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。     

一种考虑裂缝扩展路径的混凝土细观数值模拟方法

文章提出一种能够考虑混凝土裂缝扩展过程中绕过骨料或穿过骨料发展的细观数值模拟方法。首先,回顾了用于类混凝土材料I-型断裂分析的自洽有限应力模型的基本原理;进而,采用有限元分析方法,从局部能量等效和宏观力学等效两个维度验证了基于自洽有限应力原理建模和常规建模之间的等效性;最终,发展了基于自洽有限应力原理和细观裂缝扩展路径准则的数值模拟方法,在细观尺度上实现模拟混凝土裂缝绕过骨料发展和穿过骨料发展等细观断裂破坏行为。文章研究成果可为后续发展基于细观尺度断裂破坏准则的高效数值分析方法奠定基础。     

基于基面力概念的不同再生骨料取代率混凝土细观损伤研究

基于"基面力"概念及连续介质学理论,介绍基于势能原理的三角形基面力元数值模型,推导单元刚度矩阵及单元应变显式表达式。根据再生混凝土的细观结构特点,建立再生骨料取代率分别为0、25%、50%、75%、100%的二维圆形随机骨料模型,研究不同再生骨料取代率下混凝土的抗拉强度及内部微裂纹的开展机理。数值模拟结果表明:基于"基面力"概念的新型有限元算法,可以用于研究非均质材料的细观损伤及断裂机理;位移加载时,内部微裂纹首先出现在黏结带位置,随后绕过骨料扩展为横向贯穿破坏裂缝;随着再生粗骨料取代率的增加,裂缝主要围绕再生骨料分布,试件抗拉强度逐渐递减;骨料密集区域裂缝曲折重叠,发展路径更随机,裂缝面桥现象更明显。     

@编辑部

<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏从非连续介质力学角度出发,提出了一种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

混凝土弯曲拉伸力学性能及尺寸效应细观数值研究

为反应骨料颗粒细观组分对混凝土弯曲拉伸宏观力学行为的影响,建立混凝土随机骨料细观尺度力学模型,细观组分材料采用塑性损伤和线弹性本构关系,开展混凝土弯曲拉伸细观尺度数值模拟,探讨骨料颗粒的影响机理,并与混凝土弯曲拉伸试验进行对比。研究显示：（1）混凝土细观数值模型能较好地模拟混凝土在弯曲拉伸荷载下的宏观力学行为。（2）弯曲拉伸损伤从模型底部薄弱的界面过渡区形成,并向砂浆基质延伸。骨料粒径越大,损伤路径相对越曲折。（3）随着骨料粒径的减小,混凝土弯曲抗拉强度略有提高,尺寸效应现象更为显著。     

混凝土随机骨料结构在非线性有限元分析中的应用

在细观层次上,混凝土被认为是由粗骨料、砂浆以及它们之间的黏结带组成的三相非均质复合材料,这种复合材料的性质可通过混凝土细观随机骨料结构来模拟。提出一种适合于细观研究的非线性有限单元法,采用结合抗拉强度和开裂韧性的综合破坏准则,允许裂缝扩展时缝尖单元进行应力重分布,并用控制位移增量迭代法揭示混凝土峰值后的软化行为。随后用这一方法仿真模拟混凝土在单轴受拉和单轴受压时的整个加载过程,在细观层次研究的基础上揭示了混凝土的宏观性能。     

基于真实骨料形状库的混凝土细观数值模型

针对混凝土细观数值模型生成的骨料形状与真实骨料形状不一致及难以进行凹凸型骨料的侵入判断等问题,提出了一种基于真实骨料形状库的骨料数值生成方法。采用双判据准则直接对凹凸型骨料进行侵入判断,并提出一种两阶段细观有限元方法对混凝土试件进行网格剖分;采用VC++开发的混凝土力学性能细观数值模拟前处理软件对该方法进行了验证。结果表明:这种改进的骨料数值生成方法使细观数值模型更加接近实际混凝土试件,消除了外包络辅助几何体增加骨料占用面积对骨料填充率的影响,同时能够尽可能地用矩形单元对混凝土细观数值模型中的各相材料分别进行网格剖分。     

基于DIC技术的混凝土热力损伤破坏分析

混凝土的热力损伤行为会严重危及能源工程结构的运维安全。为此,本文开展了两类不同骨料体积分数的模型化混凝土单轴受压试验,并基于DIC技术对试验过程中混凝土裂缝进行跟踪,从细观力学角度分析在不同次数亚高温循环下试件的裂缝扩展情况,探究了亚高温循环作用后界面过渡区形变对混凝土力学性能的影响。研究表明,粗骨料体积分数大的模型化混凝土试件的强度和弹性模量相对较小,且在亚高温循环中体积膨胀较为明显,砂浆层因此出现较大拉应力使试件在未加载时出现裂缝。未经过高温循环的试件裂缝首先出现于砂浆层,经过亚高温循环的试件裂缝首先出现于界面过渡区。亚高温循环作用会加速界面过渡区未水化颗粒的水化以及部分水化产物的碳化,导致粗骨料和砂浆之间的粘结性能降低,界面过渡区孔隙率增大、更易产生裂缝;且随着循环次数增加,模型化混凝土试件破坏程度加剧。     

预设裂缝沥青混合料梁三点弯曲试验及扩展有限元模拟

对含预设裂缝沥青混合料梁进行三点弯曲试验,探讨梁底部裂缝位置改变对于裂缝扩展行为的影响。基于随机骨料生成和投放算法建立沥青混合料梁细观异质模型,并采用扩展有限元方法对其进行了不同骨料粒径以及骨料、空隙共存形式下裂缝扩展行为分析,探讨骨料粒径的改变、空隙的加入对于梁内部应力分布、抵抗裂缝扩展以及引起路面沉陷的影响。研究内容对于梁裂缝扩展影响因素的分析及路面裂缝扩展行为数值模拟具有一定的参考价值。     

玄武岩纤维增强聚合物筋钢纤维高强混凝土梁受弯试验及裂缝宽度计算方法研究

纤维增强聚合物(FRP)筋混凝土梁受弯挠度过大、裂缝过宽等缺陷严重影响其正常使用性能，为此，将具有优良抗裂与阻裂性能的钢纤维混凝土用于FRP筋混凝土梁，可以有效限制其挠度与裂缝的发展。通过12根玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋/钢筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验，研究了钢纤维体积率、受拉区钢纤维高强混凝土层厚度、BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁裂缝分布与宽度的影响。结果表明，钢纤维的加入能够有效抑制BFRP筋高强混凝土梁的裂缝开展，减小裂缝间距、宽度和裂缝宽度差异性，当荷载为100 kN时，钢纤维体积率为0.5%~2.0%的钢纤维高强混凝土梁的裂缝宽度减小了25.22%~54.78%，裂缝宽度标准差减小了10.00%~68.18%；当受拉区钢纤维混凝土层厚度达到梁截面高度的57%时，其阻裂与限裂效果与全截面掺加钢纤维的效果接近，表明在受拉区中掺加钢纤维以限制BFRP筋混凝土梁裂缝的发展是经济可行的。基于试验和相关文献研究结果，提出了考虑钢纤维影响的BFRP筋钢纤维高强混凝土梁最大裂缝宽度的建议计算方法，该建议方法的计算值与试验值吻合良好。     

混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力曲线断裂判据

混凝土结构的受力特性与裂缝的发展密切相关。在对国际断裂力学领域里所提出的三种裂缝扩展阻力曲线理论加以总结的基础上,以能量为表征,基于裂缝黏聚力提出了描述混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力模型。在该模型中,裂缝扩展阻力分为三部分:一部分是基体水泥凝胶材料裂缝发展需克服的表面能,一部分是克服细骨料桥联作用的能量消耗,另一部分是粗骨料桥联闭合作用消耗的能量。文中对粗细骨料所消耗的能量进行了详细推导,得出了不同区段裂缝扩展阻力的解析计算公式。根据实测试验结果,得到了混凝土新GR阻力曲线。结果表明GR曲线是材料的基本参数,与试件尺寸无关,并建立了适用于混凝土结构裂缝扩展全过程的断裂判据。     

不同FRP增强混凝土梁断裂性能试验研究

为了探讨不同种类纤维增强复合材料（FRP）增强带裂缝混凝土的断裂性能,开展了芳纶纤维增强复合材料（AFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）增强带裂缝混凝土梁的三点弯曲试验,分析了其断裂性能参数.结果表明：相对于普通混凝土梁试件,FRP对带裂缝混凝土梁的阻裂加固效果更明显;CFRP增强混凝土梁的起裂荷载和失稳荷载均大于AFRP与GFRP增强混凝土梁,CFRP的阻裂增强效果最佳;AFRP增强混凝土梁和CFRP增强混凝土梁的破坏形式均为试件底部混凝土 FRP界面的剥离破坏,GFRP增强混凝土梁的破坏形式为试件底部GFRP的拉断破坏;通过对不同FRP增强混凝土梁阻裂加固机理的分析,计算得出CFRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度最大,且CFRP价格适中,因此使用CFRP对带裂缝混凝土梁进行增强加固的性价比最优.     

Simulation of cohesive crack growth by a variable-node XFEM

A new computational approach that combines the extended finite element method associated with variable-node elements and cohesive zone model is developed. By using a new enriched technique based on sign function, the proposed model using 4-node quadrilateral elements can eliminate the blending element problem. It also allows modeling the equal stresses at both sides of the crack in the crack-tip as assumed in the cohesive model, and is able to simulate the arbitrary crack-tip location. The multiscale mesh technique associated with variable-node elements and the arc-length method further improve the efficiency of the developed approach. The performance and accuracy of the present approach are illustrated through numerical experiments considering both mode-I and mixed-mode fracture in concrete.     

标准钢筋混凝土三点弯曲梁双K断裂特性试验研究

为研究缝高比对钢筋混凝土起裂韧度、失稳韧度等断裂参数的影响,以及钢筋在混凝土裂缝扩张过程中对裂缝的限制作用,设计制作了4组初始缝高比分别为0.2、0.3、0.4、0.5的标准钢筋混凝土三点弯曲梁,对其进行了断裂性能试验研究。根据试验现象分析了裂缝扩展过程,在此基础上建立了断裂韧度计算模型,给出了考虑钢筋限裂作用后的有效裂缝长度计算式。研究结果表明：在引入适应于钢筋混凝土的断裂韧度后,其裂缝扩展过程也可以用双K断裂准则来描述;当试件的初始缝高比大于或等于0.4时,钢筋混凝土三点弯曲梁的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度与初始缝高比无关;声发射参量可以准确地确定试件的起裂荷载值,而且与传统的应变片法相比,声发射信号能更好地反映试件内部真实的起裂状态。     

土坝裂缝开展的无单元法数值模拟

结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的无单元与有限元耦合的计算模式。开发的结点自动加密技术对坝体的拉应力区域进行自动结点加密,并根据可视准则确定无单元结点的影响域。以最小结点间距为开裂步长,通过对坝体裂缝离心模型试验的模拟计算,检验了脆性断裂模型和无单元算法对土体拉伸裂缝发展过程的适用性。     

混凝土裂缝处碳化深度计算模型

普通钢筋混凝土结构一般都是带裂缝工作,裂缝的存在会使CO_2更易侵入混凝土内部,加速混凝土的碳化,对结构的耐久性不利。结合已有研究成果,定义了裂缝对混凝土碳化的影响系数γc,通过对预制裂缝的砂浆及混凝土试件进行碳化试验,分析了水灰比、碳化时间、环境相对湿度、裂缝宽度、裂缝深度对γc的影响,得出裂缝处混凝土碳化深度计算模型,并通过实际工程进行了验证。结果表明,裂缝宽度范围为0.06~0.7mm时,模型均适用,且桥梁运营时间对γc影响不显著。     

横向弯曲裂缝对混凝土内氯离子侵蚀作用的影响

分析了横向开裂混凝土内氯离子的侵入机理及其主要影响因素,建立了基于双重孔隙介质模型的修正Fick定律氯离子扩散模型,并对持续加载下的开裂钢筋混凝土梁构件进行了氯盐干湿循环侵蚀试验。试验采用浓度为5%的NaCl溶液,在进行15个干湿循环后,借助快速氯离子含量检测RCT（Rapid Chloride Testing）法,对各裂缝处不同深度的氯离子含量进行了测定。试验结果表明：1）干湿循环侵蚀作用下,开裂混凝土表层0~20 mm范围内氯离子含量出现峰值,故可取表层对流区深度为15~20 mm左右;2）当表面裂缝宽度小于0.3 mm时,等效氯离子扩散系数平稳增大,模型的预测精度较高;当裂缝宽度大于0.3 mm后,等效氯离子扩散系数快速增大,氯离子侵入受对流作用的影响加大;3）受弯开裂混凝土等效氯离子扩散系数的劣化因子与裂缝宽度有直接关系,建议采用二次幂函数或分段函数来进行描述。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。