混凝土早龄期收缩开裂细观力学机理研究

缓减混凝土早龄期收缩开裂是提升混凝土结构耐久性和防水性能的关键环节,对此研究了基于细观力学的混凝土早龄期收缩开裂机理。采用随机骨料模型对混凝土内粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)进行参数化建模生成混凝土细观结构,建立混凝土细观数值模型,针对现行试验规范,确定模拟所需力学参数并验证计算方法。结果表明,混凝土早龄期的收缩应变随时间的变化趋势受粗骨料随机分布的影响不大,不同分布形式下的混凝土24 h收缩应变值最大相对误差为7%;平板混凝土试件早龄期的收缩裂缝沿着裂缝诱导器尖端区域的ITZ单元发展,不同粗骨料分布形式下的裂缝面积最大相对误差为9.5%。     

基于二维多向固定裂缝模型的钢筋混凝土梁开裂过程模拟

作为一种准脆性材料,钢筋混凝土开裂是一个复杂的非线性问题。基于二维多向固定裂缝模型,运用DIANA软件对钢筋混凝土三点弯曲梁进行数值模拟。结果表明,在梁内无钢筋、有钢筋、钢筋加密三种条件下的混凝土变形和裂缝扩展过程均可被有效模拟;钢筋的横截面积越大,裂缝的宽度越小,变形结果符合相关理论,且裂缝扩展和分布情况符合实践经验。说明二维多向固定裂缝模型适用于钢筋混凝土结构的开裂模拟。     

大体积薄壁混凝土墩墙结构早龄期开裂过程的数值模拟

水工大体积薄壁混凝土墩墙结构在早龄期温度变形、自生体积变形等荷载作用下易出现多条竖直贯穿性裂缝,目前常用的应力计算方法无法模拟出工程结构的开裂过程和裂缝数量。将开挖释放荷载理论引入混凝土早龄期温度场和应力场计算中,编制了相关程序,模拟施工期的大体积薄壁混凝土墩墙结构的开裂过程。结果表明,墩墙结构在早龄期开裂过程、裂缝分布、裂缝数量与实际较吻合,且程序的计算效率较高。     

基于宏—细观模型的石漫滩水库重力坝开裂机理研究

为了弄清石漫滩水库混凝土重力坝坝体运行期裂缝形成机理，采用APDL语言中的ESEL命令并配合局部坐标系的旋转来完成随机骨料的投放方法，构建了石漫滩大坝^#9非溢流坝段的三维宏-细观有限元模型，通过模拟计算，分析了运行期大坝的裂缝成因。结果表明，该方法可快速生成三维球形及多面体形骨料，大大提高了骨料的生成效率；采用宏-细观模型计算的结果与大坝的实际裂纹分布情况更为符合，周期性的冬季快速温降及夏季快速温升对运行期混凝土坝开裂的影响不容忽视。     

混凝土破裂过程中的红外辐射特征与数值模拟研究

利用红外热像仪并结合PFC2D数值模拟软件,研究了高温养护环境下混凝土试块单轴压缩加载过程中的温度场与细观损伤情况。结果表明,随荷载的阶段性变化,混凝土红外辐射特性表现为压密阶段温度降低、弹塑性阶段温度升高、破坏阶段温度降低;高温异常条带包围低温异常条带是混凝土整个破坏过程中热像温度场的主要特征。可见红外热像技术与离散单元法相结合能更好地分析混凝土的宏细观结构破坏机理,为工程应用提供了技术支持。     

水工隧洞素混凝土衬砌开裂过程弹性分析

根据弹性力学理论推导了水工有压隧洞素混凝土衬砌开裂时内水压力公式,给出了开裂半径与内水压力关系式,分析了素混凝土衬砌在不同开裂阶段时的结构应力.由计算结果发现,一旦开裂裂缝就会很快贯穿衬砌,裂缝贯穿衬砌前内水压力主要由衬砌承担.     

成型方法对沥青混凝土力学性质影响的细观研究

基于离散元原理(DEM),利用二维颗粒流程序(PFC2D)模拟了沥青混凝土三轴试验静压法和振动法成型制样方法,从细观层面分析了不同制样方法引起沥青混凝土应力应变行为差异的原因。结果表明,制样方法不同,沥青混凝土的细观结构也不同,主要表现为配位数和粘结数不同,从而影响宏观的应力—应变行为。     

基于粘结裂缝模型的混凝土细观力学特性模拟

混凝土细观力学特性的数值模拟,很大程度上取决于骨料模型和混凝土裂缝模型的选择是否合理、有效。为此,首先利用块体切割法生成混凝土随机多边形骨料模型;然后对骨料模型划分网格,并通过粘结单元嵌入算法实现了砂浆之间、骨料与砂浆单元间零厚度粘结单元的插入;最后利用Abaqus软件进行了混凝土试件的单轴拉伸数值模拟。结果表明,模拟得到的混凝土抗拉强度值与试验值吻合较好,可见该方法能较好地研究混凝土的力学性能。     

三维球形随机骨料混凝土细观数值模拟

为了在细观层次上进行混凝土数值模拟,将混凝土视为骨料、砂浆以及二者之间的界面层组成的非均匀复合材料,利用Matlab编程语言结合蒙特卡罗方法实现了混凝土细观结构三维球形随机骨料模型的自动生成,并通过四级配混凝土骨料生成投放试验和三级配混凝土劈拉试验进行了验证。结果表明,所建模型骨料投放含量能达到58%左右,可满足大体积、全级配混凝土的骨料投放模拟。     

长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性

衬砌裂缝是引水隧洞中常见的病害之一,衬砌开裂会对隧洞衬砌承载力和安全性造成不同程度的影响。以长期服役的东江水源工程引水隧洞衬砌为研究对象,通过现场检测确定了全洞段裂缝的产状、分布规律和开裂特征。利用ANSYS软件中的软弱薄层单元,建立了开裂衬砌的三维数值模型,得出贯穿型纵向裂缝的位置变化对衬砌结构安全性的影响,系统分析了衬砌的承载特性。结果表明,衬砌开裂条件下,衬砌结构局部开裂区的安全系数降低最为显著,尤其是拱肩位置的裂缝对结构的危害程度远大于边墙、拱顶裂缝;另外,裂缝的产生会对其他未开裂部位的受力特性及稳定性产生影响。数值模拟结果良好地体现了裂损衬砌对隧洞结构的影响规律,与现场检测结果一致,为长期服役下隧洞结构病害防治提供了参考。     

压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂数值模拟研究

立足于直接求解压力隧洞设计所关注的衬砌裂缝条数和裂缝宽度,同时考虑混凝土衬砌的开裂、钢筋的作用、钢筋与混凝土间的粘结滑移以及围岩的作用,建立了压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂的数值模型,并编制了相应的计算程序。采用该计算程序对压力隧洞钢筋混凝土衬砌开裂问题进行数值模拟研究,分析了钢筋量、围岩条件对裂缝条数和裂缝宽度的影响,并着重与现行规范进行对比分析。结果表明,所建模型能反映压力隧洞钢筋混凝土衬砌作为地下结构的受力特性;围岩条件对裂缝条数和宽度均有明显影响;压力隧洞钢筋混凝土衬砌限裂的关键在于改善围岩条件,不宜盲目加大钢筋量。该研究结果对压力隧洞工程实践具有一定的指导价值。     

基于响应面法的大体积混凝土开裂风险分析

温度荷载是造成施工期大体积混凝土开裂的主要原因。为了研究大体积混凝土的开裂风险,将影响混凝土温度场和应力场的物理力学参数作为随机变量,以混凝土抗拉强度与最大拉应力之差作为判断大体积混凝土开裂与否的准则,并依此建立功能函数。通过数值试验建立功能函数的响应面方程,以解决原功能函数无法显示表达的问题,最后采用JC法求解混凝土开裂可靠度指标。计算结果表明,与Monte-Carlo法的计算结果相比,所提出的大体积混凝土开裂风险计算方法得到的失效概率相对误差在4%以内,且计算效率高,精度满足要求,可应用于实际工程。     

基于裂缝口开度的水工混凝土结构裂缝性态监控方法

针对复杂工况下带缝水工混凝土结构的裂缝扩展判据难以用于工程实际,且常规有限元法扩展法需不断进行网格重建的问题,推导了包含裂尖效应的渗流—应力耦合的扩展有限元模型,以此分析并建立了裂缝口开度与宏观裂尖开度在裂缝扩展全过程的关系,提出了基于粘着力的宏观裂尖判别法,并从数值分析角度验证了宏观裂尖开度临界值的无尺寸效应,利用其与裂缝口开度的关系建立了水工混凝土结构裂缝起裂、稳定扩展、失稳扩展全过程的监控方法,最终通过算例验证了该方法的合理性。     

局部钢纤维混凝土力学性能研究

针对不同掺量的局部钢纤维增强混凝土（PSFRC）构建了细观数值模型,采用统计损伤方法模拟了PSFRC从微裂纹萌生、扩展直至贯通的全过程,通过对破坏机理和力学性能的分析,得出PSFRC初裂强度、极限强度、弯曲韧性和变形能力比素混凝土、普通钢纤维混凝土有明显改善,并随钢纤维掺量的增加其改善程度增大,性价比提高,施工难度也大大降低。     

钢衬钢筋钢纤维混凝土压力管道非线性有限元分析

针对钢衬钢筋混凝土压力管道在运行期因裂缝过宽导致的结构耐久性问题,在混凝土中掺入体积率分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维形成钢纤维混凝土,基于模型试验获得的钢纤维混凝土的拉伸软化曲线,采用大型数值分析平台ABAQUS仿真分析了钢衬钢筋钢纤维混凝土压力管道受力开裂的全过程,并与原钢衬钢筋混凝土压力管道的模型试验结果进行了对比分析。结果表明,在相同内水压力荷载下,钢衬钢筋钢纤维混凝土压力管道的承载能力与普通钢衬钢筋混凝土压力管道相比,不仅其初裂荷载有所提高,管道的最大裂缝宽度明显降低,钢材的应力值也随钢纤维体积率的增加而减少。     

Thermal and Structural Response of RCC Dams During Their Service Life

Roller compacted concrete (RCC) dams are vulnerable to cracking as a result of high tensile stresses due to material properties, thermal and mechanical loads. Making reliable prediction of stress fields, and thereby temperature cracking risk form an important part of the material modelling. The present study figures out the changes in thermal stresses and crack fields of the Kinta RCC dam at the end of the construction and its service life. Water temperature at various levels of the reservoir and its fluctuations were considered in the present study. The developed finite element program has been used in the analysis. Based on the obtained results, it is revealed that there is an increase in the thermal stresses after some years of dam completion. However, their location and distribution are mostly similar.     

堆石坝面板表面裂缝影响因素的有限元数值分析

利用有限元计算法分析了膨胀剂、表面覆盖、水泥水化热、浇筑温度以及接触传热等因素对堆石坝面板表面应力的影响，详细阐述了混凝土表面应力的产生机理，为有效抑制表面裂缝的产生应加强保温保温措施。     

闸墩"枣核形"裂缝成因机理和防裂方法研究

针对闸墩中经常出现的“枣核形”裂缝,借助混凝土温度和应力有限元仿真计算方法,进行多工况多参数的比较分析研究,在查清具体工程裂缝成因机理后,提出适时合理的防裂方法,应用效果明显,对类似工程提供了借鉴作用。     

层状组合结构轴拉条件下的裂缝饱和度分析与应用

基于裂缝扩展机理分析了裂缝扩展过程中的饱和现象,建立了层状组合结构的数值模型,分析了轴拉条件下裂缝中心区域的应力分布特征,论证了裂缝饱和度存在的客观性,探讨了荷载边界条件、材料参数与上覆压力对裂缝饱和度的影响,结合钢衬混凝土组合结构工程特性,研究了裂缝饱和度的基本规律。结果表明,轴向拉伸荷载边界条件不影响裂缝饱和度,裂缝层材料的弹性模量和泊松比越大,或相邻层材料的弹性模量和泊松比越小,裂缝饱和间距越大;上覆压力对裂缝饱和间距的影响较小。对于钢衬混凝土组合结构,轴拉条件下的裂缝饱和间距主要取决于外包混凝土厚度;布筋对钢衬混凝土组合结构的裂缝饱和度有显著影响,钢筋的埋入,相当于降低了混凝土裂缝层的有效厚度,可起到控制裂缝最大宽度的效果,建议将钢筋布置在混凝土层中部,以期增加潜在的裂缝条数,而不会出现宽度过大的裂缝。