基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

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。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程，分析了骨料分布和形态的随机特性，按照骨料切面几何图形面积等效的原则，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。     

含缺陷混凝土的弹性模量预测

提出一种新的预测含缺陷混凝土弹性模量的估算方法。将混凝土看作是由砂浆、骨料、界面和缺陷(包括圆形孔隙和币状裂隙)等组成的四相复合材料,建立随机骨料数值模型,运用细观力学数值均匀化方法预测混凝土的有效弹性模量,并与无缺陷情况下的计算结果以及试验结果进行对比,在此基础上进行各影响参数的敏感性分析。结果表明,缺陷的存在会减小混凝土的有效弹性模量;混凝土的有效弹性模量随着骨料或砂浆弹性模量的增大而增大;界面特性参数和骨料最大粒径对混凝土有效弹性模量的影响有限;任意多边形骨料模型比圆形骨料模型对混凝土有效弹性模量的预测更接近试验值。     

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。     

考虑骨料级配的混凝土有效弹性模量预测模型

在细观层次上,提出了一种考虑骨料级配预测混凝土弹性模量的多相混合夹杂模型。对连续级配骨料实现粒径区间分级,并求出每级粒径区间的平均骨料粒径。再结合广义自洽模型与Mori-Tanaka法多相夹杂公式,建立含不同粒径骨料夹杂的混凝土骨料级配模型。将该模型与单一粒径模型、Li模型进行比较分析,并用Stock试验相验证。结果表明:骨料级配、骨料间相互作用对混凝土弹性模量有较大影响,且骨料体积分数越大,其影响作用越显著。即使骨料体积分数较大,骨料级配模型也能得到较好预测精度。混凝土弹性模量随骨料级配曲线参数增大而增大,但随界面厚度增大而减小。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在三维情形下,基于参数曲面的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面,用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型;以骨料为卵石的混凝土为例,给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样,提出了用参数映射法对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的三维三相复合结构形式,为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能打下了基础。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在细观层次上，混凝土被认为是由粗骨料、水泥砂浆以及二者间的粘结界面所组成的一种三相非均质复合材料。在三维情形下，基于参数曲面的自由变形技术，将混凝土骨料及粘结界面，用确定的、形式统一的参数方程予以表示，建立了混凝土随机参数化骨料数学模型；以骨料为卵石的混凝土为例，给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样，提出了用“参数映射法”对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与粘结界面组成的三维三相复合结构形式，为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能，打下了基础。     

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.     

椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型

提出了椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型。首先通过在正方形区域中模拟椭圆形骨料分布获得混凝土细观结构;再应用格构模型将混凝土连续体等效为离散体,把格构梁分为骨料、界面和水泥石基体3类单元,并根据三相组分的面积百分数对这3类单元的比例进行修正,较准确地描述了混凝土材料的非均匀性;最后用有限单元法获得混凝土弹性模量。通过与文献中的2组试验结果比较,验证了本文数值方法的有效性。     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

混凝土早期弹模反应动力学模型及其应用

本文阐述了混凝土早期硬化的简单规律,并据此提出了混凝土早期弹模发展的反应动力学模型.将这一模型应用于南水北调工程某引水方涵洞结构,工程实例证明,本文模型能很好地模拟夏天温度高混凝土早期弹模发展快、冬天温度低早期弹模发展慢这一事实,很好地解释了方涵洞中部裂缝发展成因,证明了本文模型的可靠性与适用性.     

预测全级配大坝混凝土弹性模量的三相模型

在分析传统混凝土两相复合材料弹性模量计算模型不足的基础上,考虑混凝土中界面过渡区的影响,分析界面过渡区的体积与骨料体积分数、骨料颗粒级配和界面过渡区厚度之间的关系,建立预测混凝土弹性模量的三相复合材料模型,并在此基础上计算全级配混凝土与湿筛混凝土的弹性模量,并与已有试验结果进行比较,吻合良好。分析全级配与湿筛混凝土弹性模量比值与骨料及水泥基体弹性模量比值的关系,给出了随龄期变化时两者弹性模量比值的变化规律。     

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。     

塑性混凝土弹性模量的试验研究

弹性模量是塑性混凝土的一项重要力学性能指标。对两种不同测试标距(300mm和150mm)情况下塑性混凝土的弹性模量进行了试验研究。根据试验结果,得出了标距为试件全长(300mm)时测得的弹性模量较为符合实际的结论。同时,还对不同原材料用量和不同试验条件对塑性混凝土弹性模量的影响规律进行了初步探讨。该研究成果对于塑性混凝土的配合比设计及施工具有参考价值。     

论混凝土坝抗震设计与计算中混凝土动态弹性模量的合理取值

目前我国混凝土坝抗震设计与计算中,混凝土动态弹性模量取值偏小较多,其结果导致动态变位和坝体自振周期偏大,而地震荷载偏小.笔者给出了混凝土坝抗震设计和计算中混凝土动态弹性模量的合理取值方法.