基于混凝土细观骨料模型的SHPB仿真模拟研究

将混凝土视为由粗骨料和砂浆基体组成的双相复合材料,建立了圆柱状三维混凝土细观骨料模型,并将其应用于分离式Hopkinson压杆仿真实验中。通过五种不同梯形载荷的加载计算,得到了试件不同应变率下的应力—应变曲线,并将模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,使用细观骨料模型可以有效模拟混凝土SHPB实验并反映材料的动态力学性能,而且其宏观破坏形式也与传统的均匀材料模型有所不同,所建立的模型同时为多种非均匀材料的细观数值模拟提供了方便。最后通过几种不同骨料含量和骨料尺寸混凝土模型的计算研究了这两种因素对混凝土动态强度和应力均匀性的影响。     

混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置,研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压,利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载,测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明,围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。     

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。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响的细观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1)混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2)随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3)混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4)随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律,利用Ø50mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对45#钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中,岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强,试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1.2倍,破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍,且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势,试件破坏为压剪破坏模式,与无围压SHPB试验有所不同。     

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。     

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。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究EI北大核心CSCD

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,对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明:与常态混凝土类似,动态荷载(ε^(·)>30 s^(-1))下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反,即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强;动态尺寸效应与应变率呈现相关性,应变率越高,动态尺寸效应越显著,这与碾压混凝土SHPB(the split Hopkinson pressure bar)试验结果相验证;当应变率ε^(·)=1~30 s^(-1)时,尺寸效应并不显著,不同尺寸试件的抗压强度相差不大;准静态荷载ε^(·)=1×10^(-5) s^(-1)下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后,基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。     

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。     

高温下混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和高温炉进行了高温下普通混凝土的抗冲击性能试验研究,通过比较实测动态强度和应力-应变曲线,揭示了温度和应变率对高温下混凝土动态力学性能的影响规律.试验结果表明:除200℃~300℃范围外,高温下混凝土具有显著的应变率效应,且温度越高动态应变率效应越显著;温度和应变率对混凝土归一化应力-应变关系曲线上升段的形状影响很小,可采用统一的函数形式.200℃~300℃低温区混凝土不仅无明显动态效应,且存在静力强度衰减现象,此特性需引起注意并有待进一步研究.     

脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应分析

在实际的结构应用中,混凝土类材料一般处于复杂工作应力状态,且可能承受动态荷载的作用。据此,本文采用Instron3421液压伺服试验机和具有主动围压加压装置的SHPB研究了混凝土材料-砂浆宽应变率范围多轴应力下的动态力学行为;基于Johnson-Cook强度模型框架,确定了等效强度模型的率相关参数及其他材料常数;提出了适用于描述主动围压下砂浆受冲击荷载的损伤演化规律,并确定了损伤演化常数,实验数据与理论值吻合较好     

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。     

三轴受压粉煤灰陶粒轻骨料混凝土力学性能试验

以粉煤灰陶粒轻骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压为变化参数,共设计120个粉煤灰陶粒轻骨料混凝土试件进行常规三轴受压试验,研究其在三轴应力状态下的力学性能。试验观察了轻骨料混凝土的破坏过程及破坏形态,获取了三轴受力状态下的应力-应变全过程曲线,分析了各变化参数对其三轴受压力学性能的影响规律。研究结果表明：随着围压值的增大,试件破坏由竖向劈裂破坏变为斜向剪切破坏,当围压值大于12 MPa时,试件则表现为外表无明显裂缝的鼓起破坏;应力-应变曲线受围压值影响较大,受骨料浸泡时间和强度等级的影响较小,围压值大于12 MPa后,曲线不再出现下降段;峰值应力随骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压的增大而增大;峰值应变受陶粒浸泡时间的影响不大,随强度等级的增大而减小,随围压值的增大而增大;弹性模量随强度等级和围压值的增大而增大,受骨料浸泡时间的影响不显著。     

CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能尺寸效应的细观分析

为研究CFRP加固钢筋混凝土方柱在地震作用下的破坏模式,该文考虑混凝土材料的非均质性、钢筋-混凝土间的粘结滑移作用,建立了CFRP加固钢筋混凝土方柱三维细观数值模型。在验证数值模型与试验结果吻合良好的基础上,扩展工况探讨了轴压比、CFRP体积配置率对CFRP加固钢筋混凝土方柱抗震性能及名义抗剪强度尺寸效应的影响。结果表明:一定轴压比范围内柱的承载力随轴压比增大而提高,但其延性会降低;该文工况中,CFRP加固钢筋混凝土柱的名义抗剪强度随试件尺寸增大呈降低趋势,存在着明显尺寸效应行为;在经典材料层次尺寸效应律基础上,提出了CFRP加固混凝土方柱名义抗剪强度尺寸效应理论公式(适用范围轴压比小于0.4),模拟结果证实了公式的合理性。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能.结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36％～213.85％;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2 kg/m3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11％.     

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

高温下钢管混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和特制高温试验炉进行了高温下钢管混凝土的抗冲击性能试验研究,通过测试高温下钢管混凝土的动态强度和应力-应变曲线,揭示温度和冲击速度(应变率)对高温下钢管混凝土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,高温下钢管混凝土仍具有良好的抗冲击性能、延性和耗能能力。在该文试验参数范围内,温度作用相比冲击速度的影响更加显著。高温下钢管混凝土动态强度受试件尺寸影响显著,后续研究工作应关注钢管混凝土动态冲击荷载作用下的尺寸效应研究。