基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究.同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义.将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件...     

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。     

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。     

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟EI北大核心CSCD

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。     

横向冲击作用下圆钢管混凝土构件挠度尺寸效应研究EI北大核心CSCD

由于圆钢管混凝土构件遭受横向冲击下的试验研究大多基于缩尺试验展开,冲击挠度相似律能否满足显得十分重要。基于相似准则,建立了钢管混凝土构件遭受横向冲击的相似模型,确定了各个参数间的放缩比例关系,同时利用LS-DYNA软件建立了钢管混凝土受横向冲击作用的有限元模型,在模型验证可行的基础上,对横向冲击下钢管混凝土构件挠度的尺寸效应进行了分析研究。结果表明:当构件未开裂时,挠度尺寸效应较小,误差在8%以内;当构件发生开裂或断裂时,挠度尺寸效应明显,误差可以达到15%以上。材料动态强度以及材料断裂应力都是不符合相似准则的因素,也是导致钢管混凝土构件冲击试验中挠度尺寸效应的重要原因。并提出了考虑尺寸效应的挠度修正系数,对于未断裂构件,通过小尺寸模型试验即可预测大尺寸原型试验中的挠度。     

钢筋混凝土梁动态剪切性能及尺寸效应细观研究EI北大核心CSCD

基于ABAQUS有限元数值计算平台,考虑混凝土材料的非均质性以及钢筋和混凝土的应变率效应,建立了钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁三维细观数值分析模型,探究了RC梁在不同应变率和配箍率条件下的剪切性能及其尺寸效应行为。结果表明:剪切承载力随着应变率和配箍率的增加均有不同程度的提高;名义抗剪强度随梁高的增大而减小,存在显著的尺寸效应现象;应变率和配箍率的增大一方面可以提高RC梁的名义抗剪强度,另一方面会削弱名义抗剪强度的尺寸效应行为;提出的RC梁静/动态剪切统一尺寸效应律同时考虑了尺寸效应、应变率效应和配箍率的影响,能够较好地预测RC梁在静态和动态作用下的名义抗剪强度,具有一定的准确性和合理性。     

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。     

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。     

基于混凝土细观模型的高压状态方程数值模拟研究

基于混凝土两相介质细观模型和Kong-Fang材料模型,将混凝土看作骨料和水泥石两相介质,通过数值模拟得到混凝土的高压状态方程(equation of state,EoS).骨料和水泥石均采用Kong-Fang材料模型描述,其中破坏面参数自动生成,高压状态方程分别采用分段线性拟合平板撞击实验数据和改进的混合法则得到.该...     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

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。     

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。     

锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

刚性弹体对素混凝土厚靶侵彻响应的LDPM数值模拟研究EI北大核心CSCD

基于一种新的细观离散元模型Lattice Discrete Particle Model(LDPM),该研究建立了刚性弹侵彻素混凝土厚靶的数值仿真模型。对LDPM基本假设和细观模型构建简单介绍,结合三轴压缩响应曲线,对23 MPa强度素混凝土进行LDPM参数标定。通过对比弹体减速度和侵彻深度试验值,验证数值模型对于混凝土厚靶侵彻问题的适用性。LDPM模拟弹体恒定速度侵彻混凝土厚靶,获得侵彻行程中侵彻阻力变化曲线,结合Forrestal阻力公式得到靶体静态阻应力。仿真结果表明,尖卵形弹头不同CRH值以及侵彻速度对靶体静态阻应力基本没有影响;弹径为最大骨料直径3倍、6倍和8倍的弹体受到靶体静态阻应力分别为260 MPa、175 MPa和163 MPa。该结果对混凝土侵彻缩比实验研究具有重要的实际工程意义。     

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。     

水泥混凝土路面板早龄期徐变效应研究EI北大核心CSCD

基于微预应力-固结理论徐变模型,综合考虑材料、结构以及环境参数影响,建立三维路面板早龄期力学行为仿真程序,开展了路面板三维结构徐变效应研究。研究显示,徐变对路面板早龄期作用是一种松弛效应,显著降低了路面板早龄期翘曲和应力;徐变对路面板早龄期行为的影响量级与温度梯度、板边约束的影响相当;徐变效应受板边约束、温湿度梯度和整体温度条件显著影响,空间位置存在不均匀分布特性,徐变作用下应力最大松弛位置向受约束的板边中部靠近;路面板徐变松弛效应有显著经时特性,前7天徐变效应最为显著,60天后趋于稳定;面板温度梯度与整体温度提高,徐变松弛效应显著增加。理论比较显示,忽略温度对徐变的影响会低估高温、高估低温条件下的徐变效应,工程中可基于徐变效应设计降低路面板早龄期初始翘曲与初始应力。     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟EI北大核心CSCD

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

初始静载对不同剪跨比BFRP筋混凝土梁动态剪切性能的影响EI北大核心CSCD

为揭示初始静载对玄武岩纤维增强(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋混凝土(BFRP-RC)梁动态剪切性能的影响,建立了考虑混凝土非均质性、混凝土与BFRP筋间相互作用及各材料应变率效应的三维细观数值模型。在验证了该模拟方法合理性与准确性的基础上,分析了初始静载对不同剪跨比BFRP-RC梁破坏过程与失效机制的影响。研究结果表明:BFRP-RC梁的抗剪承载力及变形能力均随应变率增大而提高;应变率对梁抗剪承载力的增强作用随剪跨比增大而减弱;在峰值荷载前应变率突增,BFRP-RC梁的刚度增加,抗剪承载力提高;在峰后软化段应变率突增,BFRP-RC梁的峰后软化转变为峰后硬化,而后出现第二峰值荷载;BFRP筋混凝土梁的动态抗剪承载力均随初始静载增大而降低,但梁抗剪承载力的降低量是否与后续应变率有关取决于初始静载水平;在各应变率下,BFRP筋混凝土梁的变形能力及损伤程度均随初始静载的增大而减小,但增大后续应变率会削弱初始静载对梁动态性能的影响。     

基于VMD-KLD的桥梁挠度监测数据温度效应分离方法EI北大核心CSCD

传统经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)方法在处理桥梁挠度信号时存在模态混叠、分解误差累积等问题,致使分解结果尚不理想。为此,提出了一种结合变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和K-L散度(Kullback-Leibler divergence, KLD)的桥梁挠度监测数据温度效应分离方法。利用VMD分解桥梁挠度信号,获得若干个本征模态函数(intrinsic mode function, IMF);借助核密度估计求得各IMF分量的概率密度函数分布,进而得到各分量KLD值,剔除虚假IMF分量,选定最佳分量;运用Pearson相关系数对最佳分量进行效果评价;通过数值仿真算例与实桥监测数据,验证了该方法的有效性。结果表明:该方法融合了VMD自适应、抗噪能力强和KLD快速选取最优信号的优势,克服了传统EMD模态混叠等缺陷,减少了虚假分量的干扰,将两者结合使得分解及筛选特征信号分量高效可靠,温度效应分离效果良好;仿真信号经VMD-KLD分析得到日、年温差效应及长期挠度相关系数分别为0.994 6、0.983 7和0.970 4,实测信号得到的日、年温差效应相关系数分别为0.908 1、0.936 4;同EMD-KLD相比,VMD-KLD分离出的各挠度成分相关系数更接近于1,仿真信号分析中日、年温差效应及长期挠度分别提升了4.43%、10.84%和8.81%,实测信号分析中日、年温差效应分别提升了12.35%、5.57%。该方法可为桥梁挠度监测数据温度效应在线分离提供一种新的思路。     

PELE弹丸靶后破片尺寸分布研究EI北大核心CSCD

横向效应增强型弹丸(PELE)靶后毁伤效果与穿靶后形成的破片数量及大小密切相关。依据Mott-Grady破碎理论和PELE弹丸壳体膨胀过程假设,提出了弹丸壳体破片尺寸分布范围的理论分析方法,并通过实验回收弹体破片尺寸的统计分析,验证了理论分析方法的合理性。理论与实验研究表明,PELE弹丸壳体破片尺寸分布与壳体材料密度、破碎耗能、临界破碎应变、应变率等因素相关;破片的环向宽度和数量受内芯材料的影响较大,存在随着内芯材料的密度和弹性模量的增加前端破片环向宽度减小,数量增多,径向飞散速度变大的规律;但从实验结果看,外壳破片轴向长度则受内芯材料的影响较小,主要与弹靶碰撞速度相关。