超高性能混凝土单轴拉压本构关系研究

超高性能混凝土（UHPC）是一种具有超高强度、超高耐久性和超高韧性的新型水泥基复合材料,因其优越的性能而受到国内外土木工程领域的广泛关注,具有广阔的工程应用前景。单轴受拉和受压应力-应变本构模型是进行UHPC构件力学性能分析的前提和基础。为了进一步深入研究UHPC力学性能,本文归纳总结了国内外不同学者提出的UHPC本构模型,包括单轴受压应力-应变关系和单轴受拉应力-应变、应力-裂缝宽度关系,对其进行了分类和比较,发现了现有模型的共同点和存在的差异,并对这种差异进行了原因分析,最后将部分本构关系应用于ABAQUS有限元分析软件,对高强钢筋UHPC梁进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了部分本构模型的合理性,最后提出了一些研究结论。本文研究成果将为UHPC的结构性能研究进行结构分析和结构设计提供依据。      

高强钢筋约束超高性能混凝土柱轴心受压本构模型研究

约束超高性能混凝土（ultra high performance concrete,UHPC）轴压本构模型是进行UHPC柱结构设计和非线性分析的基础。该文对9根箍筋约束UHPC柱的应力-应变关系进行了研究,结果表明:UHPC宜采用高强箍筋约束且适配性良好,与普通箍筋相比高强箍筋可较好的提高约束UHPC强度及变形能力;高体积率、小间距、形式复杂的高强箍筋的约束效果良好;高强箍筋在约束UHPC峰值应力时不一定屈服,取屈服强度计算峰值时高强箍筋的约束应力,会高估其对峰值应力的提高程度。基于Ottosen破坏准则推导了约束UHPC峰值应力计算式,给出了峰值应变、峰值应力时高强箍筋应力取值计算式;建立了约束UHPC轴压本构模型,并与几种典型的约束本构进行了对比,表明所建立的本构与试验曲线吻合度较高。     

UHPC三轴受压力学性能研究

为了研究三轴受压下UHPC的受力性能,以围压大小和钢纤维掺量为试验参数,进行20组UHPC试件常规三轴试验,分析UHPC的破坏形态、应力-应变曲线、峰值应力和应变等力学性能。结果表明：围压和钢纤维掺量均为零的试件破坏时呈劈裂破坏,其他试件则呈剪切破坏;围压和钢纤维掺量对应力-应变曲线弹性模量和弹性段曲线形状影响较小;随着围压增大,峰值应力和应变呈不断增大趋势;随着钢纤维掺量增大,峰值应力和轴向峰值应变呈先增大后不变和先增大后减小趋势,环向峰值应变则呈增大趋势。通过对UHPC八面体正应力-体积应变和剪应力-剪应变关系进行分析,基于Drucker-Prager二参数准则,建立了UHPC八面体破坏准则计算方法。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

基于双轴拉伸试验的飞艇蒙皮材料非线性分析

飞艇蒙皮为多功能层压织物材料,力学行为呈现复杂的非线性,合理表征其非线性的力学模型对飞艇结构设计与分析至关重要。本文对飞艇蒙皮材料试件进行了7个应力比双轴拉伸试验,基于正交异性材料模型,采用应变残差平方和最小方法计算弹性常数,建立线性力学模型;根据试验数据建立应力弹性常数响应面,建立以应力为变量的完整三次式非线性力学模型。并根据此力学模型建立飞艇蒙皮材料有限元分析模型,通过数值模拟七种应力比下的双轴拉伸试验,分析结果的应力分布和分缝位移与试验现象一致。将分析得到的应力-应变曲线与试验结果进行对比,两者能很好的吻合,表明非线性力学模型及分析方法适用于飞艇结构分析。     

超高性能混凝土拉伸力学行为的研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高比强度、突出韧性和优异耐久性的水泥基材料,其韧性立足于高强基体和高强纤维之间的高效协同机制基础之上,往往通过拉伸力学行为加以表征。从试验方法、基体和纤维三个角度综述了UHPC拉伸力学行为的研究进展情况,指出UHPC拉伸力学行为宜采用狗骨头状试件进行测试,具有明显的尺寸效应且受加载速率影响;合理优化材料组成、尺寸和分布是提高UHPC拉伸性能的有效途径;纤维种类对UHPC拉伸性能的影响最为显著,提高纤维增强因子和调控纤维分布有利于拉伸性能的提升。最后,从工程应用角度,提出了UHPC拉伸力学行为需要进一步加强研究的建议。     

SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究

对花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩三种岩石进行SHPB应力均匀性试验测试,研究表明:试件内达到应力均匀时间介于弹塑性状态假设条件下试件内达到应力均匀时间之间,且试件内达到应力均匀时间与二者的平均值具有一定的相关性。试验中子弹的冲击速度在一定范围内,能够使三种岩石满足应力均匀性的要求,且在断裂应变达到1%之前均有较长的恒应变率时间段。     

SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究

对花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩三种岩石进行SHPB应力均匀性试验测试,研究表明:试件内达到应力均匀时间介于弹塑性状态假设条件下试件内达到应力均匀时间之间,且试件内达到应力均匀时间与二者的平均值具有一定的相关性。试验中子弹的冲击速度在一定范围内,能够使三种岩石满足应力均匀性的要求,且在断裂应变达到1%之前均有较长的恒应变率时间段。     

纤维增强树脂复合材料约束超高性能混凝土轴压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA有限元分析软件建立纤维增强树脂(FRP)复合材料约束超高性能混凝土(UHPC)圆柱细观有限元模型,以研究其单轴受压性能。通过已有试验数据验证了模型的有效性,并建立了能准确反映FRP复合材料约束作用的K&C模型的剪切膨胀参数预测公式。在此基础上进行参数分析,研究FRP复合材料厚度、纤维缠绕角度和钢纤维掺量的影响。结果表明,本文模型不仅能模拟随机分布钢纤维对试件应力分布的影响,且能较准确反映FRP复合材料约束作用对核心UHPC强度和延性的提高效果。模型在轴压作用下的破坏模式和应力-应变曲线与试验结果基本一致。参数分析表明,随FRP复合材料厚度或纤维缠绕角度的增大,试件极限承载力和延性均增大,而增大钢纤维掺量虽可限制核心UHPC斜裂缝的开展,但对试件强度和延性影响较小。      

基于应力释放原理的桥梁混凝土结构单轴原位应力识别方法

原位应力对桥梁的状态与可靠度评估具有重要意义。针对桥梁混凝土结构服役年限较长、实际受力状态复杂、构件尺寸较大以及单轴受力控制的特点,通过单轴应力释放影响函数建立了未知原位应力状态与表面释放应变之间的对应关系。以薄壁环作为释放区域,借助有限元标定了不同测量区域的影响函数。通过分步钻入试验,尝试识别处于单轴均匀应力场下的混凝土试块的原位应力。结果表明:影响函数能够有效反映原位应力与表层释放应变的对应关系,与试验结果吻合,识别方法具有可行性与适用性;多应变计综合识别能有效降低混凝土不均匀性与随机性引起的识别误差,对多步识别结果的优化求解可以进一步提高精度;识别结果的稳定性与应变计敏感栅尺寸有关。     

高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料受拉应力-应变关系

为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,EEC)的受拉性能,考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素,对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明,高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大;增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果,提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型,推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证,计算结果与试验结果吻合良好,说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。      

超高性能混凝土圆环约束收缩试验研究

以约束水平、环境条件（密闭或干燥）和钢纤维等为参数,开展了超高性能混凝土（UHPC）圆环约束收缩试验。研究了钢环应变随龄期的发展规律;分析了各参数对圆环约束下的残余应力与各关键龄期的力学性能的影响;采用了拉应力水平和应力松弛率来评价UHPC的开裂性能。为配合圆环收缩试验,开展了自由收缩与基本力学性能试验。试验表明,未掺钢纤维的UHPC早期开裂风险大,在14 d前均发生开裂,裂缝平均宽度大于0.25 mm,含钢纤维试件均未开裂。不同约束程度对拉应力水平与应力松弛率的影响均显著,降低约束程度能有效降低开裂风险。与自由收缩测试结果不同,圆环约束UHPC在密闭条件下后期的开裂风险会高于环向干燥条件。建议以密闭条件下14 d的抗裂性能作为控制指标评价圆环约束下UHPC的开裂性能。     

Specimen size effect during tensile testing of an unreinforced polymer

Various specimen sizes of an unreinforced polymer, Hercules 3501 -6 thermosetting epoxy, were subjected to a tensile test. The general specimen geometry was a rectangular dog-bone shape with constant gauge length, but with each specimen size having a different crosssectional area. These cross-sectional areas were obtained by varying the thickness of the epoxy during casting, and the gauge section width during grinding. The resulting failure surfaces of the specimens were observed and photographed using scanning electron microscopy. The results indicate that failure stress, dimensions of the critical flaw which caused failure, and a quantity which is proportional to the fracture toughness, are all correlated with specimen size.     

粗骨料与钢纤维对超高性能混凝土单轴拉伸性能的影响

为了提高含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)的单轴拉伸性能,采用单轴拉伸试验和图像分析技术分别研究了粗骨料掺量、颗粒粒径对含粗骨料UHPC单轴拉伸性能和钢纤维在UHPC体系中分散性能的影响规律。结果表明,随着粗骨料掺量及颗粒粒径的增大,钢纤维在UHPC体系中的分散系数和取向系数显著降低,含粗骨料UHPC的单轴拉伸初裂强度、裂后强度和耗能也随之减小。根据粗骨料颗粒最大粒径与钢纤维体积分数、直径间的匹配关系式(Dmax=3df/(Vf)0.5),采用纤维混杂可以充分发挥多尺度纤维与具有不同粒径分布的骨料间的分级匹配关系;粗骨料体积分数和颗粒最大粒径分别为10%和10mm时,采用平直钢纤维(直径0.12mm、长度10mm、体积掺量1.2%)和端钩钢纤维(直径0.35 mm、长度20mm、体积掺量1.8%)混杂实现了含粗骨料UHPC的单轴拉伸性能的提升,其裂后强度和耗能分别为8.69 MPa和11.10J。     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

超高性能混凝土梁正截面受弯承载力理论研究

基于64组超高性能混凝土（ultra high performance concrete, UHPC）抗压性能试验数据,分别建立了峰值压应变ε₀、立方体抗压强度f_cu与轴心抗压强度f_c之间的关系以及弹性模量E_c与立方体抗压强度f_cu的关系;基于复合材料力学,建立了受拉区UHPC等效拉应力;基于平截面假定,建立了UHPC梁正截面受弯承载力计算公式,推导了受压区等效矩形应力图形参数、计算公式,并结合UHPC受压本构确定等效矩形应力图形参数。通过28根试验梁的相关数据,验证UHPC梁正截面受弯承载力计算公式及等效矩形应力图形参数取值的可行性。研究结果表明,等效矩形应力图形参数取值较为合理,梁正截面受弯承载力计算值与试验值吻合良好。     

Mechanical Behavior of a Triaxial Woven Fabric Composite

The results of an experimental and finite-element investigation on a single-ply triaxial woven fabric composite loaded in tension are presented. The fabric is made of graphite yarns oriented in the 0 degrees and plus/minus 60 degrees directions and a thermoset resin. It is used by EMS Technologies Canada Ltd. for the manufacturing of super-lightweight spaceborne antenna reflectors. Two types of tensile test specimens were evaluated, straight and dog-bone, as well as three methods for bonding the strain gauges to the specimen. The effects of the specimen shape and bonding methods were evaluated. A finite-element model was developed to predict the behavior of the specimen under tensile conditions. The measured data provide information on the elastic properties and ultimate strength of the composite when subjected to loads acting either along the axial yarns or perpendicular to them.     

高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能试验研究及有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土梁的受弯性能,以配钢率、型钢位置和钢纤维体积分数为变化参数,设计了6个试件,并对其进行了静力加载试验,获得了试件的破坏形态和荷载-跨中挠度曲线,分析了试件的承载能力和变形能力,以及型钢、纵向钢筋和超高性能混凝土的应变变化规律。基于试验研究,建立了高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能的有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明：所有试件均发生的是适筋破坏,纵向受拉钢筋和型钢下翼缘率先屈服,然后受压区超高性能混凝土被压碎;在试件的破坏阶段,所承担的荷载会依次经历陡降、波动、缓慢上升和缓慢下降四个阶段;试件的变形能力系数超过5,呈现出较强的变形能力;试件开裂前,超高性能混凝土的应变符合平截面假定,但开裂后,只有受压区和受拉区在中和轴附近的一小部分超高性能混凝土应变呈线性分布;配钢率和型钢强度增大,试件的承载能力和变形能力均提高;超高性能混凝土抗压强度增大及型钢从截面居中位置下移,试件的承载能力提高,但变形能力下降;钢纤维体积分数增加,试件的抗裂能力和变形能力均提高,但承载能力变化不显著。     

A small cantilever beam test for determination of creep properties of materials

The application of small specimen creep test techniques in the evaluation of creep properties of materials in‐service has been increasing. To obtain the creep data accurately and conveniently, a new creep test method with small cantilever beam specimens is proposed. Analytical equations are derived that can convert the load to equivalent uniaxial stress and the displacement rate to equivalent uniaxial strain rate. Three types of the cantilever beam specimens are designed. The optimal configuration of the cantilever beam specimens is recommended with the aid of finite element method, which is further validated by the cantilever beam and uniaxial specimen tests. The results show that parameters obtained from the cantilever beam tests correspond reasonably well with those from uniaxial tests at low stress levels. With a relatively large equivalent gauge length, the cantilever beam specimen allows the small creep strain rate data obtained with a high accuracy.