴单调拉压力学性能、单轴循环拉压滞回性能、多轴力学性能及破坏准则、ECC与普通钢筋和纤维增强塑料(FRP)筋两种筋材的粘结性能方面进行综述,相应介绍了几种本构模型并简要对其进行评价,以期为用ECC代替混凝土进行建筑结构设计、选取本构模型进行数值模拟分析、编制规范和技术规程等提供参考。最后,对今后进一步开展ECC力学性能研究、建立本构模型提出展望。     

高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料受拉应力-应变关系

为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,EEC)的受拉性能,考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素,对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明,高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大;增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果,提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型,推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证,计算结果与试验结果吻合良好,说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。      

Zirlo锆合金高温变形行为及本构关系EI北大核心CSCD

采用Gleeble-3800型热模拟试验机,对Zirlo合金进行等温恒应变速率压缩实验,研究其在变形温度550~700℃,应变速率0.01~10 s^(-1)范围内的热变形行为;并在Arrhenius型双曲正弦函数方程基础上引入应变量,构建了基于应变补偿的Arrhenius本构模型,同时构建了基于位错密度演化加工硬化模型和基于唯象型的软化模型的分段唯象型本构模型。结果表明:Zirlo合金的流变应力随着温度的降低和应变速率的提高而升高,低应变速率下流变应力呈现更高的温度敏感性,流变应力曲线在不同变形条件下分别呈现加工硬化、动态回复、动态再结晶特征。经过误差分析可知,基于应变补偿的Arrhenius本构模型大部分预测值的误差均在15%以内,具有较高的准确性,而分段唯象型本构模型相对平均绝对误差最大值不超过3%,具有97%以上的准确率,可以很好地预测合金的应力-应变曲线,具有良好的拓展性,并且可初步判断曲线类型,具有良好的实用性。     

混凝土静动态单轴抗拉本构关系试验研究

轴向拉伸试验是确定混凝土拉伸力学性能最直接的方法。利用MTS试验机和自行研制的夹具,在试件与试验机之间设置球铰组件以消除拉伸过程中附加弯矩的影响,并采取适当措施降低拉伸试验中偏心的影响,完成了应变率由10-6~10-3s-1 4个数量级范围内的混凝土静动态轴向拉伸试验。试验结果发现不同应变率下,混凝土轴向拉伸全过程曲线有着很好的相似性,峰值应力和弹性模量随着应变率的增加而增加,但极限拉伸应变基本不变。在纤维束模型的基础上,建立了考虑应变率效应影响的统计本构方程,其计算结果与试验值吻合较好。     

约束混凝土单轴弹塑性损伤本构模型

该文通过采用混凝土三维弹塑性损伤模型和弧长法分析了钢筋混凝土单轴压缩过程中箍筋对混凝土的约束作用,得到了约束混凝土单轴抗压强度和延性增大系数。基于连续介质损伤力学的基本框架,引入约束混凝土强度和延性增大系数,建立了混凝土单轴弹塑性损伤本构模型。验证表明：该文模型符合热动力基本方程,可较好地反映约束混凝土强度和延性增大、强度软化、刚度退化、塑性变形、裂面效应、等力学特性;模型参数与中国现行《混凝土结构设计规范》推荐的模型完全相同,易于工程应用。将该文模型与纤维束形式的Timoshenko梁单元相结合,在自主研发的结构非线性分析软件SAUSAGE中完成开发实现。利用SAUSAGE完成了某钢筋混凝土框架结构的大震动力非线性分析,结果表明：箍筋约束作用可以有效抑制梁、柱构件的非线性发展,影响了结构最大层间位移角和最大层间剪力等宏观指标。     

复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能EI北大核心CSCD

通过ABAQUS软件建立三维累积损伤有限元模型,计算复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构的条件挤压载荷,并对其损伤机理与破坏过程进行分析;选用适合该类结构层板的损伤判据与衰减准则进行验证。计算获得的初始挤压破坏载荷与实验结果吻合良好,说明所建模型的有效性。在此基础上,分析了接触面摩擦、螺栓刚度和连接金属板刚度等因素对连接结构拉伸性能的影响。结果表明:接触面摩擦因数和螺栓刚度对结构拉伸性能的影响较为明显,金属板刚度的影响很小。     

HRB400E抗震钢筋拉压循环本构关系EI北大核心CSCD

对新型抗震钢筋HRB400E进行单调拉伸及循环加载试验,研究其单调性能、滞回性能、延性特征等,为对比抗震钢筋与普通钢材力学性能的区别,同时进行Q355B钢材的单调拉伸及循环加载试验,并基于能量耗散系数评价不同钢材的耗能能力。采用Ramberg-Osgood模型拟合得到两类钢材的循环骨架曲线,进一步探究随动强化参数对数对滞回曲线模拟效果的影响,并根据循环加载试验结果标定得到Voce-Chaboche模型的混合强化参数,利用ANSYS有限元软件对不同加载制度下的滞回曲线进行模拟。结果表明:HRB400E抗震钢筋的能量耗散系数大于普通钢材Q355B,小于高强钢Q460D以及低屈服钢LYP100、LY100、LY160、LY225;循环荷载作用下,抗震钢筋和普通钢材的材料强度均有明显提升;取4对随动强化参数时,模拟曲线与试验曲线的吻合度最高;采用标定得到的混合强化参数可准确模拟两种钢材在不同循环加载制度下的滞回性能,为今后准确模拟HRB400E钢材在地震作用下的抗震性能提供了参考。     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

高性能PVA纤维增强水泥基复合材料单轴受拉特性

高韧性PVA纤维增强水泥基复合材料具有很高的能量吸收能力,但强度通常较低,采用我国地方材料资源和工业废料,可制备出高强度同时极限变形量满足实际工程要求的高性能PVA纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC),以应用于高层抗震建筑结构的关键部位。通过单轴受拉强度和变形特性试验,研究PVA纤维体积率、粉煤灰掺量、硅灰掺量、水胶比及砂胶比对HPFRCC抗拉性能的影响,研究结果表明：随着PVA纤维体积掺量的增加,HPFRCC的抗拉强度与极限拉应变增大;大掺量粉煤灰替代水泥及增大水胶比可降低HPFRCC的抗拉强度,但明显改善其受拉应变硬化特性;HPFRCC中掺入适量硅灰及细砂可提高其抗拉强度,但极限拉应变降低,尤其当砂胶比较大时,HPFRCC的受拉应变硬化现象不明显;基于细观力学模型,分析了各因素对HPFRCC拉伸应变硬化特性影响的原因,研究结果可为今后HPFRCC的实际工程应用提供基础依据。     

水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型

多孔多相的饱和混凝土中,孔隙自由水对混凝土的力学特性有显著的影响。该文基于损伤力学基本原理建立了单轴压缩条件下水饱和混凝土的弹塑性损伤本构模型,并结合太沙基“有效应力原理”,认为材料的损伤是由本体有效应力和结构有效应力引起的,根据应力平衡条件得出了两种有效应力下的应力关系方程,并在此基础上建立了水饱和混凝土的单轴压缩损...     

单向受拉状态下的钢纤维混凝土本构模型

在混凝土中添加随机分布的钢纤维能有效提高混凝土力学性能。为了更好地考虑纤维对单向受拉状态下钢纤维混凝土（SFRC）的增强作用,提出一个钢纤维混凝土的弥散开裂本构模型。在弹性阶段,纤维混凝土被视为简单复合材料,基于两相复合材料理论,对SFRC的弹性刚度矩阵进行修正;在受拉开裂后,混凝土的塑性变形量被视为纤维与混凝土界面脱粘过程中滑移量,利用粘结滑移模型计算纤维在混凝土开裂面上的桥接作用。该文通过有限元软件ABAQUS中子程序二次开发接口Umat,进行Fortran编程,在ABAQUS中实现该本构模型。通过数值模拟结果与受拉实验数据进行对比,验证了该本构模型的准确性。通过数值模拟分析,进一步探究钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响,为钢纤维混凝土在实际的工程中的应用提供建议。     

ECC双轴压力学性能及破坏准则试验研究

利用真三轴液压伺服试验机,对3种强度的高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites,ECC)进行了双轴压试验研究,得到了ECC在双轴压应力状态下的破坏形态、极限强度和应力-应变曲线,并与普通混凝土的试验结果进行对比,分析了不同应力比下ECC的破坏机理和主压强度的变化规律。试验结果表明,双轴压应力状态下,ECC强度包络线与普通混凝土有一定差别,强度较低时两者结果相近,但强度较高时相同应力比下ECC主压强度增幅明显小于混凝土。最后,基于Kupfer等建立的普通混凝土的强度准则和试验结果,提出了ECC的双轴压强度破坏准则。     

裂隙岩体的损伤本构模型探讨

从岩体合大量做裂隙的情况出发,考虑岩石的变形初始非线性及其破坏以前的变形特征,建立了类似于Leckie等人形式的损伤演变方程,并根据岩体所含孔隙度的不同提出了不同的模型。     

超高韧性水泥基复合材料多次冲击压缩性能及本构关系

利用直径80 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行了超高韧性水泥基复合材料(ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)在多次冲击压缩荷载下力学性能的研究,分析了试件的应力-应变曲线随冲击次数的演化规律, 并与其他纤维增强混凝土进行对比。试验结果表明:在多次冲击荷载作用下由于损伤的累积导致加载应变率随冲击次数增加而大致呈指数递增,UHTCC的峰值强度随应变率增大而近似线性递减,峰值应变和累积吸能值逐渐增加,单次吸能值随冲击次数的增加呈先增后减的变化趋势。通过对本构模型进行探讨后发现,热激活损伤演化(TADE)模型能较好地描述UHTCC在首次冲击下的力学响应,但无法反映其在多次冲击下力学性能的演化规律;基于Weibull分布的损伤演化模型能够较好地描述UHTCC在多次冲击下的累积损伤演化规律及应力-应变曲线,在经历3次冲击作用后根据损伤程度的计算可认为试样已完全破坏,但此时试样通过PVA纤维的桥连作用仍能保持为整体,具有良好的抗破碎性。     

低成本PVA纤维对超高韧性水泥基复合材料力学性能的影响

超高韧性纤维增强水泥基复合材料（ECC）因其出色的高韧性及多缝开裂特性备受关注,然而一直以来因配比中进口PVA纤维的使用导致高昂的价格限制了其在工程中的大规模应用。为了进一步降低成本及实现原材料的本土化,研究低成本国产PVA纤维对ECC力学性能的影响十分必要。通过单轴拉伸、压缩、三点抗弯及单裂缝拉伸等宏观、细观试验研究两种国产低成本PVA-ECC的力学性能,并借助纤维分散性试验及SEM,探讨纤维的分散等微观特征。结果表明,低成本国产纤维在基体中具有良好的分散性,尽管其纤维桥接余能、最大桥接应力及PSH指数低于进口纤维,但均能满足能量与强度准则,即便相对较差的纤维A试件的3 d、7 d及28 d的极限拉伸应变也可达到2.52%、3.34%及3.08%,可实现良好的应力硬化行为及饱和多缝开裂特性,满足ECC的使用要求。     

砼受压损伤力学本构模型的研究

本文利用ＭＴＳ公司８１５．０２型电液伺服试验系统对砼进行了等应变速率加载控制的应力一应变全曲线试验，应用不可逆热力学和内变量理论的成果建立了砼损伤力学模型，并用概率统计的观点分析了损伤的演化规律。由于考虑了不可逆变形的影响，本文所建本构模型与实验吻合较好。