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。     

基于随机骨料模型的EPS混凝土粒子尺寸效应分析

建立基于随机分布的EPS混凝土细观力学模型,对EPS混凝土的受压损伤破坏过程进行数值模拟,分析EPS混凝土的损伤破坏过程。研究表明,EPS混凝土的损伤破坏有两种形态,即延性破坏和脆性破坏。延性破坏与EPS颗粒的面积占有率、断裂过程区长度有关;脆性破坏与EPS颗粒的面积占有率、粒径大小以及颗粒间距有关。在EPS颗粒面积占有率较低的情况下,EPS混凝土的粒子尺寸效应对混凝土力学性能的影响较明显,在较高面积占有率的情况下,粒子尺寸效应对其影响较小。随着EPS颗粒面积占有率的增加,EPS混凝土损伤破坏由脆性破坏向延性破坏转变。建立基于损伤力学与断裂力学的粒子尺寸效应数学模型,用数值模拟进行验证,发现两者吻合较好。     

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。     

钢筋混凝土梁受弯破坏及尺寸效应的细观模拟分析

钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应取决于混凝土材料的非均质性以及钢筋/混凝土相互作用。该文借助混凝土细观结构特征,基于非线性弹簧单元来描述钢筋与混凝土之间的相互作用,建立了钢筋混凝土梁破坏行为模拟的三维细观数值模型。在模拟结果与试验结果吻合良好的基础上,拓展模拟了更大尺寸梁的弯曲大变形破坏行为,并分析了单调及循环加载模式对不同尺寸悬臂梁受弯破坏及名义抗弯强度影响规律。模拟结果分析表明：1)该文工况下钢筋混凝土悬臂梁的弯曲破坏存在尺寸效应,弯曲强度随梁深增大而减小; 2)循环加载下,混凝土、钢筋以及两者间的粘结性能由于低周疲劳而使得梁的弯曲破坏呈现出脆性特征; 3)相比于单调加载,循环加载条件下,悬臂梁的破坏具有更强的脆性,名义抗弯强度尺寸效应更明显。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将\     

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。     

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。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10^-5 s^-1~1 s^-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载.建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强...     

超高性能混凝土流变特性及其对纤维分散性的影响

优异的分散性能是纤维充分发挥增强增韧作用的关键。为了明确高掺量钢纤维在超高性能混凝土(UHPC)中的分散特征并提高纤维的分散性,采用抗压强度、抗弯强度等力学性能试验、混凝土流变仪以及图像分析技术,分别研究了降粘掺合料、钢纤维掺量对UHPC力学性能、流变性能以及纤维分散性能的影响。结果表明:降粘掺合料对UHPC力学性能无明显提升作用,但可显著降低UHPC基体的屈服应力和塑性粘度,同时可降低钢纤维导致的屈服应力和塑性粘度增加幅度;随着纤维掺量的增加,纤维轴向取向系数和有效利用率降低,而降粘掺合料可提高纤维轴向取向系数和有效利用率;UHPC基体的流变性能、纤维分散性能以及力学性能三者密切相关,基体流变参数越小,纤维轴向取向系数越高、纤维有效利用率越高,则UHPC力学性能越好。     

超高性能混凝土装配整体式框架梁柱节点抗震性能研究

超高性能混凝土(ultra-high performance concretre,UHPC)是一种新型材料,具有抗拉、抗压强度高、开裂后应变硬化等特点,在装配式结构领域具有较为广阔的应用前景。为了明确UHPC在单轴循环荷载下的受力性能并提出适合的本构关系,通过大量的试验建立循环荷载下UHPC的本构模型,设计具有不同钢纤维掺量的棱柱体和狗骨直拉试件,开展不同加载制度的单轴压缩试验,分析试验结果以明确钢纤维掺量、养护方式和加载制度对UHPC单轴拉压力学性能的影响情况。试验结果表明,在受压方面,钢纤维体积含量为2%的UHPC峰值压应变明显高于钢纤维体积含量为1%和3%的UHPC峰值压应变。各UHPC试件的弹性模量明显大于普通混凝土的弹性模量。在受拉方面,UHPC呈现出一定的应变硬化现象,且达到峰值后拉应力下降较为缓慢,展现出一定的受拉延性。钢纤维体积含量和蒸养处理对UHPC试件的抗拉强度有明显的提高作用。最后,在试验数据的基础上,提出了UHPC受压和受拉的骨架曲线和滞回准则,并拟合了卸载(再加载)的计算公式,可用于有限元计算中UHPC的基本本构方程。

     

再生钢纤维增韧超高性能混凝土的力学性能

采用来自于废旧轮胎的两种再生钢纤维制备含粗骨料的超高性能混凝土,并测定其抗压强度、劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量等力学性能,空白组及普通钢纤维增韧超高性能混凝土作对比性能试验。结果显示,未附着橡胶颗粒的再生钢纤维使超高性能混凝土的抗压强度略微下降,降低幅度为3.91%,其余各类型钢纤维均有利于提高超高性能混凝土的力学性能;而附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了超高性能混凝土的断裂能,约为普通钢纤维增韧超高性能混凝土的4倍。此外,再生钢纤维对超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量的提高效果均优于普通钢纤维。再生钢纤维,尤其是附着橡胶颗粒的再生钢纤维,可以作为一种增韧材料替代普通钢纤维应用到超高性能混凝土工程结构中。      

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。      

Static and dynamic compressive properties of ultra-high performance concrete (UHPC) with hybrid steel fiber reinforcements

Ultra-high performance concrete (UHPC) is promising in construction of concrete structures that suffer impact and explosive loads. In order to make UHPC structures more ductile and cost-effective, hybrid fiber reinforcements are often incorporated. In this study, a reference UHPC mixture with no fiber reinforcement and five mixtures with a single type of fiber reinforcement or hybrid fiber reinforcements of 6 and 13 mm in length at a total dosage of 2%, by the volume of concrete, were prepared. Quasi-static compressive and flexural properties of those mixtures were investigated. Split Hopkinson press bar (SHPB) testing was adopted to evaluate their dynamic compressive properties under three impact velocities. Test results indicated that UHPC with 1.5% long fiber reinforcements and 0.5% short fiber reinforcements demonstrated the best static and dynamic mechanical properties. The static compressive and flexural strengths of UHPC with 2% long fiber reinforcements were greater than those with 2% short fiber reinforcements, whereas comparable dynamic compressive properties were observed. Strain rate effect was observed for the dynamic compressive properties, including peak stress, dynamic increase factor, and absorbed energy. The reinforcing mechanisms of hybrid fiber reinforcements in UHPC were eventually discussed.     

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。     

钢纤维-橡胶/混凝土单轴受压全曲线试验及本构模型

将钢纤维(SF)掺入橡胶混凝土中,能够改善由于橡胶颗粒掺入导致的强度降低,并进一步增加延性。为研究SF-橡胶/混凝土的抗压性能,配制得到SF体积分数分别为0vol%、0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%及橡胶颗粒等体积替换砂率为0%、10%和20%的10组SF-橡胶/混凝土试件,并进行单轴受压全曲线试验。结果表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可改善混凝土的抗压性能,试件破坏呈明显延性特征。随SF掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件的抗压强度及弹性模量均明显增大,其相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性也相应增加;随橡胶颗粒掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性增加,而抗压强度及弹性模量有所减小。在已有研究基础上,通过曲线拟合试验数据,提出适用于SF-橡胶/混凝土的单轴受压应力-应变全曲线数学表达式,模型与试验结果吻合较好,为此类混凝土的结构分析设计提供了理论基础。      

聚丙烯-钢纤维/混凝土柱大偏心受压承载力计算

对270个聚丙烯纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.1vol%、0.2vol%、0.3vol%、0.4vol%、0.5vol%、钢纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%的聚丙烯-钢纤维/混凝土试块进行立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验,基于复合材料力学理论,考虑纤维的取向系数、长度有效系数和界面黏结系数,对其建立强度预测模型并进行机制分析,同时选取掺量分别为0vol%、0.1vol%、0.3vol%的聚丙烯纤维、掺量分别为0vol%、1.5vol%的钢纤维制作6根聚丙烯-钢纤维/混凝土柱,对其进行大偏心受压试验,在强度预测模型的基础上进行承载力计算,提出聚丙烯-钢纤维/混凝土承载力计算方法。结果表明:钢纤维对聚丙烯-钢纤维/混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有提高;聚丙烯纤维可提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的劈裂抗拉强度,但不能提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的抗压强度;聚丙烯-钢混杂纤维加入混凝土柱可有效提高其极限承载力。      

含粗骨料超高性能混凝土力学性能研究及机理分析

为探索含粗骨料超高性能混凝土的各项力学性能,研究了粗骨料体积掺量(0kg/m~3、280kg/m~3、400kg/m~3、480kg/m~3、560kg/m~3)、纤维掺量(2%、2.5%)以及纤维形态(平直型、端钩型)对超高性能混凝土抗压强度、弹性模量以及四点弯曲强度的影响,并引入纤维取向系数和纤维有效长度,探索粗骨料掺量对弯曲强度影响的微观机理。结果表明,粗骨料体积掺量对含粗骨料超高性能混凝土抗压强度的影响不大(0.4%~4.5%);对弹性模量的提高效果显著,最高可提高7.8%;对抗弯强度具有不利影响,并且随着粗骨料掺量增大,纤维取向系数下降,纤维有效长度减小,负面影响扩大。当粗骨料体积掺量为560kg/m~3时,弯曲强度下降了21.2%。增加纤维掺量或者掺入端钩型纤维可提高弯曲强度,掺入端钩型钢纤维可显著增大纤维有效长度,从而大幅度提高弯曲强度。     

钢纤维对掺花岗岩石粉UHPC的增强增韧:磷酸锌改性和纤维形状的影响及机理

采用自制的单根钢纤维拉拔试验装置等,通过拉拔试验和SEM-EDS等试验,开展钢纤维的磷酸锌(ZnPh)改性及其形状对在蒸压养护条件下的掺花岗岩石粉超高性能混凝土(UHPC)增强增韧影响机理的研究。所研究钢纤维形状包括:镀铜平直型S、镀铜单折线端钩型G1、镀铜双折线端钩型G2和镀铜波浪型L。研究表明,钢纤维的机械咬合力起主导作用,钢纤维平均粘结强度与拔出功大小顺序均为:G1G2LS。ZnPh改性后,钢纤维表面变粗糙,这增强了钢纤维与UHPC基体间的化学粘结力和静摩擦力,从而提高了钢纤维在UHPC中的平均粘结强度和拔出功。在UHPC韧性的提高方面,采用ZnPh改性,对S钢纤维最明显,而对异型钢纤维(G1、G2和L)则不明显。