微观接触颗粒岩土非线性力学分析模型

建立了一个基于细观层次数值分析研究具有内部粘连接触特征的岩土材料非线性力学行为的力学模型 ,给出了细观非线性问题分析 ,尤其是考虑了粘连接触面的求解技术 ,在此基础上给出了加载条件下不同内摩擦系数的宏观介质的非线性力学行为 ,研究了两种不同细观颗粒排列介质在剪切性能上的差别。研究成果可以作为材料与其他相关科学研究工作的借鉴。     

砌体结构开裂过程细观损伤数值模型及其分析方法

考虑材料的非均匀性特点,基于损伤力学和弹性脆性理论,提出了块体结构开裂过程数值分析方法,采用复合材料破裂过程数值分析(MFPA2D)模型,从细观力学层次上模拟了砌体结构试件局部荷载下从损伤到开裂破坏的全过程,数值模拟结果与试验结果较为吻合。验证了该理论分析方法的正确性和模型的合理性,对于理解砌体结构开裂的非线性过程、结构可靠性分析等具有重要意义。同时为砌体结构的破坏与失稳预测预报基础理论的研究提供新的分析方法。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

@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。     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

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。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟

在细观力学基础上将损伤力学和计算力学相结合来分析混凝土试件的变形、损伤和破坏过程。把混凝土简化成由骨料、砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在已建立的混凝土骨料随机分布三维模型基础上用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分,基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算。进而通过损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行研究。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

围压作用下类岩材料动态力学特性研究北大核心

为了研究动荷载作用下不同围压水平对类岩材料混凝土力学特性的影响。从混凝土细观结构出发,建立混凝土随机骨料塑性损伤模型,根据混凝土破坏强度的数值试验确定方法,施加冲击荷载,计算了不同围压水平下混凝土的破坏强度和破坏位移,分析了不同围压水平下的破坏形态。结果表明:混凝土属于围压敏感性材料,加载速率不变,随着围压的不断增大,混凝土的动强度、破坏位移以及残余强度也在不断提高,两者成线性增长关系;围压不变,随着加载速率的提高,混凝土的动强度和破坏位移非线性提高,残余强度基本不变。围压大小不同,混凝土材料内部应力分布不同,导致混凝土的破坏类型发生变化,反映出破坏面形状和大小不同。该模型可以比较好的模拟围压作用下混凝土的动力特性。     

偏心加载钢筋混凝土结构破坏过程的数值模拟

用材料破坏过程分析系统MFPA2D(material failure process analysis)数值模拟方法对钢筋混凝土桥墩在偏心加载条件下的受力、变形与内部裂缝萌生、扩展及最终破坏的全过程进行了数值模拟.数值模型中引入了统计分布函数,反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹脆性本构模型及破坏单元材料性质退化方法,利用偏心加载方式对钢筋混凝土构件实施加载.数值试验得出的荷载-位移曲线及破坏模式图与文献的试验结果较接近,数值试验还给出了试件破坏过程图及应力分布图,再现了整个破坏过程,而且通过对模型中受拉区2个多单元信息剖线的提取,对剖线中不同位置点应力随加载步的变化情况进行了研究和分析,揭示了结构破坏的机理.数值试验结果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律有参考价值.     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

粉煤灰混凝土简支梁承载特性研究

粉煤灰混凝土简支梁的承载特性及破坏特征一直是工程界最为关注的课题之一。基于此,文中首先结合室内实验,对粉煤灰混凝土简支梁逐级加载受压过程中的挠度、应力变化及裂纹渐进萌发过程进行分析;然后借助ABAQUS软件建立数值模型,对不同加载条件下粉煤灰简支梁的承载特性及破坏过程进行数值模拟。同时,将计算结果与室内实验结果进行了对比分析。     

湿式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究

梁柱节点连接在大变形下的承载和变形能力对装配式混凝土框架结构抗连续倒塌性能具有显著影响。对4个不同湿式节点连接的装配式混凝土框架试件和1个现浇试件进行了静力连续倒塌试验,其中梁采用了机械套筒、弯起锚固和预应力连接,柱采用套筒灌浆和浆锚搭接连接。研究发现：采用机械套筒时梁钢筋在套筒处集中断裂,试件在压拱机制和悬链线机制下的倒塌抗力均显著降低;梁钢筋采用弯起锚固时,试件受力行为和倒塌抗力与现浇试件基本一致;预应力能够显著提升试件在两个机制下的倒塌抗力,但是在极限倒塌变形下预应力锚具传递较大的集中力,导致节点区混凝土的局部劈裂破坏;柱钢筋的套筒灌浆和浆锚搭接连接能够承受连续倒塌大变形下的水平剪力作用,但是柱接缝灌浆层在显著的水平剪力作用下发生滑移,减弱了柱对梁的约束;机制转换时,压拱机制轴压力对试件倒塌抗力产生负贡献;机械套筒和预应力连接试件的梁轴力对倒塌抗力贡献比例分别高于和低于现浇混凝土试件。     

往复荷载作用下型钢再生混凝土界面黏结性能及影响因素分析

为研究往复荷载作用下型钢再生混凝土界面的黏结滑移性能,设计了14个型钢再生混凝土试件并对其进行往复加载试验,分析了型钢再生混凝土的黏结破坏过程,研究了其界面黏结应力分布,在此基础上考察了不同设计参数对型钢再生混凝土界面黏结强度的影响。结果表明：往复荷载作用下型钢再生混凝土界面的黏结破坏过程可分为4个阶段(微滑移阶段、滑移发展阶段、黏结力陡降阶段和残余阶段),对应4个受力特征点(微滑移点、黏结荷载极限点、残余点和破坏点);与单向推出荷载作用相比,往复荷载作用下试件的极限黏结强度最大降低40%左右;加载初期,在正向卸载和正向加载时,黏结应力峰值在固定端附近,且随型钢埋置长度的增大而逐渐减小;在负向加载和负向卸载时,加载端附近黏结应力逐渐变大,试件由两端向中间逐渐破坏;型钢再生混凝土的特征黏结强度随着再生混凝土取代率的增加而降低,随着型钢保护层厚度、体积配箍率和再生混凝土强度的增加而提高。最后建立了型钢再生混凝土的特征黏结强度计算式,并将计算值与试验值进行对比,两者吻合较好。     

岩石破裂过程分析(RFPA2D)系统的细观单元本构关系及验证

从岩石的细观非均匀性特点出发，应用弹性损伤力学，对岩石破裂过程分析数值（RFPA^2D)模拟系统的本构关系进行了描述。用RFPA^2D系统模拟了岩石试样在单轴或双轴载荷作用下的强度特征和破坏形态，通过与实验结果对比验证了该本构关系和数值模拟系统的合理性和有效性。     

钢筋混凝土剪力墙非线性分析二维材料模型研究

本文建立了一种用于钢筋混凝土剪力墙非线性分析的二维混凝土及钢筋本构模型。该模型对混凝土受压、受拉力学行为分别描述,可以对反复荷载作用下钢筋混凝土剪力墙承载力及变形进行较准确分析。为验证模型适用性,计算单片剪力墙在反复荷载作用下非线性力学行为,结果表明:计算结果反映了剪力墙的滞回特性,初步验证了本文模型的正确性和有效性。     

岩石介质细观非均匀性对宏观破裂过程的影响

运用岩石破裂过程分析系统 ,研究了岩石介质非均匀性对宏观力学行为的影响。通过对均质度系数m =1.5的 10个样本破裂过程的模拟 ,发现样本的宏观力学行为在变形初期只有微弱的统计涨落 ,但在失稳阶段表现出显著的样本个性行为。对 8种不同均质度系数的 80个样本破裂过程的模拟结果表明 ,岩石介质的非均匀性对岩样宏观强度和变形非线性行为有显著影响 ,而且也显著影响试样破裂模式。随着均质度系数的提高 ,宏观强度呈现指数规律上升 ,宏观变形的线性规律增强 ,主破裂呈脆断模式。