加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

考虑初始缺陷影响的混凝土梁动态弯拉破坏模式分析

考虑到混凝土细观非均质性的影响,从细观角度出发,认为混凝土是由骨料、界面过渡区、砂浆基质及初始缺陷组成的四相复合材料,建立了混凝土简支梁的二维随机骨料模型。采用耦合材料应变率效应的塑性损伤本构模型来描述砂浆基质及界面的力学性能;假定骨料不产生损伤破坏,设定为弹性。对无缺陷、2%和5%孔隙率的混凝土梁进行弯拉破坏数值研究,探讨初始缺陷及加载速率对混凝土梁弯拉破坏模式、弯拉强度及宏观应 力-应变关系的影响。数值结果表明:混凝土弯拉破坏模式及宏观力学性能具有明显的加载速率相关性;初始缺陷的存在对混凝土破坏模式及宏观力学性能具有很大的影响。     

混凝土冻融循环下动态破损机理的试验研究

对冻融环境下混凝土试样进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了混凝土材料经历不同冻融循环次数下的质量损失及破损形态,分析了冻融循环下混凝土试样的全应力—应变曲线,并给出了其单轴极限抗压强度、峰值应变随加载速率的变化特征。通过运用CT细观试验的方法初步对经历不同加载速率下的试样进行了细观结构分析。试验结果表明:在相同加载率下,混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数下,混凝土单轴动态极限抗压强度随加载速率的增大而提高;冻融循环作用下,在低加载速率下,混凝土试样破坏时,裂纹数目较少,主要沿砂浆和交界面处扩展,破坏时呈现出集中式的分布;而在高加载速率下,裂纹逐渐变得分散,破坏时呈现弥散状分布式的裂纹,随着加载率的提高,裂纹穿过骨料的现象增多,骨料破坏数目呈指数形式增长。以此,通过试验系统地研究了冻融循环下混凝土动态破损机理。     

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10-5 s-1~2×102 s-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明:混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s-1）,即:低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

基于对混凝土破损过程的模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

基于混凝土细观骨料模型的SHPB仿真模拟研究

将混凝土视为由粗骨料和砂浆基体组成的双相复合材料,建立了圆柱状三维混凝土细观骨料模型,并将其应用于分离式Hopkinson压杆仿真实验中。通过五种不同梯形载荷的加载计算,得到了试件不同应变率下的应力—应变曲线,并将模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,使用细观骨料模型可以有效模拟混凝土SHPB实验并反映材料的动态力学性能,而且其宏观破坏形式也与传统的均匀材料模型有所不同,所建立的模型同时为多种非均匀材料的细观数值模拟提供了方便。最后通过几种不同骨料含量和骨料尺寸混凝土模型的计算研究了这两种因素对混凝土动态强度和应力均匀性的影响。     

端部摩擦约束对混凝土单轴动态压缩强度影响分析

混凝土宏观力学行为与其微/细观结构密切关联,考虑内部结构非均质性的影响,假定混凝土是由骨料、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,建立了考虑端部摩擦约束的混凝土细观力学模型。以单轴压缩情况为例,针对不同的端部约束条件,模拟了中低应变率水平下混凝土的动态压缩行为,分析了端部摩擦约束对混凝土动态压缩力学特性尤其是动态强度的影响机理。数值结果表明:1相同加载速率下,混凝土动态压缩强度随端部摩擦因数的增大先增大,后逐渐趋于平稳;2端部摩擦约束效应改变了混凝土的单轴受力状态及损伤分布,对混凝土单轴压缩强度的提高有明显的贡献;3端部摩擦约束条件相同时,摩擦贡献因子随应变率的增大呈减小趋势,且端部摩擦因数越大,减小的趋势越明显。     

三级配混凝土静、动载下力学细观破坏机制研究

假定三级配混凝土是由砂浆基质、不同粒径的骨料及其粘结带组成的非均质复合材料,采用非线性有限元方法在细观尺度上数值模拟三级配混凝土弯拉梁在静、动载下的开裂过程。按实际配比计算各种骨料的代表粒径的数目,采用蒙特卡罗方法随机生成骨料分布,骨料形状假定为圆形,最小粒径为12.5mm。骨料、砂浆及其粘结带均采用了非线性本构模型,具体模拟了材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎等非线性。研究中还给出了梁关键部位的应力应变全过程曲线,研究成果还与未考虑材料的非均质性的结果进行了比较。结果表明,混凝土类的多项非均质复合材料的静、动力学性能与其内部的细观结构组成有密切关系,混凝土中最薄弱的部位为粘结界面,混凝土的破坏明显表现出拉应变软化现象和局部化现象。数值模拟结果与有关试验成果较为接近。     

骨料粒径对混凝土劈拉性能及尺寸效应影响的细观数值研究

混凝土材料宏观力学行为的非线性及尺寸效应根源于其内部组成的非均质性。考虑材料细观结构非均质性的影响,建立由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的混凝土细观尺度力学模型。对尺寸为150 mm、250 mm、350 mm和450 mm的混凝土立方体模型劈裂抗拉破坏行为进行细观数值模拟,探讨骨料粒径（最大粒径分别为:10 mm、20 mm、30 mm和40 mm）的影响机制,并与试验结果进行对比分析。结果表明:1） 混凝土材料的劈裂抗拉强度随着骨料粒径增大而略微降低,最大骨料粒径达到30 mm左右时,强度降低趋势变缓;2） 四种骨料粒径下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象,相比于大骨料试件,小骨料试件的破坏更具脆性,因而其尺寸效应更显著;3） 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应行为与 Ba?ant和Weibull提出的尺寸效应理论相吻合。     

钢筋混凝土梁抗冲击性能研究的细观数值模拟方法

为更真实地描述钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下复杂的破坏过程,结合混凝土细观结构非均质性,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,考虑混凝土细观组分的率效应,将钢筋网嵌入至素混凝土梁,建立了钢筋混凝土梁抗冲击力学行为研究的三维细观尺度数值模型。基于该数值分析模型与方法,研究了落锤速度对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响规律。将细观数值模拟结果与宏观模型结果以及已有试验结果进行了对比分析,包括破坏模式、冲击力、跨中位移以及支座反力等,发现模拟结果与试验结果吻合良好,验证了细观数值分析模型在钢筋混凝土梁抗冲击性能模拟中运用的可行性。     

基于细观模拟的轻骨料混凝土动态压缩破坏及尺寸效应分析

轻骨料混凝土由于其轻质及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,采用塑性损伤本构关系模型,考虑应变率效应的影响,建立了对应的细观随机骨料模型,研究了轻骨料混凝土在动态压缩作用下的破坏行为及尺寸效应规律。发现:随着应变率的增加,惯性效应逐渐成为主导效应,动态压缩强度的尺寸效应逐渐被削弱,达到临界应变率时,尺寸效应被完全抑制。此外,结合率效应影响机制与规律,揭示了轻骨料混凝土动态压缩强度的尺寸效应机理,建立了“静动态统一”的尺寸效应半经验-半理论公式。     

基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征

为深入研究再生混凝土的破坏形态和内部裂纹扩展情况与普通混凝土之间的差异,以不同再生粗骨料(RCA)取代率的再生混凝土为研究对象,利用Phoenix v | tome | x s240微焦点工业CT获取再生混凝土加载到90%预估破坏荷载的二维扫描图像,借助Photoshop CS6图像处理软件,对材料内部破坏裂纹进行提取,进而基于分形几何理论,以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律,建立分形维数和多重分形谱特征参数与RCA取代率和再生混凝土抗压强度的关系。结果表明:再生混凝土的细观受力破坏模式与普通混凝土不同,其受力破坏形态不仅取决于粗骨料与水泥浆体的界面黏结强度,还取决于RCA自身性能,当裂纹发展至天然粗骨料或强度较高的RCA时会绕过骨料表面继续发展,发展至强度较低的RCA时会贯穿骨料;分形维数可定量描述混凝土材料内部细观裂纹的整体扩展情况,即裂纹越丰富,分形维数越大;多重分形谱可反映从局部到整体不同层次的细观裂纹特征,裂纹分形维数和多重分形谱特征参数均与RCA取代率呈线性下降关系,与抗压强度呈线性增长关系;本研究可为再生混凝土在大型结构工程中的广泛应用奠定理论和实验基础。      

轻骨料无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应:细观模拟

轻骨料混凝土具有轻质、高强及保温隔热性能好等优点,被广泛应用于工程结构中。采用细观数值模拟方法,将普通及轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了无腹筋混凝土梁剪切破坏行为模拟的三维细观力学分析模型,研究了不同尺寸普通及轻骨料无腹筋混凝土悬臂梁在单调加载下的剪切破坏模式与失效机制,揭示了名义剪切强度的尺寸效应规律。此外,结合模拟结果对相关设计规范抗剪承载力计算公式的准确性和安全性进行了初步探讨。研究结果表明:区别于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁由于骨料强度较低而首先发生破坏;不同尺寸混凝土梁的剪切破坏模式基本一致,梁的名义剪切强度展现出明显的尺寸效应;相比于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁剪切破坏表现出具有更强的尺寸效应。     

混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析

混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明:劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。