预静载作用下混凝土梁的动弯拉强度

动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。有关试验发现一定预静载水平对混凝土动弯拉强度有强化作用，因此，对这一试验现象的探究具有工程应用价值。本文基于混凝土细观力学方法，对湿筛和全级配混凝土梁进行三分点冲击弯拉数值模拟，试图在不同随机骨料模型和不同静预载作用下寻求混凝土梁动弯拉强度的变化规律。计算结果显示，不同细观骨料模型具有相似的规律，即随预静载增大，混凝土动弯拉强度上升，至一定峰值后回归到静载强度。取跨中不同细观区域宽度和具有不同变异性的细观界面单元材料参数，对梁进行三分点弯拉数值模拟发现，动弯拉强度受混凝土细观结构不均匀性的影响，不均匀性越强动载增强系数越大。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态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.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

应变率效应对混凝土动弯拉强度的影响

本文基于混凝土材料的应变率效应及有关试验资料,给出了混凝土材料强度和弹性模量强化曲线,根据该关系曲线并考虑初始静预载的情况,建立了混凝土梁动弯加载过程的有限元数值模型。利用该数值模型模拟了不同加载速率和具有不同初始预静载时梁在冲击荷载作用下动弯拉破坏过程,分析了混凝土强度和弹性模量的应变率敏感性对不同初始预静载水平下的混凝土梁动弯拉强度的影响,初步揭示出动载强度随着应变率变化的规律。研究表明,在复杂加载情况下,动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。     

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%。     

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。     

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。     

动态荷载作用下细观混凝土的尺寸效应研究

混凝土材料的尺寸效应问题是很复杂的但同时又非常重要。为了研究动态荷载作用下混凝土的尺寸效应,从数值试验出发,根据自行编制的程序,生成随机骨料模型,应用塑性损伤本构,数值计算了不同尺寸下混凝土的动态破坏强度。结果发现:在相同的加载速率下,随着试件尺寸的增大,材料的强度在增大,破坏位移也在增大;混凝土的动强度随应变率的增加而提高,当随着试件尺寸的增大时,其动强度的增大幅度更为明显。     

原材料参数对喷射纤维混凝土弯拉韧度的影响

结合水电工程实际.开展了纤维喷射混凝土的室内、现场试验,对不同纤维种类、骨料品种、水泥品种、施工工艺以及掺高效减水剂后对纤维喷射混凝土弯拉韧度的影响进行了试验研究.试验研究结果表明:对有弯曲强度和韧性要求的喷射混凝土,建议采用钢纤维喷射混凝土.     

混凝土材料的非线性单轴动态强度准则

本文在混凝土材料单轴动态强度试验研究成果的基础上,提出了混凝土材料强度增长幅值的动力增长因数与对数应变速率之间关系的微分方程,进而建立了混凝土材料的非线性单轴动态强度准则,即J准则。在此基础上,通过引入强度增长幅值的最大动力增长因数,将J准则改进为能描述混凝土材料动态峰值强度特性的S准则。利用国际上已取得的混凝土材料单轴动态强度试验结果对J准则和S准则进行了验证,并与双线性动态强度准则比较,表明J准则与S准则都可较好地描述混凝土材料的非线性动态强度特性,J准则和S准则材料参数少,具有统一的表达式,强度曲线连续光滑,且S准则可反映混凝土材料单轴动态极限强度。     

混凝土材料的非线性单轴动态强度准则

在混凝土材料单轴动态强度试验研究成果的基础上,提出了混凝土材料强度增长幅值的动力增长因数与对数应变速率之间关系的微分方程,进而建立了混凝土材料的非线性单轴动态强度准则,即J准则。在此基础上,通过引入强度增长幅值的最大动力增长因数,将J准则改进为能描述混凝土材料动态峰值强度特性的S准则。利用国际上已取得的混凝土材料单轴动态强度试验结果对J准则和S准则进行了验证,并与双线性动态强度准则比较,表明J准则与S准则都可较好地描述混凝土材料的非线性动态强度特性,J准则和S准则材料参数少,具有统一的表达式,强度曲线连续光滑,且S准则可反映混凝土材料单轴动态极限强度。     

混凝土动态双轴强度探讨

本文根据单轴和等压双轴的动态强度的特性,提出用一抛物线方程和双曲线方程来模拟拉-压区和压-压区的强度变化规律,方程的参数是单轴动态强度的函数.在拉-压区和压-压区分别推导出混凝土的动态强度.建立了完整的混凝土静、动态双轴强度包络线.为了得到一致的动态强度准则,建立了统一静态应变率下的混凝土动态单轴抗压强度和动态单轴抗拉强度与应变率的关系式,并根据已有的试验结果,建立了类似的等压双轴动态强度变化关系式,以用于双轴动态强度预测.根据本文方法得到的包络线在拉-压区和压-压区连续光滑,预测的动态双轴强度与已有的试验结果吻合较好,可作为工程实际应用的参考值.     

基于Ottosen模型的混凝土多轴动态强度准则

由于混凝土材料的率敏感特性,不同应变率水平下混凝土结构的承载力、刚度具有不同的变化机理。在地震作用下,除了考虑混凝土结构承受的复杂应力之外,应变率也是分析混凝土动态强度变化规律不可忽略的因素,若依然使用单轴拉、压、剪强度理论对工程进行设计和计算,可能会对大型结构的建设和使用带来危险。基于Ottosen静态强度准则模型,结合大量不同强度等级混凝土多轴静、动强度试验结果,建立了一种考虑应变率效应和混凝土强度等级两个因素的混凝土多轴动态强度准则。分析表明该强度准则符合混凝土破坏曲面连续、光滑、外凸等要求,能较好地反映普通混凝土的多轴动态强度变化规律,而且只需要通过几个特征点就能得到,形式简单,便于实际工程应用。     

带初始损伤混凝土的动态抗压性能研究

对65个直径为68 mm的混凝土圆柱体试件进行试验分析,系统研究了不同初始损伤程度的混凝土试件在冲击荷载作用下的动态抗压特性。通过对混凝土试件预加不同的静态荷载,从而在试件内产生不同程度的初始损伤;利用SHPB设备进行不同速率下的冲击试验,研究初始损伤程度对混凝土动态抗压强度、应力应变关系以及破坏模式的影响。试验结果表明,初始损伤对混凝土动态抗压强度产生重要影响,其影响程度与混凝土试件的初始损伤程度密切相关,损伤程度在阈值以下时对混凝土的动态抗压强度影响较小,超过阈值时影响显著;随应变率增加,带损伤混凝土的动态抗压强度显著提高;含水率的增加降低了带初始损伤混凝土动态抗压性能。基于试验结果,提出了综合考虑初始损伤程度影响和应变速率效应的抗压强度预测模型。     

基于微观结构特征的混凝土动态抗拉强度提高机理及其统一模型

通过总结和分析混凝土材料静动态强度及其微观结构特征的主要研究成果,从微观角度研究了混凝土动态抗拉强度提高机理。研究表明,基于微观结构特征研究混凝土动态抗拉强度提高机理是可行的,并建立了能够解释水灰比、养护条件、龄期、含水量以及不同加载速率等因素影响混凝土动态抗拉强度微观结构机理的统一模型。模型使混凝土动态抗拉强度形成得到了统一,即由固体材料效应、自由水效应以及惯性效应三部分组成,各部分在不同应变率阶段影响程度不同。     

混凝土动态损伤的滞后特性

混凝土材料在动载作用下存在应变率敏感效应,其产生机理尚待深入研究。本文总结了混凝土材料动态力学性能的基本规律,并基于混凝土在损伤过程中声发射凯塞效应的观测及相关研究成果,分析研究了惯性效应、预静载和水的黏性等因素对动载作用下混凝土材料的损伤滞后特性的影响,提出了在动载作用下混凝土材料变形滞后所产生的损伤滞后最终表现为应变率强化效应的观点。同时,通过全级配混凝土试件的弯折数值模拟计算,并基于动载作用下的变形滞后的观点,讨论了所引入率效应强化参数的物理意义。