混凝土损伤演化的随机力学参数细观数值影响分析

在提出一种交叠骨料微步长迭代自动调整算法的基础上,采用任意凹凸型骨料配置算法建立混凝土细观数值试件。基于细观单元的弹性损伤本构关系,采用位移控制模式,着重针对两类常用的力学参数随机分布——Weibull及对数正态分布,进行了不同力学参数的常规混凝土拉压数值模型破坏试验,分析了主要力学参数的随机分布对混凝土试件宏观表征力学性质的影响。该研究可为混凝土细观数值模型中力学参数的合理确定提供依据。     

混凝土压缩断裂过程及尺寸效应的数值模拟

将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法生成混凝土随机骨料模型。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单元的损伤退化。利用非线性有限元方法对湿筛、三级配、四级配混凝土试件的单轴受压破坏过程进行了数值分析,从而对试件的抗压强度进行了尺寸效应分析。研究结果表明,数值模拟所得的结果与试验结果表现出较好的一致性,混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上,裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟

在细观力学基础上将损伤力学和计算力学相结合来分析混凝土试件的变形、损伤和破坏过程。把混凝土简化成由骨料、砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,在已建立的混凝土骨料随机分布三维模型基础上用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分,基于弹性损伤本构关系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,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算。进而通过损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行研究。     

基于细观物理机制的混凝土损伤数值仿真

首先利用数字图像处理技术生成能反映混凝土真实结构的数值试件,然后从细观角度将混凝土分为三相:骨料、硬化水泥浆体及其界面.根据界面区的细/亚细观物理结构,提出了一类界面过渡区简化模型.对其余两相材料,分别建立了不同的细观单元本构关系及损伤破坏准则.由此,建立了基于细观物理机制的混凝土损伤数值仿真模型.数值仿真结果与真实试验结果比较表明,该方法可以成为一种较可靠的细观损伤数值仿真途径.     

基于细观层次橡胶混凝土单轴受压力学分析

基于随机骨料模型,从细观上对处于轴向荷载作用下的橡胶混凝土进行了二维及三维细观力学分析.利用瓦拉文公式和富勒公式分别计算出二维及三维情况下的橡胶混凝土细观骨料数,把橡胶混凝土各相分别划分为二维四节点四边形单元和三维四面体单元,分别给细观各相赋予相应的材料属性并建立有限元计算模型.计算结果表明:在二维情况下,该模型的计算速度快,得出的应力、应变与试验吻合较好,而三维计算模型模拟的破坏形态与试验结果比较一致.     

基于真实骨料形状库的混凝土细观数值模型

针对混凝土细观数值模型生成的骨料形状与真实骨料形状不一致及难以进行凹凸型骨料的侵入判断等问题,提出了一种基于真实骨料形状库的骨料数值生成方法。采用双判据准则直接对凹凸型骨料进行侵入判断,并提出一种两阶段细观有限元方法对混凝土试件进行网格剖分;采用VC++开发的混凝土力学性能细观数值模拟前处理软件对该方法进行了验证。结果表明:这种改进的骨料数值生成方法使细观数值模型更加接近实际混凝土试件,消除了外包络辅助几何体增加骨料占用面积对骨料填充率的影响,同时能够尽可能地用矩形单元对混凝土细观数值模型中的各相材料分别进行网格剖分。     

基于统计损伤理论的混凝土应力应变行为

基于统计损伤理论,从有效应力的角度阐述了混凝土损伤演化累积诱致灾变的整个过程,分析了细观损伤机制与宏观力学行为之间的内在联系;建立了考虑强度等级影响的混凝土单轴拉伸、压缩统计损伤模型,该模型考虑断裂和屈服2种细观损伤模式,分别与微结构的"劣化"和"强化"机制相对应;同时区分峰值名义应力状态和临界状态,并将临界状态作为损伤局部化的前兆.结果 表明:所建立的模型能够预测不同强度等级(C20～C80)混凝土的单轴拉伸、压缩宏观应力-应变行为,并能够反映强度等级对混凝土细观损伤演化过程的影响规律;随着强度等级的提高,表征细观断裂和屈服损伤演化过程的特征参数展现出明显规律性的变化趋势;细观损伤机制最终决定了混凝土宏观非线性的应力-应变行为,屈服损伤模式在整个过程中起决定性作用.     

基于基面力元法的再生混凝土细观损伤研究

根据再生混凝土的细观结构特点,建立三维球形随机骨料模型;基于M-H细观结构模型,识别再生粗骨料单元、老砂浆单元、新砂浆单元、老黏结带单元、新黏结带单元,并赋予相应的力学参数。基于连续介质学理论及"基面力元法",推导空间八节点正六面体单元刚度矩阵及单元应变显式表达式,建立三维基面力元数值模型。运用自编的再生混凝土损伤问题的三维基面力元程序,通过位移加载,模拟再生混凝土的单轴压缩试验。结果表明:三维球形随机骨料模型能够较好反应再生混凝土的细观结构特征;荷载作用下,内部微裂纹首先出现在老黏结带及新黏结带,最终绕过骨料贯通;基于"基面力元法"的单元刚度矩阵及单元应变具有精确的表达式,计算速度快且能够有效避免数值积分带来的精度损失,可以用于研究非均质材料的断裂机理及细观损伤分析。     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

@编辑部

<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏从非连续介质力学角度出发,提出了一种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

Experimental research on whole stress-strain curves of coralaggregate seawater concrete under uniaxial compression

采用等应力循环加卸载法和等应变单调加载法，对棱柱体试件进行单轴受压试验获得全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线，并对两种加载方法进行对比分析。试验结果表明：全珊瑚海水混凝土裂纹贯穿珊瑚骨料继续发展，单轴受压试件的破坏为脆性破坏，典型破坏状态主要为劈裂破坏，其主斜裂缝的倾角 θ 在65°~70°之间；残余应力与峰值应力的比值在0.292~0.525之间，说明全珊瑚海水混凝土破坏后仍具有较高的残余强度，破坏后强度逐步降低，具有一定的延性；不同强度等级全珊瑚海水混凝土的应力-应变全曲线的上升段趋势基本相似，但是随着强度等级提高，下降段的下降趋势越陡，破坏程度越剧烈；在相同强度等级下，全珊瑚海水混凝土比普通混凝土和轻集料混凝土的脆性更强。      

混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

再生混凝土基本力学性能研究(Ⅰ)——单轴受压性能

对再生混凝土的单轴受压性能进行了系统的试验研究及分析,主要包括再生混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的关系、圆柱体抗压强度与立方体抗压强度的关系、应力-应变全曲线、峰值应变、极限应变、弹性模量以及泊松比等.结果表明,再生混凝土的极限应变和泊松比与普通混凝土相比差别不大,但其他性能与普通混凝土相比存在较大差异,主要表现为峰值应变增加、弹性模量降低和脆性增加.进一步探讨了普通混凝土各基本力学性能指标间的关系对再生混凝土的适用性,提出了再生混凝土各性能指标的关系式.     

再生骨料混凝土破坏机理与改性研究综述

针对再生骨料混凝土破坏机理与破坏性能改性研究做了系统性的归纳和总结。提出了再生骨料混凝土的研究背景、思路、目标、内容和技术路线的改性研究体系。根据再生骨料混凝土受拉破坏和受压破坏的破坏形态和断面特征总结了其破坏的一般规律,依据破坏机理得到再生骨料混凝土力学性能提高的改性研究思路,并提出了相应的改性方法。介绍了再生骨料的强化技术,如纳米材料、纤维材料和矿物添加剂改性再生骨料混凝土的研究,归纳了再生骨料混凝土需进一步解决的问题,即再生骨料加工机制的形成、数值模拟技术的发展、应用体系的形成和有效监测机制的建立。结果表明:界面过渡区是再生骨料混凝土的最薄弱区域,改善再生骨料混凝土的破坏性能最为关键的是强化界面过渡区;相关结论可为改善再生骨料混凝土破坏性能和推广其在工程中的应用提供支持。     

基于CT图像的细观混凝土孔隙缺陷研究

将混凝土看作由骨料、砂浆、界面和孔隙缺陷组成的细观非均质材料,借助计算机断层扫描(CT)技术,建立了考虑孔隙缺陷相的细观混凝土模型,对有、无孔隙缺陷情况下混凝土的受拉破坏过程及应力集中的大小与分布进行了对比分析,研究了孔隙缺陷的面积统计分布规律.结果表明:孔隙缺陷的存在会增强混凝土材料的整体非均质性和拉应力分布的非均匀性,导致明显的应力集中;孔隙缺陷面积的分布规律基本符合Lognormal概率分布规律.     

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.     

全级配混凝土二维细观模型的自动生成

将COMSOL软件与MATLAB软件有机结合,提出基于数值图像处理技术和骨料嵌入判别准则的混凝土细观数字模拟方法,实现了全级配混凝土二维细观几何模型和有限元模型的自动生成.骨料的生成主要依据混凝土级配中的骨料粒径分布,骨料的投放以骨料颗粒不相互嵌入为原则.为了验证该方法的有效性,采用4种形状的粗骨料试件进行模拟.结果表明:对于骨料含量高的全级配混凝土细观模拟试件,无论是骨料投放还是有限元网格自动剖分,此方法均可获得较高效率.     

混凝土中氯盐传输的三维细观模型

为研究真实混凝土中氯盐的传输过程,采用X-ray CT测试技术,原位重构了混凝土三维骨料分布与孔隙结构,建立了混凝土的三维细观数值模型;考虑界面过渡区(ITZ),并基于Fick第二定律,研究了氯离子在混凝土中的三维传输规律,同时通过电子探针技术验证了模型的准确性.研究表明:骨料表面的凸起及凹陷处对氯离子等值线的疏密、形状及扩散方向均有很大影响;不规则骨料增加了流线迂曲度,而ITZ的存在导致骨料周围形成快速传导路径,加快了氯离子的扩散速率.