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。     

混凝土骨料级配对抗压强度影响的数值模拟

将混凝土粗骨料分档组配,并建立了9个不同组配比例的混凝土细观数值模型,以便模拟混凝土粗骨料在分档比例不同的情况下,对混凝土抗压强度的影响情况.利用有限元分析系统MFPA2D,模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程.结果显示,分档比例不同,会直接影响混凝土的抗压强度.通过与物理试验结果对比,验证了数值模拟方法的可行性.     

三维大理岩弹塑性损伤及细观破坏过程数值模拟

目前对于岩石细观破坏的研究取得了一些进展,但在许多工程领域不能简单地采用弹性损伤模型分析,而要考虑岩石细观局部塑性变形对岩体强度和稳定性的重要影响.因此,基于应变空间理论导出弹塑性损伤细观模型,提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,程序自动删除损伤度为1的细观单元,使该单元在下一步计算中失去作用,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟.对大理岩三点弯曲试样I型及I-II复合型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究裂纹穿晶和绕晶破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响.计算结果表明,考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性,仿真试验和物理试验吻合较好,由此说明所提出的岩石弹塑性损伤破坏模型的正确性和有效性;裂纹尖端晶体强度影响穿晶和绕晶的破坏模式;破坏单元网格消去法解决有限元模拟裂纹扩展的难题,给出的模型和方法可付诸于实践.     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

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。     

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

 针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。     

混凝土试件内压作用下破裂过程试验

内压作用下混凝土的破坏时有发生，对其破坏过程的研究就显得特别重要。提出了应用东北大学CRISR自主研发的材料破裂过程分析系统(MFPA)对在三个孔压共同作用下的破裂过程进行数值试验方法，并在此基础上进行了物理试验。与数值试验的破裂结果进行比较。结果表明：数值模拟结果与物理试验结果有较好的一致性．通过数值试验再现了模型破坏的全过程，可以观察到物理试验无法准确观测的裂纹的萌生、扩展直至破坏的过程以及破坏过程中的声发射现象，为混凝土破坏过程研究提供了一种新方法，同时为防止混凝土内压作用引起的裂缝控制有参考作用。     

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.     

Mesoscale modeling based numerical study on size effect of concrete compressive strength

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明：初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

软岩层引起的套管外载计算方法研究

在我国部分油田中,软岩层流变致使套管挤毁,造成巨大经济损失。以黏弹性流变模型理论为基础,建立软岩层、水泥环和套管流变耦合的力学模型。从材料本构关系、几何变形协调、静力平衡三方面进行分析,推导出均匀地应力下水泥环和套管流变外载的表达式。编制相关计算程序,研究软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变和水泥环对套管外载的影响规律。研究结果表明,软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变、水泥环力学参数对套管外载的影响较大。井眼的初始蠕变可释放部分流变载荷,改善套管受力;水泥环使套管受力恶化,在井眼环空不注水泥能延长套管使用寿命。所得结论与一些油田的现场实践相吻合,研究成果已成功应用于江汉油田岩盐层固井和套管设计。     

Accurate time-dependent analysis of concrete bridges considering concrete creep, concrete shrinkage and cable relaxation

This paper proposes a new relaxation model for steel tendons based on the equivalent creep coefficient to enable the accurate estimation of losses of cable forces. The equivalent creep coefficient works not only in the case of intrinsic relaxation but also under various boundary conditions. Based on the proposed relaxation model, an accurate finite element analysis of the time-dependent behavior of concrete bridges considering concrete creep, concrete shrinkage and cable relaxation is devised based on the time integration method. Concrete members are modeled by beam elements while tendons are modeled by truss elements with nodes connected to the beam axis by perpendicular rigid arms. Then the individual and combined effects of concrete creep, concrete shrinkage and cable relaxation on the long-term performance of concrete structures are investigated. It is found that the proposed relaxation model and time integration method can provide a reliable method for time-dependent analysis. The numerical results obtained indicate that the interactions among these factors should be considered carefully in analyzing the long-term performance of concrete bridges.     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

软硬互层边坡岩体的蠕变特性研究及稳定性分析

岩体的蠕变性是影响边坡变形与长期稳定性的重要因素之一。以清江水布垭坝址区马崖高边坡为例，针对边坡内具代表性的软岩和硬岩，通过开展室内岩石压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏特征，据此建立了岩石的流变本构模型并进行参数辨识。在此基础上，应用三维粘弹塑性方法对马崖高边坡的时效变形及稳定性进行数值分析，探讨了边坡在开挖卸荷及泄洪冲切（运行期）等工程荷载作用下岩体的蠕变变形及塑性区发展。研究结果表明，软硬互层边坡岩体的蠕变效应十分显著，对于大规模开挖的岩质高边坡而言，岩体的蠕变特征不仅影响到边坡的位移量值，而且改变了边坡的位移形态。在工程长期运行过程中，岩体蠕变引起的应力场变化使得坡体内塑性区分布由坡面向坡内延伸，按流变10a计，其延伸深度可达数十米。     

硫酸盐侵蚀混凝土轴心受压构件徐变分析

将混凝土损伤力学理论研究方法与B3徐变模型相结合,采用应力级别、硫酸盐溶液质量分数、混凝土构件截面有效尺寸、混凝土经受应力腐蚀的时间等参数对压应力状态与硫酸盐侵蚀共同作用下的混凝土B3徐变模型进行了修正,通过非线性回归建立了硫酸盐侵蚀下混凝土轴心受压构件的修正B3徐变预测模型.与不同的试验资料对比表明,采用该修正徐变模型得到的预测值与试验数据吻合较好.应用该修正徐变模型,分析了水灰比、骨料水泥比、构件截面尺寸以及应力级别、硫酸盐溶液质量分数等因素对混凝土徐变的影响.     

Time-dependent in-plane behaviour and buckling of concrete-filled steel tubular arches

This paper presents a theoretical analysis for the time-dependent behaviour and buckling of concrete-filled steel tubular (CFST) circular arches due to shrinkage and creep of the concrete core under a sustained uniform radial load. The algebraically tractable age-adjusted effective modulus method is used to model the time-dependent behaviour of the concrete core, based on which the differential equations of equilibrium for the time-dependent analysis of CFST arches are derived and analytical solutions for the long-term displacements, stresses and internal forces of CFST arches under the sustained load are obtained. It is shown that the visco-elastic effects of creep and shrinkage of the concrete core have significant long-term effects on the in-plane structural behaviour of CFST arches. The long-term radial and axial displacements, as well as the bending moment, increase substantially with time. For a CFST arch with a low area ratio of the steel tube to the concrete core, the long-term deformations may be excessive and affect the serviceability of the CFST arch. The increases of the long-term stresses in the steel tube with time are significant, while the long-term stresses in the concrete core decrease with time and may change from compressive to tensile if the time is sufficiently long. It is demonstrated that the time-dependent change of the equilibrium configuration of the CFST arch can lead to a buckling configuration being attained in the time domain under a sustained load, which is lower than the buckling loads of the CFST arch under short-term loading. The solution for the possible prebuckling structural life for time-dependent creep buckling of deep CFST arches is derived and can be used to determine the effects of various parameters on the creep buckling of a CFST arch.     

废弃纤维再生混凝土受压徐变及预测模型

为研究再生粗骨料替代率、废弃纤维体积掺入量对废弃纤维再生混凝土受压徐变破坏时间、徐变变形和徐变度的影响规律,对普通混凝土、再生混凝土和废弃纤维再生混凝土试件在实验室条件下进行了85%、90%和95%应力水平的徐变试验。试验结果表明：随着再生粗骨料替代率的增加,徐变破坏的时间缩短、徐变变形及徐变度增大;随着废弃纤维体积掺入量的增加,徐变变形及徐变度减小,徐变破坏时间增加。废弃纤维的加入能有效缓解再生混凝土受压徐变的破坏程度。在考虑再生粗骨料替代率及废弃纤维体积掺入量的基础上,对ACI209R徐变预测模型进行修正,模型预测结果与试验值吻合较好。     

岩石非线性蠕变损伤模型的研究

在非线性黏弹塑性流变模型的基础上,根据时效损伤和损伤加速门槛值的特点,建立了非线性蠕变损伤模型,并通过对锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验验证了模型的正确性。研究表明,这种非线性蠕变损伤模型,不但能很好地反映岩石蠕变全过程,而且,也能合理地描述不同应力下板岩的初始蠕变损伤、稳态蠕变损伤和加速蠕变损伤。