考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤模型

该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型，将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段，考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下，混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化，可由初始弹性模量E反映；在进一步承受压缩荷载过程中，微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变，可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下，混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性，将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性，该文开展了混凝土单轴压缩试验，获得冻融循环次数N为0次～150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线，同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好，模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。     

基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法

混凝土损伤开裂表现出明显的跨尺度特征,其演化过程与细观材料结构直接相关。如何在兼顾效率和精度前提下分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程一直是比较棘手的问题。在假定处于弹性阶段的混凝土为宏观均匀材料和处于损伤开裂阶段的混凝土为细观非均匀材料的基础上,提出了一种基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法。该方法通过在分析域内布置宏细观双重网格分别建立宏观尺度和细观尺度有限元计算模型,通过宏观尺度至细观尺度的自适应转换在分析过程中动态确定宏细观协同分析的宏观区域和细观区域,通过基于形函数插值的多点位移约束实现宏细观协同有限元模型中的非协调重叠网格连接。算例分析表明,采用该文方法不仅可通过考虑损伤开裂区的细观材料结构保证模拟精度,亦可通过在分析中自适应确定细观尺度分析区域提高模拟效率。     

结构疲劳损伤演化过程的多尺度同步观测与分析

大型土木结构的失效劣化过程是一个跨尺度损伤演化过程,在相同的时间节点不同的空间尺度下,通常表现出独特的损伤演化响应特征和力学特性。该文以某大型桥梁纵向加劲钢桁架的缩尺模型为研究对象开展疲劳损伤演化过程多尺度同步观测试验工作,综合运用电测技术、光测技术和动态测试技术实时监测桁架疲劳损伤演化过程,据此分析对比桁架在细观和宏观尺度下的损伤演化响应特征和力学特性。在电测技术观测到桁架局部疲劳裂纹萌生之后,光测和动态测试技术得以继续追踪疲劳裂纹的扩展过程并评价局部损伤演化对构件以及结构整体力学特性的影响,结果表明:结构局部细观尺度上的损伤演化不至于影响结构宏观尺度的整体力学特性,但是局部损伤的累积必将导致结构失效劣化。     

Q345试件细观损伤的声发射量化评价实验研究

根据金属塑性材料细观损伤理论及微孔洞损伤机理,建立以孔洞扩张比V_G为损伤变量的声发射量化评价模型。以Q345钢圆棒缺口试件拉伸断裂过程为例,获取材料从屈服到断裂过程声发射信息;采用Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN)模型,模拟得到Q345试件拉伸过程细观损伤参量数值解。结合声发射测试和数值模拟结果,建立Q345试件拉伸过程孔洞扩张比的声发射累积撞击计数N量化评价公式。结果表明:Q345钢从屈服到断裂过程N与V_G函数关系分为线性损伤及非线性损伤两个阶段,并确定当N达到128个时,材料处于损伤临界转变点。     

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。     

混凝土硫酸盐侵蚀理论模型的研究现状及展望

综合评述了混凝土硫酸盐侵蚀理论模型的研究进展。首先总结了混凝土受硫酸盐侵蚀的劣化机理及存在的争议问题,着重介绍了两类硫酸盐侵蚀理论模型的最新研究进展,包括离子扩散反应,材料初始裂缝的影响,水泥石微观结构改变以及材料损伤演化等问题。对各模型的理论基础、适用条件及存在的不足进行了分析,并提出了硫酸盐侵蚀建模中需要考虑的关键问题。最后,对硫酸盐侵蚀理论模型今后的研究重点进行了展望。     

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。     

混凝土试样在静态载荷作用下断裂过程的数值模拟研究

提出了一个模拟混凝土断裂过程的细观力学模型,并应用该模型从混凝土的细观非均匀性结构出发,对混凝土试样在单轴和双轴静态载荷作用下的断裂过程进行了数值模拟,给出双轴载荷作用下混凝土的强度包络面。数值模型结果较好地模拟了混凝土试样从裂纹萌生、扩展到宏观裂纹形成的整个断裂过程,与实验结果表现出较好的一致性。     

土木结构损伤多尺度并发计算方法及其应用

大型土木结构的损伤破坏是跨尺度演化的结果, 因此单一尺度下的结构分析难以正确地反映结构的非线性损伤失效过程。该文根据结构损伤在宏观、细观尺度下的不同特征建立结构一致多尺度模型, 并通过多点约束法进行跨尺度关联, 实现了结构整体线弹性响应分析和局部细节易损部位的细观层次上弹塑性损伤分析的并发进行。计算结果表明:该文提出的结构损伤多尺度并发计算方法能够兼顾结构整体上的线弹性响应和局部易损部位在细观层次上的塑性损伤特征, 在对结构多尺度响应与损伤特征进行准确描述的基础上, 能够获得结构易损局部的细观损伤状态、演化过程及其对结构宏观响应与失效的影响。     

Application of rigid–plastic meso-damage constitutive theory to superplastic bulge forming

Abstract

A rigid–plastic meso-damage constitutive theory is applied to predict the influence of void evolution on the superplastic forming process. Together with this constitutive theory, a simple analytical model is used to simulate the bulge forming process of a spherical dome. The distribution and evolution of damage, deformation, geometrical parameters, and mechanical properties such as strength and ductility throughout the bulging dome are systematically explored. Since a series of numerical results obtained are in good agreement with the actual phenomena and previous experimental results, the applicability of the rigid–plastic meso-damage constitutive theory to superplastic forming processes is considered proven.     

高强混凝土材料细观冻融损伤与抗压强度的关系

为研究高强混凝土冻融损伤机理及其与抗压强度之间的关系,采用RapidAir结合金相显微镜的方法,实现对混凝土细观冻融损伤的连续观察,探究了细观结构对冻融的敏感程度以及细观破坏对宏观破坏的影响规律.结果表明:对高强混凝土而言,较低的含气量和较大的气泡间隔系数并不意味着较差的抗冻性;孔隙群的冻融响应敏感,且微裂缝出现较早,该区域的缺陷增长能与冻融前期混凝土抗压强度线性下降很好地对应,但此时混凝土的抗压强度下降并不明显;相对孤立的孔和砂浆与粗骨料的界面过渡区较不敏感,这些区域出现损伤后,混凝土的抗压强度逐渐非线性下降,预示着混凝土即将冻碎.     

Eine Übergangsbedingung beim Strahlverschleiß von Gesteinen und Betonen

A transition criterion for the erosion of rocks and concrete materials Depending on loading regime and material type, mineralic materials behave either elastic or elastic‐plastic if eroded by solid particles. A simple transition number, X, that combines fracture toughness and compressive strength, can be used to distinguish between both modes. Conventionally ‘hard’ materials, namely granite and feldspars, own low X‐values and respond elastic. Conventionally ‘soft’ material, namely limestone, mortar and schist, are characterised by high X‐values and show an elastic‐plastic response.     

Damage of concrete in a very high stress state: experimental investigation

This study is intended to characterize the evolution in triaxial behavior of a standard concrete subjected to confining pressures varying from 0 to 600 MPa. Hydrostatic and triaxial tests, with several unloading–reloading cycles, are carried out on concrete samples using a high-capacity triaxial press. These tests serve to identify the evolution of the elastic unloading characteristics of concrete, depending on both confining pressure and axial strain. A number of optical observations are also provided to allow visualizing the evolution in concrete damage mode in the middle of the sample. Experimental results indicate a sizable change in concrete behavior with confining pressure. At low pressure values, Young’s modulus decreases and Poisson’s ratio rises sharply with axial strain. The concrete exhibits brittle behavior with failure caused by a localized damage mechanism. In contrast, at high confining pressures, the concrete becomes a ductile material, and the evolution in its unloading characteristics is negligible. Failure is thus associated with diffuse material damage. The concrete behaves like a granular material controlled by plasticity, meaning that the damage phenomenon observed at low confinement is completely inhibited.     

Eine elastisch‐plastische Übergangsbedingung für die Tropfenschlagerosion von Gesteinen und Betonen

An elastic‐plastic transition criterion for the erosion of rocks and concrete materials by impinging liquid drops Depending on loading regime and material type, mineralic materials behave either elastic or elastic‐plastic if eroded by impinging water drops. A simple transition number that combines fracture toughness and compressive strength (respectively Vickers hardness), can be used to distinguish between both modes. Conventionally ‘hard’ materials, namely granite and feldspars, own low transition numbers (high hardness values) and respond elastic. Conventionally ‘soft’ materials, namely limestone, cement mortar and schist, are characterised by high transition numbers (low hardness values) and show an elastic‐plastic response.     

Statistical modelling of carbonation in reinforced concrete

As time passes the properties of concrete change as a result of its interaction with the environment and durability is affected. Reinforcement corrosion is singled out in various studies as being mainly responsible for reinforced concrete degradation. Concrete alkalinity protects the reinforcement bars from corrosion but the carbonation phenomenon significantly contributes to the destruction of their passive coating, thus favouring the corrosion onset. Therefore, concrete carbonation is considered an important problem both in Civil Engineering and in Materials Science. This study’s main objective is to try to quantify the contribution of potential conditioning factors to concrete carbonation’s rate. This study addresses the statistical modelling of the concrete carbonation phenomenon, using a large number of results (964 case studies), collected in the literature. A computational method (multiple linear regression analysis) is used to define a mathematical model that can estimate the carbonation coefficient as a function of a set of conditioning factors. These models allow the estimation of the carbonation coefficient, and consequently the carbonation as a function of the variables considered statistically significant in explaining this phenomenon. Two distinct models are proposed to suit predictions to two environmental exposure relative humidity ranges.     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

一种新的混凝土各向异性弹塑性损伤本构模型及其数值实施

该文的目的是建立一种新的、相对简单的混凝土各向异性塑性损伤本构模型,以方便的模拟混凝土结构的破坏行为。为了更好地描述混凝土在拉、压荷载作用下的不同损伤机制,建立了拉、压不同的两种损伤演化方程,用于确定各向异性的拉、压损伤变量。另外,根据应变等效假设,假定有效构型和损伤构型的应变相等,该方法不仅大大简化了模型的推导过程,而且可方便的通过解耦算法进行有效应力和损伤及名义应力的计算,也即塑性部分计算可通过现有的隐式算法实现,损伤部分及名义应力的计算则可通过较为简便的显式算法实现,从而可大大提高计算效率。模型结果与试验结果的对比分析表明：该模型能较好地描述混凝土在三维应力状态下的非线性行为;对双边开口四点弯曲梁试件的模拟也表明：该模型能反应混凝土损伤各向异性的特点,计算结果相比ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性本构模型(CDP模型)更符合实际情况,计算效率也更高。     

Behaviour of foam concrete under sulphate environments

This paper reports the effects of variation in density, concentration and type of cation associated with sulphate on the expansion, mass and strength loss of foam concrete produced with two synthetic surfactants. Comparisons are made between behaviour of foam concrete of different densities and that of corresponding base mixes of mortar without foam. The investigations indicated that the expansion in sodium sulphate environment was up to 28% higher than that of magnesium sulphate environment which can be attributed to greater quantum of ettringite formation in sodium sulphate environment. The major deterioration mechanism in magnesium sulphate environment is disintegration of cementing material and this contributed to loss in mass of 1% and higher sulphate deterioration factor of 0.4 for specimens under very severe magnesium sulphate environment. Irrespective of the type of sulphate environment, the deterioration of foam concrete was lower than that of base mix.