基于细观力学全级配混凝土梁弯拉试验的数值模拟

在细观层次上将全级配混凝土梁的跨中区域看作是由硬化水泥砂浆,粗骨料及两者间的粘结带构成的三相复合材料,采用位移控制的加载有限元程序对全级配混凝土梁的弯拉实验进行了数值模拟。数值试验结果表明:(1)对于同样尺寸的试件来说,三级配和四级配梁计算所得的极限荷载和抗弯强度基本接近。(2)对于同样级配的试件来说,截面尺寸大的梁计算所得的极限荷载远高于较小尺寸的极限荷载。(3)其它参数一定的情况下,粘结带抗拉强度每提高12.5%,全级配混凝土梁的极限荷载和抗弯强度提高约10%。     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

预静载对细观混凝土动态力学特性的数值试验研究

预静载对混凝土的动压强度和动弯拉强度的影响完全不同.为了研究动压荷载作用下预静载对混凝土动态力学特性的影响,从数值试验出发,根据自行编制的混凝土随机骨料有限元模型,应用塑性损伤本构,不同的应变率下施加不同的初始预静载大小,分析动压荷载作用下,预静载对混凝土动压强度和破坏形态的影响.结果发现:不同的应变率下,预静载对混凝土动压强度的变化程度不同,但都会导致混凝土动压强度降低;预静载水平大小不同,混凝土的破坏形态也不尽相同.     

纤维与混凝土细观界面粘结行为研究进展

混凝土是工程中应用最广泛的建筑材料,但脆性大易开裂,而纤维混凝土(Fibre Reinforced Concrete, FRC)具有高强度、高韧性、高耐久性、抗疲劳性能良好等优点。纤维与混凝土细观界面是FRC极为重要的微结构,决定了FRC的宏观性能和损伤机理。本文综述了纤维与混凝土细观界面粘结性能的文献,分析了纤维(种类、形状、排列方式、直径、表面改性)、基体(组成、强度)、服役环境(龄期、加载速率、海水、高温)等对细观界面粘结性能的影响,介绍了纤维-基体细观界面粘结行为研究的物理实验和数值模拟方法,展望了FRC的纤维-基体细观界面性能领域未来的主要研究方向。     

自密实堆石混凝土力学性能的细观仿真与试验研究

本文基于混凝土细观力学模型,将自密实堆石混凝土离散为自密实混凝土、块石及两者交界面3个组分构成的多相介质,建立了数值仿真模型。通过三相介质力学参数的基础性试验,分别取得3个组分的强度与本构关系。为检验模型可靠性进行了多组四点弯梁抗折试验。将细观仿真分析结果与试验进行了验证比较。结果表明,该模型能较好地模拟自密实堆石混凝土抗折试验全过程,得到的力-位移曲线及破坏形态与试验结果表现出良好的一致性。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析,从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内;(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性,单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一;(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中,讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟,直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

基于细观力学模型的三级配混凝土立方体试件单轴损伤数值分析

为分析混凝土细观结构在单轴荷载作用下的损伤演化过程,研究混凝土单轴破坏的宏观力学性能,基于细观力学模型,采用Marazs损伤模型描述混凝土内部各相材料的本构关系,通过数值实验分析三级配混凝土立方体试件单轴破坏的宏观力学性能。数值实验结果表明：混凝土试件在单轴荷载作用下的损伤断裂是由于内部的初始损伤不断累积演变的结果,其数值实验的最终破坏形态与宏观层次上的破坏形态基本相似,粗骨料分布、粘结层厚度、粘结层和基体强度对混凝土宏观破坏具有一定的影响,说明该方法对混凝土细观结构破坏机制的分析合理、可靠。     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

基于细观尺度模型的碾压混凝土 重力坝力学分析研究

碾压混凝土具有不同于常态混凝土的材料力学特性,传统的宏观力学模型难以揭示其内部力学行为。文章利用细观力学、统计学和有限元理论等相关理论和方法,以辽宁猴山水库碾压混凝土重力坝为例,建立基于细观尺度的碾压混凝土大坝受力分析方法,并对大坝的层间结合面进行等效分析,认为层间结合面为大坝坝体的薄弱环节,而碾压混凝土层厚度的增大有利于水平切应力的增加,对保证大坝安全更为有利。     

基于颗粒流的水工混凝土材料宏观力学及细观破坏特征研究

为研究某水库混凝土材料宏、细观力学特征,采用PFC3D颗粒流模拟计算方法,开展了不同掺量的纤维体混凝土模型宏观力学与细观破坏特征分析。研究得到纤维体掺量不影响混凝土模型应力应变走向,且具有四阶段变化特征;当掺量低于1%时,混凝土强度随掺量为递增变化,反之,为递减变化,而峰值应变随掺量变化与强度变化呈相反。混凝土的变形破坏以剪切裂纹为主导,当掺量改变,不影响混凝土张拉裂纹数量,但剪切裂纹在掺量1%模型中为最低。混凝土的裂纹产生具有无序性,但以其中部为裂纹产生根源。混凝土破坏碎片的产生为递进性,即使在峰值应力后阶段,其仍具有承载能力;掺量1%模型破坏碎片尺寸为最小,抵抗裂纹碎片扩展能力最强,能够适配水库各类设施建设。     

基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展

系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。最后指出了以后有待进一步研究的问题。     

渠道衬砌混凝土细观力学分析

本文从损伤和断裂力学分析出了,得出了影响渠道混凝土衬砌的耐久性和裂缝产生的主要原因,是各种原材料结构在施工中所造成的孔洞、缺陷、微裂纹等原生损伤所致,根据我国国情,认为选择研制恰当的施工机械,严格控制质量,研究开发新的外加剂增大混凝土的和易性,在特定的原材料下找出最优配比,针对不同结构考虑复合材料的尺寸效应等是目前混凝土衬砌的关键所在。从而提出了从细观损伤力学出发,研究混凝土本身的结构及产生初始损伤的原因,促使渠道混凝土衬砌的研究有更大的突破。     

基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

为了提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放密实度,以适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定,提高了投放的效率和密实度;其次,在细观有限元剖分阶段,利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成,简化了预处理过程。此外,采用分级配随机投放的方式,可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明,该方法实现的二维骨料投放密实度可超过80%,三维可超过60%,为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。     

基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

为提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放含量,并适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观数值模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定,提高了投放的效率和骨料含量;其次,在细观有限元剖分阶段,利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成,简化了预处理过程。同时,采用分级配随机投放的方式,可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明,该方法实现的二维投放骨料含量可达到80％,三维可达到60％,为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。     

自密实堆石混凝土力学性能的细观仿真与试验研究

自密实堆石混凝土作为一种新型复合材料,具有高度的非均质特性。本文基于混凝土细观力学模型,将其离散为自密实混凝土、块石及两者交界面构成的多相介质,建立了研究自密实堆石混凝土力学性能的数值仿真模型。首先,设计并实现了一种确定三相介质力学参数的基础试验,分别取得三组分的强度与本构关系;然后,为检验模型可靠性进行了多组四点弯梁抗折试验;最后将细观仿真分析结果与试验进行了验证比较。结果表明,该模型能较好地模拟自密实堆石混凝土抗折试验的全过程,得到的力-位移曲线及破坏形态与试验结果表现出良好的一致性,为数值仿真预测自密实堆石混凝土力学性能奠定了理论基础。     

土的细观结构与力学性关系的研究进展

论述了土的细观结构与力学性关系研究的重要意义和国内外在这方面的研究成果,并探讨了土的细观结构今后的研究动向。     

基于内聚力模型的混凝土细观拉压统一数值模拟方法

将混凝土内聚力模型的适用范围从原来的细观受拉断裂模拟拓展到了细观受压断裂模拟,并实现了用统一的数值方法来模拟混凝土受压和受拉的细观损伤破坏行为。参考以往的试验研究以及结合内聚力模型的特点,定义了内聚力单元的混合断裂准则以及全局接触关系;建立了不同网格精度的对照模型,讨论了网格敏感性问题;模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩作用下的受力全过程,并对断裂能、界面强度、骨料形状和骨料材料类型进行了参数研究;从破坏形态和力学响应的角度探究了混凝土细观断裂和接触行为对整体力学性能的影响。结果表明:较受拉数值模拟,受压数值模拟结果的网格敏感性问题更突出,过粗的网格划分会限制模型的内力重分布;混凝土在单轴受拉时发生的是偏向于Ⅰ型断裂的混合型断裂,其中因Ⅰ型和Ⅱ型断裂能之差所致的混合型断裂能约占受拉总断裂能的一半;骨料颗粒的光滑程度越高,混凝土的单轴极限拉压强度也越高,但颗粒间的机械咬合作用越弱,导致抗压强度退化越快。     

基于实测徐变的水工混凝土细观力学参数反演

现有混凝土细观力学参数反演分析一般是基于实测轴向应变进行,而荷载作用下的混凝土试件存在明显的泊松效应,因此联合实测纵、横向应变优化反演的力学参数更能反映材料的真实性能。首先开展了不同加载龄期的水工混凝土单轴压缩徐变泊松比试验,然后基于加荷和持荷阶段的实测纵、横向应变,采用“正交设计-神经网络-细观有限元模型”相结合的方法,反演获得了骨料与砂浆的弹性力学参数;进而将混凝土实测徐变度作为砂浆徐变度的初始值,反演获得持荷阶段砂浆徐变度及徐变泊松比;最后对比分析了反演获得的砂浆徐变度和混凝土徐变度。结果表明：骨料、砂浆的力学参数与混凝土力学参数存在差异,基于实测应变反演获得的骨料、砂浆弹性泊松比在0.13～0.20之间,砂浆徐变泊松比为0.125;相同加载龄期下,砂浆的徐变特性与混凝土的徐变特性相似且砂浆的徐变度要大于混凝土的徐变度,反演获得的砂浆徐变度约为混凝土徐变度的2.5倍。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

基于数字图像处理的混凝土细观有限元建模

将混凝土看成由水泥砂浆、粗骨料及两者之间的界面组成的三相复合材料。采用MATLAB图像处理工具,选取窗口大小为5×5的像素矩阵对二值图像进行中值滤波处理,然后以结构元素形状为disk、结构半径为2的像素矩阵进行图像形态学处理,最后对图像进行边缘检测以提取二维混凝土骨料边界。基于8连通区域的图像轮廓跟踪算法,运用几何矢量转换技术得到混凝土细观结构图,并在有限元软件ANSYS中对细观数值模型进行了加载试验。结果表明,用该方法得到的细观数值模型与原图像吻合好,可真实地研究混凝土在宏、细观方面的力学性能。