骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

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。     

端部摩擦约束对混凝土单轴动态压缩强度影响分析

混凝土宏观力学行为与其微/细观结构密切关联,考虑内部结构非均质性的影响,假定混凝土是由骨料、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,建立了考虑端部摩擦约束的混凝土细观力学模型。以单轴压缩情况为例,针对不同的端部约束条件,模拟了中低应变率水平下混凝土的动态压缩行为,分析了端部摩擦约束对混凝土动态压缩力学特性尤其是动态强度的影响机理。数值结果表明:1相同加载速率下,混凝土动态压缩强度随端部摩擦因数的增大先增大,后逐渐趋于平稳;2端部摩擦约束效应改变了混凝土的单轴受力状态及损伤分布,对混凝土单轴压缩强度的提高有明显的贡献;3端部摩擦约束条件相同时,摩擦贡献因子随应变率的增大呈减小趋势,且端部摩擦因数越大,减小的趋势越明显。     

再生砖骨料混凝土力学性能及破坏机理研究

以8种设计配合比的再生砖骨料次轻混凝土为研究对象,以水灰比、最大骨料尺寸和粗骨料种类为试验参数,开展了混凝土干密度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验研究,重点分析了骨料界面特征与再生砖骨料混凝土的破坏机理.结果表明:使用再生粘土砖骨料制备的次轻混凝土28 d抗压强度可达36 MPa,干密度不大于2200 kg/m3,能够减轻自重8％～16％;随着水灰比和取代率的降低,混凝土抗压和劈裂抗拉强度均呈显著增加的趋势;最大骨料尺寸对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响较小;拟合所得混凝土干密度与力学性能换算公式的相关性较好;砖骨料-砂浆界面过渡区微观结构较为密实,混凝土界面性能得到增强;界面过渡区性能和砖骨料强度是影响再生砖骨料混凝土力学性能的两个关键因素,且砖骨料强度是其中最主要的因素.综合考虑,使用再生粘土砖骨料制备次轻混凝土具有良好的经济性和广阔的工程应用前景.     

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。     

考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟

为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

纤维增强混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型

纤维增强混凝土材料属于多相非均质复合材料,其宏观耐久性能由微观和细观的组分占比和夹杂关系共同决定。为考虑纤维增强混凝土材料不同尺度下的非均质性对整体氯离子扩散系数的影响,本文基于从微观到宏观的多尺度方法选取了不同层级代表单元,建立了纤维增强混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。模型在充分考虑微观水泥水化过程和阈值效应的基础上,分析了细观尺度下纤维、骨料及其与水泥浆体的结合界面对混凝土宏观扩散性能的共同影响,并探究了纤维尺寸、纤维-浆体界面过渡区厚度等因素与扩散系数之间的影响关系,且通过第三方试验对模型的可靠性进行了验证。参数化分析的结果表明,当水灰比大于一定限值(约为0.45),水泥浆体的氯离子扩散系数与水灰比呈指数增长,而在细观层级上,纤维-浆体界面过渡区是影响混凝土整体扩散性能的主要因素：纤维掺量的增加和纤维直径的减小都会增大界面过渡区的体积,而较高的纤维过渡区体积占比和纤维界面扩散系数都会增大纤维增强混凝土的宏观氯离子扩散系数。结果还表明混凝土扩散系数与纤维掺量之间并无直接关系,而需要综合考虑纤维直径、界面过渡区厚度等各种因素的影响。本文所提模型能够有效预测纤维增强混凝土的扩散系数...     

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。     

基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟

开发MATLAB 和ABAQUS Python脚本程序,建立含随机三维多面体骨料的混凝土细观有限元模型。通过自编高效C++程序插设三维零厚度的粘结界面单元,以模拟复杂三维离散多裂缝的起裂与扩展。对典型混凝土试件单轴拉伸断裂的模拟,分析粘性界面单元的主要材料参数(抗拉强度与断裂能)对应力-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征的影响。结果表明:宏观应力-位移曲线主要受砂浆、界面粘性裂缝单元的抗拉强度、断裂能绝对数值的影响;裂缝面的位置与形态决定于砂浆、界面粘结裂缝单元的抗拉强度相对比值以及断裂能相对比值;混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于断裂材料参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响;建立的有限元模型能有效描述混凝土复杂三维断裂过程。     

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。     

Micromechanical investigation on size effect of tensile strength for recycled aggregate concrete using BFEM

In this paper, the validity and performance of base force element method (BFEM) based on potential energy principle was studied by some numerical examples. And the BFEM on damage mechanics is used to analyze the size effect on tensile strength for recycled aggregate concrete (RAC) at meso-level. The recycled aggregate concrete is taken as five-phase composites consisting of natural coarse aggregate, new mortar, new interfacial transition zone (ITZ), old mortar and old ITZ on meso-level. The random aggregate model is used to simulate the meso-structure of recycled aggregate concrete. The size effects of mechanical properties of RAC under uniaxial tensile loading are simulated using the BFEM on damage mechanics. The simulation results agree with the test results. This analysis method is the new way for investigating fracture mechanism and numerical simulation of mechanical properties for RAC.     

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。     

同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度及拉伸强度

考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制,将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数,引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式,从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件,基于所提模型,同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度,确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实,采用确定的断裂韧度及拉伸强度,建立起钢纤维高强混凝土塑性——准脆性——线弹性不同结构断裂模式的±20%全曲线,其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土,可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定,及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。     

Fracture Criteria for Automobile Crashworthiness Simulation of Wrought Aluminium Alloy Components

In automobile crashworthiness simulation, the prediction of plastic deformation and fracture of each significant, single component is critical to correctly represent the transient energy absorption through the car structure. There is currently a need, in the commercial FEM community, for validated material fracture models which adequately represent this phenomenon. The aim of this paper is to compare and to validate existing numerical approaches to predict failure with test data. All studies presented in this paper were carried out on aluminium wrought alloys: AlMgSi1.F31 and AlMgSiCu‐T6. A viscoplastic material law, whose parameters are derived from uniaxial tensile and compression tests at various strain rates, is developed and presented herein. Fundamental ductile fracture mechanisms such as void nucleation, void growth, and void coalescence as well as shear band fracture are present in the tested samples and taken into consideration in the development of the fracture model. Two approaches to the prediction of fracture initiation are compared. The first is based on failure curves expressed by instantaneous macroscopic stresses and strains (i. e. maximum equivalent plastic strain vs. stress triaxiality). The second approach is based on the modified Gurson model and uses state variables at the mesoscopic scale (i. e. critical void volume fraction). Notched tensile specimens with varying notch radii and axisymmetric shear specimens were used to produce ductile fractures and shear band fractures at different stress states. The critical macroscopic and mesoscopic damage values at the fracture initiation locations were evaluated using FEM simulations of the different specimens. The derived fracture criteria (macroscopic and mesoscopic) were applied to crashworthiness experiments with real components. The quality of the prediction on component level is discussed for both types of criteria.     

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。