基于预插黏性界面单元的混凝土细观拉伸断裂过程数值模拟

为确定预插黏性界面单元法模拟混凝土细观拉伸断裂的有效性和适用性,基于黏性裂缝模型理论,在实体单元中嵌入黏性界面单元(cohesive interface elements),对东江拱坝二级配混凝土试件单轴受拉的断裂过程进行数值模拟.按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用Monte-Carlo法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型,研究黏性界面单元的网格密度、骨料随机分布形式及界面单元的断裂参数对混凝土宏观力学性能及断裂模式的影响.结果表明:采用黏性界面单元可有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程和宏观力学性能.     

再生混凝土细微观结构和破坏机理研究

再生骨料相当于天然骨料表面附着了一层老砂浆,老砂浆力学性能相对天然骨料较差,造成了再生混凝土内界面过渡区的数量、分布和性能的不同,从而影响了再生混凝土的力学性能.首先通过试验方法研究了再生混凝土中老砂浆的含量和分布;利用扫描电镜考察了新老界面过渡区形貌的异同,分析了老砂浆对界面过渡区的影响;采用有限元软件ANSYS对再生混凝土细观结构的受力特征和破坏机理进行了初步分析.最后利用不同强度等级的废旧混凝土加工成再生粗骨料,制备成再生混凝土,测试其抗压强度和劈裂抗拉强度,验证了再生混凝土受力的破坏机理.     

再生骨料的分布对再生混凝土抗拉性能的影响

目的研究再生骨料分布这一细观特征对再生混凝土作用机理及宏观力学性能的影响,丰富再生混凝土的相关理论.方法针对再生骨料取代率为50%、设计强度为C30的再生混凝土,在CAD中建立20个不同的二维再生混凝土细观骨料分布模型,定义再生骨料分布均匀性系数α,将模型导入ABAQUS对其进行单轴拉伸数值模拟.结果当再生骨料分布过于均匀或分散,即当α<0.338或α>0.483时,再生混凝土抗拉强度较低;当再生骨料分布均匀性适中,即α∈[0.338,0.483]时,抗拉强度较高.结论不同α的再生混凝土受拉破坏机理相同,α仅影响裂缝位置及裂缝穿过再生骨料的数量,且抗拉强度及变形能力随着α的改变而呈规律性变化.     

孔隙对混凝土宏观力学性质的影响

目的研究混凝土孔隙结构参数对混凝土弹性模量、单轴强度等宏观力学性能及破坏规律的影响,建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,为以后改善混凝土的力学性质打下基础.方法将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,通过数值试验研究孔径、孔隙率对混凝土强度和弹性模量的影响规律.结果混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;抗拉抗压强度在同一孔径(孔隙率)下随着孔隙率(孔径)的增长呈对数下降;初始孔隙率越大,材料达到峰值应力时新破坏的面积越小;多孔径作用下的宏观力学性质是单一孔径力学性质的积分.结论混凝土中孔径分布和孔隙率对其弹性模量和强度均有较大影响.孔隙率相同时,多种孔径作用下的混凝土宏观力学性质是单一孔径作用下的宏观力学性质的加权平均值.     

轻骨料混凝土断裂行为的细观数值模拟

基于细观尺度,将轻骨料混凝土看作由轻骨料、砂浆基质、两者之间的粘结界面层和气泡组成的四相复合材料。采用蒙特卡罗方法,随机生成轻骨料与气泡的位置和大小数据,在有限元计算软件ANSYS中建立二维的轻骨料随机分布数值模型,再将该模型导入ABAQUS中,在任意相连的两单元之间插入零厚度粘结单元,在单轴拉伸和压缩载荷作用下得到轻骨料混凝土数值试件的裂缝扩展路径及破坏形式。结果表明:通过该方法建立的数值模型,可模拟得出轻骨料混凝土试件的裂缝扩展路径,从而有助于在细观尺度上对轻骨料混凝土的力学性能进行深入研究。     

单轴荷载作用下混凝土强度代表体尺寸定量研究

为从细观层次研究混凝土宏观力学性能,提出了混凝土强度代表体定义,建立了基于统计特征的混凝土强度代表体尺寸确定方法.采用三维随机缺陷界面弹簧元模型,给出了确定单轴加载下的混凝土强度代表体尺寸的数值方法.分析了不同数值样本取值对混凝土单轴受拉及单轴抗压强度离散性的影响规律,以及尺寸试件变化对混凝土拉伸及受压强度仿真结果稳定性的影响规律.研究结果表明,在单轴拉伸荷载和单轴压缩荷载作用下,混凝土强度代表体尺寸分别为最大骨料粒径的5.0倍和6.5倍,与基于细观结构统计特征确定的混凝土几何代表体尺寸进行对比,证明了所提方法的合理性.     

混凝土双轴压缩强度尺寸效应机理

为了研究混凝土双轴强度尺寸效应产生的机理,考虑混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性源于其材料组成的非均质性,结合混凝土细观结构形式,从细观角度将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了尺寸分别为150 mm×150 mm、300 mm×300 mm和600 mm×600 mm的数值混凝土试件.首先通过对150 mm×150 mm方形混凝土试件进行单轴压缩力学特性模拟,采用反演法确定了界面过渡区的力学参数,进而对双轴压缩加载下混凝土的破坏行为及其尺寸效应进行了分析.研究结果表明:1)损伤破坏形式随试件尺寸发生变化,试件最终破坏消耗的断裂能不同是导致混凝土双轴压缩强度产生尺寸效应的主要原因;2)混凝土单、双轴压缩强度均存在明显的尺寸效应行为,并且Bazant尺寸效应律能够较好地描述混凝土在单、双轴压缩加载下的强度尺寸效应.     

动荷载下基体强度对双丝拉拔混凝土试件影响的数值模拟研究

考虑材料的细观非均匀性,基于细观损伤力学和动力有限元方法,以二维真实破坏过程分析软件动态版(realistic failure process analysis-Dynamic,RFPA^2D-Dynamic)作为数值计算分析工具,建立了界面控制下的混凝土双丝拉拔动态数值模型,探讨了基体强度对纤维拔出性能的影响,模拟分析了拉拔试件从微裂纹萌生、扩展直至裂纹贯通的动态破坏全过程,并进行了声发射数值试验分析。结果表明：基体强度对拉拔试件的破坏模式具有显著影响,当基体强度较小时,试件破坏形式为双丝以及双丝之间基体的共同拔出破坏,基体中的损伤单元较多,试件声发射数较多;当基体强度增大时,表现为双丝各自的拔出破坏,试件发生界面脱粘破坏,基体中的损伤单元较少,试件的声发射数也相应较少。试件是否含骨料会影响基体内部应力波的传播模式,相较于水泥砂浆基体双丝拉拔试件而言,含骨料试件的损伤有所改善,试件的声发射数较少。     

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。     

考虑骨料粒径影响的混凝土拉伸强度尺寸效应律

为了研究最大骨料粒径对混凝土单轴拉伸破坏行为、名义拉伸强度以及尺寸效应的影响规律,采用基于连续级配建立的细观随机骨料模型,对不同尺寸及不同最大骨料粒径的双边缺口混凝土试件在单轴拉伸荷载下的力学行为进行数值模拟.研究结果表明:在相同试件尺寸下,随着最大骨料粒径的增大,混凝土单轴拉伸宏观裂缝曲折度增大,名义拉伸强度增大,尺寸效应逐渐被削弱.同时,基于Type-2尺寸效应律提出了考虑最大骨料粒径影响的尺寸效应公式,并验证了该公式的合理性.该理论公式可以基于已知的物理参数(即结构尺寸D和最大骨料粒径d_max)定量地预测在不同最大骨料粒径下的混凝土拉伸强度的尺寸效应规律.     

混凝土界面特性与力学性能的细观数值分析

将混凝土等效为由骨料、水泥砂浆及二者间的界面所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法建立混凝土随机骨料模型。采用线性应力-裂缝宽度关系来表征混凝土材料的各相软化力学行为,利用扩展有限元法对单轴拉伸条件下混凝土材料的界面特性与力学性能进行数值分析。分析结果表明,随着界面强度提高,混凝土强度、断裂能和延性增大,破坏模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;混凝土弹性模量随界面弹性模量的增加而增大;界面厚度减小时,混凝土材料的强度、弹性模量、断裂能增加,界面厚度对混凝土力学性能弱化作用变小。     

橡胶粉改性再生骨料混凝土抗冻性研究

以相对动弹性模量和质量变化率作为评价指标,研究了水灰比为0.45的基准混凝土及再生骨料掺量(质量分数)为25%、50%和75%的混凝土在水中和3.5%氯化钠溶液中的抗冻性,并掺入细骨料体积5%和10%的橡胶粉对其改性。结果表明:混凝土的抗冻性随再生骨料掺量的增加而下降;再生骨料掺量为25%和50%时,其对抗冻性的影响较小,掺加橡胶粉可有效改善混凝土的抗冻性;再生骨料掺量为75%时,其对抗冻性影响显著,掺加橡胶粉具有一定的改善作用,但与基准组混凝土相比,最大冻融循环次数仍下降30%以上;水冻的破坏特征为相对动弹性模量下降过大,掺入5%橡胶粉的抗冻性能最好;盐冻的主要破坏特征为质量变化率超过规定要求,掺入10%橡胶粉的抗冻性能最佳;橡胶粉对抗盐冻性能的改善明显优于抗水冻性能。     

不同配筋率钢筋混凝土柱应变率效应

混凝土是一种率敏感性材料,正确把握应变率效应对钢筋混凝土构件在强震等动力荷载下力学性能的影响,对结构抗震和抗风设计至关重要。采用CEB规范建议的考虑混凝土应变率效应的动力本构关系,运用纤维模型对钢筋混凝土柱在不同加载速率下的动力性能进行了数值模拟。对4个钢筋混凝土柱构件的快速加载试验的试验结果与模拟结果进行比较,结果表明所建立的纤维单元模型能够较好预测混凝土柱恢复力特性,验证了基于动力本构的纤维单元模型的有效性。基于此模型,研究了不同纵向配筋率和体积配箍率对钢筋混凝土柱动力性能的影响,结果表明纵向配筋率和体积配箍率对动力性能的影响呈现出不同的特征。     

K型圆管相贯节点的滞回性能分析及试验

节点作为空间结构最重要的组成部分,其在反复荷载作用下的荷载—变形曲线(滞回曲线)是对其延性、耗能能力、强度、刚度等力学性能的综合反映。对K型搭接相贯节点内隐藏焊缝焊与不焊两种模型在弦杆轴向往复荷载作用下进行试验研究和有限元模拟计算,对比分析得到节点试件的破坏模式和滞回曲线,同时有限元模拟分析所得结果和试验所得结果较为吻合。结果表明:隐藏焊缝焊接节点破坏时是局部的,最终是搭接管在焊缝处被拉断;不焊节点的破坏模式是焊缝整体破坏,隐藏焊缝不焊对节点承载力的影响不能忽视。通过有限元模拟分析来代替相贯节点滞回性能试验是可行的。     

超低温冻融循环作用下的混凝土强度

混凝土结构已应用于低温、超低温环境领域,而当前对超低温下混凝土性能的研究很少,超低温冻融循环作用下混凝土强度的研究在国内几乎是空白。参照《普通混凝土长期性和耐久性试验方法》,考虑循环次数、循环时的最低温度、水胶比及外界环境湿度等参数的影响,进行了立方体混凝土抗压、抗拉强度试验及砂浆残样的SEM扫描电镜试验,探究超低温冻融循环作用对混凝土强度的影响及损伤的微观机理。强度试验结果表明,较常规冻融循环,超低温冻融循环对混凝土有更不利的影响,且随温度的降低,水胶比的提高,损伤有加大的趋势;相应地,SEM电镜试验下混凝土砂浆孔径增大,材料变得更疏松,从机理上解释了强度试验结果的合理性。     

T形型钢混凝土短肢剪力墙斜截面承载力影响因素研究

为了确保T形型钢混凝土短肢剪力墙发生延性剪切破坏,在对其破坏机理进行试验研究的基础上,采用ANSYS有限元分析软件模拟其破坏形态。在分析过程中考虑水平钢筋的配筋率、混凝土强度、轴压比以及型钢配钢率等影响因素的作用。结果表明:水平钢筋体积配筋率、混凝土强度以及型钢配钢率可以明显改变构件的承载力和延性。     

高强混凝土框架结构延性性能数值模拟分析

高强混凝土具有强度高、早强及变形小的优点广泛应用于土木工程结构。然而,在地震地区建筑结构需有较大的变形能力来耗能,其延性差的特点妨碍它更广泛的应用。通过合理地配置钢筋能够有效地提高结构的延性。本文应用DRAIN-2DX程序对一十二层双跨高强混凝土框架结构进行数值模拟分析,分析结果表明它能够很好的模拟此类结构的破坏过程和耗能能力。试验结果表明,此类结构具有较好的延性和耗能能力,抗震性能较好,所提出的方法能够用于地震区高强混凝土框架结构体系之中。     

工业厂房自然通风热环境的数值研究

运用CFD技术对某典型工业厂房的自然通风进行了数值模拟。研究了热源、污染源参数一定时,不同进风口离地高度对厂房工作区热环境及污染物浓度分布的影响。分析了带热源工业厂房热环境的主要特点,认为评价这种高温环境时,应同时考虑工作区风速及建筑内壁面辐射的影响。为此,采用热应力指数HIS作为这类热环境的评价指标。结果可以看出,对于热源具有一定的高度的工业厂房,适当提高进风口位置,不仅可以增加自然通风量,提高工作区空气流速,改善工作区热环境,而且有助于降低厂房平均污染物浓度。随着H的增加,通风量和工作区风速增大,热应力指数和污染物浓度减小。当H增加到1.2m后,通风量和工作区风速基本不再变化。     

填土含水率对挡土墙土压力影响的实验分析

填土的含水率对土体抗剪强度指标有重要影响,进而影响到土压力的计算,从而影响到挡土墙的稳定性能。本文在前人研究含水率对非饱和性填土抗剪强度参数影响的研究基础上,利用ZJ型直剪仪对土样进行剪切试验,结合强度理论相关知识得出了抗剪强度参数C和φ,继而对实验结果进行数值模拟确定了含水率影响C和φ的影响系数,得出拟合优度良好的含水率粘聚力、含水率内摩擦角的关系式。在对土样利用万能试验机进行加压试验时,保持土样颗粒级配及填土的密实度基本一致,仅改变填土的含水率,研究了不同含水率的填土对挡土墙性能的影响。实验中发现,随着实验加压力的增大,填土的可压缩性与填土含水率呈现非线性关系。可压缩性首先随着含水率增大而增大,当含水率达到某一值可压缩性又有所下降。实验最后根据朗肯理论计算填土各种含水率状态下挡土墙所受到的土压力,对结果进行数值模拟得出含水率主动土压力、含水率被动土压力之间的关系式。     

高拱坝砼拉压特性的全级配及湿筛试验

水工大坝混凝土力学特性试验迄今仍采用湿筛成型小尺寸试验试件完成,而湿筛试验往往剔除大于40mm以上大骨料,如此造成试验结果与大坝混凝土实际全级配性能的差异,无法真实反映实际大坝混凝土的性能指标。结合锦屏一级高拱坝混凝土强度测试要求,开展其全级配试件力学特性及相关性能试验,对其单轴抗压、单轴抗拉、极限拉伸及弹性模量等指标进行全面测试,其180d龄期的单拉强度和90d龄期的极限拉应变与湿筛试验测试值的比值变化为::按C18040、C18035、C18030强度分区,分别为0.661、0.637、0.690和0.583、0.579、0.573。在大骨料作用下,锦屏一级拱坝混凝土全级配试验测试的弹性模量则比湿筛试验测试值略高。