Local damage and crack band model for concrete

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性，在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中，建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程，可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要；在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度，可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系；提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法，可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应，从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟，验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

混凝土轴心受拉全曲线试验的新方法

混凝土轴拉应力-应变全曲线反映了混凝土强度、变形等诸多特性,在总结和分析了不同拉伸应力-应变全曲线试验方法的基础上,基于细观损伤模型的损伤本构关系模型,提出了在混凝土轴心受压试验的同时通过测定混凝土横向拉伸变形,利用优化算法识别得到混凝土拉伸损伤参数和材料常数,进而得到混凝土单轴抗拉强度和应力-应变全曲线,并用已有试验结果加以验证。结果表明,理论预测结果与试验结果吻合良好。     

加重微粒混凝土力学性能及应力-应变本构关系研究

针对模型试验用微粒混凝土未充分考虑质量密度相似条件的问题，提出了在基础配合比（大理石粉∶水泥∶重晶石砂∶水=1∶1∶16∶1.6）的基础上，用铁砂和铅丸等质量替代骨料（10%、20%、30%）的加重微粒混凝土配合比设计试验方案，研究其力学性能以及应力-应变本构关系。结果表明：各替代组表观密度均在3 000 kg/m3以上，表观密度提升效果明显。两替代组的28 d抗压强度均低于11 MPa，弹性模量在1.11×104～1.72×104MPa之间，符合低抗压强度、低弹性模量的相似要求。两替代组的破坏形态以及应力应变全曲线形状与普通混凝土相似，并对比分析两替代组的峰值应力与峰值应变随替代组的变化规律。建立了适用加重微粒混凝土的分段式本构方程以及损伤本构方程，两种方程的预测结果与试验数据具有较好的一致性。试验结果满足模型试验的相似要求，并通过本构关系的研究有利于了解原型混凝土的力学性能与破坏机理，为相关试验人员提供参考和借鉴。     

考虑动态应变率效应的混凝土单轴拉伸统计损伤模型

基于准脆性材料细观损伤机制,将损伤概括为"有效受力面积的减小"和"有效受力部位弹性模量的减小"两个方面,可分别利用断裂和屈服2种损伤模式表征;认为材料破坏过程实质上为2种损伤模式累积演化的连续过程。干燥混凝土所表现出的动态本构行为本质上是由于自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观2种损伤累积演化过程的改变。忽略水的黏滞性影响,通过假设不同应变率情况下干燥混凝土损伤演化服从某种相似性规律,建立相应增量形式的单轴拉伸动态损伤本构模型。通过算例和试验结果比较,表明该模型可预测变应变率加载情况下材料均匀损伤阶段的本构行为,等应变率加载可作为其中的一个特例。结合算例从有效应力、名义应力、吸能能力3个角度对材料的动态损伤机制进行探讨。区分开峰值应力状态和局部破坏的临界状态,并建议后者作为本构模型的最终破坏点。此举可充分考虑材料均匀受力阶段的延性,同时避免过多考虑局部破坏阶段本构模型尺寸效应的影响。     

轻质多孔混凝土受压应力-应变全曲线试验研究

通过对这两种轻质多孔混凝土材料进行基本力学性能试验,就其弹性模量及应力—应变全曲线等进行了研究与探讨。试验结果表明:相对于普通混凝土而言,轻质多孔混凝土的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、弹性模量等均要小一个量级,而峰值应变却比前者大30%～40%。单轴受压应力—应变曲线到达峰值应力前近似按线性比例增加,塑性变形很小;峰值应力后,迅速跌落;跌落至其残余强度后,出现缓慢降落的斜直线段。材料在整个受压破坏过程中,呈现出低强度弹脆性力学性能。在试验研究与理论分析的基础上,采用上升、下降和斜直线三段曲线拟合了轻质多孔混凝土的单轴受压应力—应变关系,给出了具有明确物理意义的轻质多孔混凝土材料单轴受压统一本构模型,为轻质多孔混凝土在抗震结构中的广泛应用提供了有力的试验依据。     

高强混凝土轴压本构关系研究

基于混凝土的细观损伤机制和损伤本构关系模型,推导了高强混凝土轴压弹塑性本构关系,结合已有研究成果,通过对初始弹性模量、峰值应变等模型关键参数进行综合分析,建立了基于混凝土轴心抗压强度参数的计算方法,所得应力-应变关系(含残余变形)既可用于单调加载,也适用卸载后再加载,可与已有的普通混凝土轴心抗压本构关系相协调,与试验结果相比较,预测结果与实际值吻合良好。     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率(0、20%、40%、60%)的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。结果表明:不同取代率煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

煤矸石混凝土轴心受压声发射特性与损伤模型研究

对煤矸石粗集料取代率分别为0%,20%,40%,60%的4组煤矸石混凝土进行了轴心受压试验,并使用声发射(AE)技术对煤矸石混凝土受压破坏过程中的损伤演化规律进行动态分析.根据煤矸石混凝土受压损伤时所释放的声发射信号与能量,定性分析了材料的损伤程度,并以声发射参数为基础建立了煤矸石混凝土损伤演化方程与损伤本构模型.结果表明:煤矸石混凝土轴心受压应力-应变全曲线形状与普通混凝土基本一致,随着煤矸石粗集料取代率的增大,煤矸石混凝土的峰值应力略有下降,但下降幅度不大;声发射参数可有效描述煤矸石混凝土损伤的演化规律,且随着煤矸石粗集料取代率的增大,煤矸石混凝土的耗能能力减弱;以声发射参数为基础建立的煤矸石混凝土轴心受压损伤本构模型与试验结果吻合较好,可以为煤矸石混凝土的理论研究与工程应用提供可靠的依据.     

混凝土火灾损伤本构模型研究

混凝土材料在高温作用下的力学性能研究对混凝土结构防火设计和火灾损伤评估具有重要意义。构建了混凝土火灾损伤本构模型,引入热损伤反映温度对混凝土弹性模量、抗拉强度、抗压强度等力学参数的影响,考虑到混凝土受拉和受压状态下的不同的损伤特性,将混凝土材料的损伤分为受压损伤、受拉损伤和热损伤三种。建立了损伤演化、塑性流动以及内变量演化方程,通过塑性-损伤耦合,描述了不同温度和应力状态下混凝土的应力-应变特性,证明了模型严格符合热力学定律。利用所建立的本构模型对不同温度下的混凝土单轴拉伸、压缩试验进行了模拟计算,计算结果与试验结果能较好地吻合,证明了模型的合理性。     

基于损伤的混凝土剪切应力-应变关系

从微观层次上分析了混凝土试件在单调剪切荷载作用下的损伤破坏机制，解释了混凝土剪切本构关系的非线性和宏观特征；借助能量原理，建立了混凝土剪切本构方程模型；在混凝土的断裂应变服从对数分布假设的前提下，分析得出应力-应变关系仅与混凝土的峰值点割线剪切模量及原点切线剪切模量有关，该式能反映混凝土剪切试验上升段的几乎所有特点，与已有曲线相比较，结果吻合较好。     

软岩及混凝土材料损伤型黏弹性动态本构模型研究

 根据软岩及混凝土材料在动载下的应力–应变曲线特点,并结合损伤体与黏壶所具有的特性,建立一种适合软岩及混凝土材料的损伤型黏弹性动态本构模型方程。该模型的建立是以朱王唐模型为基础,采用损伤体代替朱王唐模型中的弹性元件对现有损伤型朱王唐模型进行改进而建立的一种损伤型黏弹性动态本构模型方程。为说明该模型方程的合理性,采用建立的本构模型方程对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统下实测的应力–应变曲线进行拟和,拟和曲线和实测曲线具有很好一致性,因此,该模型可为软岩及混凝土材料的动态本构关系的进一步研究及其工程应用提供一定的参考。     

混凝土多轴非线性本构模型的研究

通过大量试验,测得了混凝土在单轴应力状态及在5种不同应力比下的双轴应力状态的应力-应变关系.论述了Jones-Nelson-Morgan模型的构成原理及其参数的确定方法,首次将这个模型,用于混凝土材料的本构关系分析,结合混凝土的单轴试验结果,建立了混凝土的非线性本构模型,该模型的特点是材料的力学性能只为应变能的函数,使材料模型可以方便地应用于复杂应力状态.利用广义虎克定律,将模型推广应用于混凝土双轴应力状态的本构关系分析,获得了与试验结果符合较好的理论模型.     

多孔混凝土静压应力-应变关系的试验研究

通过混凝土抗压强度试验,以孔隙率和水胶比为主要影响因素,探讨多孔混凝土的静压应力-应变关系和静弹性模量特性。通过对比分析表明:孔隙率对于多孔混凝土应力-应变曲线的影响较为显著。随着孔隙率的增大,多孔混凝土在受压过程中发生不均匀变形和突然性破坏的概率会逐渐上升。此外,多孔混凝土的静弹性模量会随着孔隙率的增大而降低,且呈现出与抗压强度同步升高或降低的趋势。     

再生混凝土的冲击力学特性及本构模型研究

为了解再生混凝土的冲击力学性能,以粗骨料全取代下的再生混凝土试样为材料,利用霍普金森压杆对其进行不同冲击气压下的动态单轴压缩试验,对其动力学特性进行分析,结果表明：冲击荷载下,再生混凝土的应力-应变曲线分为3个阶段,即线弹性阶段、塑性发展阶段和破坏阶段;当应变率小于60 s-1时,再生混凝土的应力-应变曲线存在明显的回弹现象;再生混凝土的动力学参数存在明显的应变率增强效应,其中动态峰值应力与应变率呈线性关系,动态弹性模量与应变率呈指数关系,动态应力增长因子与应变率的自然对数呈指数关系;建立的基于界面脱黏损伤的再生混凝土动态本构模型与试验曲线吻合度良好,该模型可以表征再生混凝土在冲击荷载下的本构曲线特征。为再生混凝土冲击力学性能、动力参数及本构关系的研究提供指导和依据。     

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.     

混凝土的非局部损伤本构模型研究

本文以塑性应变与非局部损伤作为内变量 ,引人耗散势 ,基于连续损伤力学和热力学第二定律 ,建立起一个能全面描述混凝土材料本构行为的非局部非弹性损伤本构方程 ,其单向拉伸与压缩状态下混凝土的计算结果及其绘出的应力与应变关系曲线 ,与实验结果是相当吻合 ,表明研究成果与实际材料相当符合     

混凝土局部损伤裂缝带模型研究

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性,在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中,建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程,可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要;在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度,可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系;提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法,可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应,从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟,验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

石粉人工砂再生混凝土轴压性能试验研究

为了研究石粉人工砂再生混凝土的轴压力学性能，进行了45个标准棱柱体试件的轴心受压试验，获取了试件的应力-应变全过程曲线，分析了石粉含量对不同强度等级石粉人工砂再生混凝土的轴压性能影响规律，基于试验数据拟合得到了相应的应力-应变本构方程。研究结果表明：随着石粉含量的增加，抗压强度先增大后减小，峰值应变、变形系数及耗能系数呈下降趋势；低强度等级试件的损伤发生早于高强度等级的试件，而高强度等级试件的损伤发展速度相对更快；所提出的轴压应力-应变本构方程计算结果与试验结果吻合较好。     

弹粘塑性孔隙介质在冲击荷载作用下的一种本构关系--第二部分:弹粘塑性孔隙介质的畸变行为

继发表在本刊2003年第9期上第一部分的研究，就弹塑性孔隙介质在冲击偏应力张量作用下的行为进行了研究。考虑应变率对材料强度的影响，给出了热活化机理与宏观阻尼机理相互竞争的联合强度-应变率依赖模型。考虑应力状态、应变强化、畸变损伤和与孔隙率相联系的损伤对材料强度的影响，并在此基础上基于热活化原则给出了松弛型的应力偏量与应变偏量之间的关系，且本模型符合热力学第二定律。