箍筋约束对小偏心加载下高强RC柱尺寸效应影响分析

旨在揭示箍筋约束作用对高强钢筋混凝土(RC)柱在小偏心(e_0=0.25h_0)受压加载下尺寸效应行为的影响.开展了最大横截面尺寸为800 mm×800 mm的12组几何相似的配箍率为0和0.66%的高强混凝土柱试验,此外,建立了钢筋混凝土柱力学行为分析的细观尺度分析模型,并在模拟与试验结果吻合良好的基础上,补充开展了更大配箍率柱(即:1.2%和2.4%)的数值试验,进而对偏心受压加载下柱的力学行为,包括破坏模式、名义受压应力,应变关系、承载力、名义压缩强度及峰值后软化行为等进行了研究,并对其名义压缩强度的尺寸效应进行了分析,进而揭示箍筋约束作用对小偏心加载高强钢筋混凝土柱破坏行为及尺寸效应影响机制,结果表明:1)小偏心受压加载下高强钢筋混凝土柱名义压缩强度存在明显的尺寸效应;2)Bazant尺寸效应律能够较好地描述钢筋混凝土柱在偏心受压加载下的尺寸效应行为;3)箍筋约束作用能够明显提高钢筋混凝土柱的强度及延性,且会削弱其尺寸效应;4)本文建立的细观数值模型能够很好地表征钢筋混凝土柱力学性能.     

低温下混凝土单轴压缩破坏及尺寸效应细观有限元分析

考虑混凝土材料各相组分特征,建立了细观层次有限元分析方法,模拟了不同尺寸几何相似混凝土试块在室温及低温下的静态单轴压缩破坏响应,探讨了低温下混凝土单轴压缩名义强度退化行为及尺寸效应影响规律.研究结果表明,随着温度的下降,单轴压缩名义强度显著增强,混凝土脆性不断增大,尺寸效应行为更显著.当温度达到-120℃时,混凝土材料的压缩强度和脆性达到最大,表现出最明显的尺寸效应.随着温度的继续下降,压缩强度略有小幅度的下降.经典的Type-2尺寸效应律在不同温度下可以描述本文有限元分析得到的尺寸效应结果.     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

两种Zr基块体非晶合金的变形行为

使用单轴压缩、纳米压入、界面粘结和显微观察等技术对Zr₆₅Al₁₀Ni₁₀-Cu₁₅和Zr_52.5Al₁₀Ni₁₀Cu₁₅Be_12.5合金的宏观和细观塑性变形行为进行了研究. 结果表明: Be代替了部分Zr后的非晶合金的单轴压缩强度和塑性明显提高. 两种合金均在低加载速率的纳米压入中表现出锯齿流变特征, 在高加载速率中为连续的塑性变形, 但变形行为转变的临界加载速率有明显差别. 对比两种合金压痕下方塑性变形区域中剪切带形貌表明, 在同样加载条件下, Zr_52.5Al₁₀Ni₁₀Cu₁₅Be_12.5合金中形成剪切带的数量多、尺寸小、间距小, 随着压入深度的增大, 剪切带间距基本不变. 这表明Zr₆₅Al₁₀Ni₁₀Cu₁₅合金中剪切带形成相对困难, 趋向于单个剪切带的扩展, 因此宏观塑性变形能力有限. 而在含Be合金的塑性变形过程中剪切带容易形核, 趋向于多重剪切带的同时开动, 因此宏观塑性变形能力显著. 两种合金塑性变形行为的差异符合自由体积模型.     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

高温作用下岩石力学性能的实验研究

采用电液伺服材料力学试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩、石灰岩、砂岩的力学性能进行了研究. 考察了三种岩石的全应力-应变曲线, 给出了其峰值强度、峰值应变、弹性模量E随温度的变化特征. 研究结果表明: (1) 大理岩的峰值强度、弹性模量在常温~400℃内呈现起伏变化; 400℃后则呈平缓下降态势. (2) 石灰岩的峰值强度、弹性模量在常温~200℃内, 随温度升高呈下降趋势; 在200℃~600℃内变化不大; 当T>600℃后, 呈现出急剧下降现象. (3) 砂岩在常温~200℃内, 峰值强度呈下降趋势, 弹性模量变化不大; 在 200℃~600℃内, 峰值强度呈上升趋势, 弹性模量变化不大; 当 T>600℃后, 峰值强度、弹性模量均急剧下降. (4) 对于峰值应变, 石灰岩在常温~600℃变化不大, 当 T>600℃后, 峰值应变急剧上升; 大理岩、砂岩的峰值应变在常温~200℃之间随着温度升高在降低, 当 T>200℃后, 峰值应变迅速增长. 研究结果可为相关岩体工程设计与研究提供参考.     

混凝土材料三维统一硬化/软化弹塑性本构模型

混凝土材料的弹塑性本构模型通常采用剪切型屈服面,剪切型屈服面包括两种硬化方式,即黏聚力(c)硬化和摩擦角(?)硬化.目前大多数本构模型都采用c硬化模式,无法反映应力诱导各向异性.本文的屈服函数是由混凝土材料非线性统一强度准则发展而来,采用φ硬化模式.基于Sargin提出的单轴压缩应力应变关系,提出一个统一硬化/软化参数,即硬化和软化参数具有相同的表达式.将提出的硬化/软化参数与屈服函数相结合,发展了混凝土材料三维统一硬化/软化弹塑性本构模型.该模型能够统一地描述混凝土的硬化/软化,避免了循环加载中再加载过程中硬化或软化参数的判断,从而增加了计算效率.模型有效地确定了塑性势参数,使得建立的本构模型能够合理地控制混凝土的剪胀.建立了峰值应力对应的等效塑性剪应变与围压的关系,使得建立的模型能够描述混凝土材料的应变软化随围压的变化规律.通过与普通强度和高强混凝土的双轴和真三轴试验结果比较表明,建立的模型能够适用于不同类型的混凝土材料,并且能够合理地描述混凝土材料的变形和强度特性.     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.     

Zr基大块非晶合金在不同温度下的拉伸和压缩性能

研究了Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5大块非晶合金的力学性能. 用Gleeble-3200热模拟机在过冷液相区内的345和375℃两个温度下进行了压缩试验, 发现减小压缩速率和提高温度对压缩变形的影响基本相似; 用Instron万能材料试验机测试了合金的室温和低温拉伸性能. 在低温下合金的拉伸强度随试验温度的降低而下降. 硬度测试结果显示, 在玻璃转变温度以下, 硬度随热处理温度升高和退火时间的延长而降低; 在玻璃转变温度以上退火, 硬度提高.     

不同应力路径下花岗岩变形参数劣化试验研究

利用MTS815试验机进行了不同应力路径下花岗岩峰前卸荷试验,研究了全应力-应变曲线、变形破坏特征和变形参数的劣化规律。数据分析表明:相比加载试验,卸荷岩样破坏突然且剧烈,脆性特征显著;卸荷过程中,轴向应变增量较小,侧向应变增量较大,两者相差5~10倍,轴压围压同时卸载时岩样破坏前轴向应变出现负增长;岩样破坏所需的卸荷量受到卸荷路径的影响,卸围压同时增加轴压时仅需要38%的卸荷量,但脆性特征最明显的是同时卸载轴压和围压。试验结果对不同方式下的岩体开挖具有一定参考意义。     

钢筋混凝土轴压柱长细比效应的细观数值研究

钢筋混凝土柱名义轴压强度的尺寸效应源于:1)混凝土材料本身的非均质性及其力学非线性;2)钢筋/混凝土相互作用的高度复杂性.此外,长细比效应是影响钢筋混凝土柱最终破坏模式及其承载能力的另一重要因素.考虑混凝土材料细观结构的非均质性,及钢筋与混凝土间的非线性黏结滑移等因素,建立了钢筋混凝土柱轴心受压加载下力学行为研究的细观尺度力学分析模型.首先通过反演法确定了混凝土各细观组分的力学参数;进而对不同长细比钢筋混凝土柱在轴心受压加载下的破坏行为进行了数值模拟研究.结果表明:低长细比柱轴压加载下主要发生压剪破坏;而高长细比柱则发生屈曲失稳破坏,且由于端部效应的影响,破坏区域集中于柱的端部;长细比值小于9时,柱名义强度无明显变化,而大于9时,柱的屈曲强度迅速降低.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

箍筋约束混凝土方柱轴压破坏尺寸效应细观数值研究

钢筋混凝土构件尺寸效应行为源于混凝土材料的非均质性及钢筋/混凝土复杂的非线性相互作用.通过建立反映上述特征的约束混凝土方柱3D细观数值模型,开展轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究,探讨体积配箍率对箍筋约束混凝土方柱轴心受压力学行为及尺寸效应的影响机理,并与试验结果进行对比分析.基于Baznt尺寸效应律,开展约束混凝土轴心抗压强度尺寸效应理论分析.研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合良好,构建的钢筋混凝土柱细观力学模型能够准确地描述箍筋约束混凝土构件的破坏行为及尺寸效应规律;体积配箍率增加,约束混凝土柱的名义强度增大、破坏呈现更少的脆性,尺寸效应现象减弱;Baznt尺寸效应理论能够对约束混凝土柱轴心加载下的尺寸效应行为做出合理解释.     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

钢管混凝土柱压-扭破坏尺寸效应细观数值分析

地震作用下,钢管混凝土柱容易受到扭转作用而发生压-扭破坏,扭矩作用将导致钢管混凝土柱的破坏加剧.本文首先建立了能够同时考虑混凝土非均质特性和混凝土/钢管接触行为的钢管混凝土柱力学分析模型及其数值模拟方法,进而模拟研究了钢管混凝土柱在压-扭联合作用下的失效破坏行为和尺寸效应规律.主要分析了截面尺寸、轴压比、含钢率和截面形状对钢管混凝土柱破坏模式、名义抗扭强度及其尺寸效应行为的影响.结果表明:随轴压比的增大,钢管混凝土柱抗扭承载力呈现先增大后减小的趋势,且当轴压比在0.4左右时,抗扭承载力达到最大值;钢管混凝土柱在压-扭联合作用下存在一定程度的尺寸效应,且根据本文模拟工况,名义抗扭强度下降幅度可达24%;此外,随轴压比的增大,名义抗扭强度的尺寸效应行为呈现先削弱后增强的趋势.基于本文数值试验数据及作者前期研究工作,提出了考虑轴压比和含钢率影响的钢管混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应公式.     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

不同条件下硝基苯在水-冰体系中的分配研究

对硝基苯浓度分别为1.7, 8, 17, 170和1700 μg/L的水体进行冻结和融化试验. 试验制作了不含有机材料的不锈钢和玻璃专用水槽, 并能够模拟流动水体. 实验室冻结的冰具有同天然冰类似的晶体结构. 说明该冰内的硝基苯的行为也与天然冰的类似. 在此基础上, 得到水体中硝基苯浓度越大, 其结冰速率越小; 结冰速率越大, 冰内残留硝基苯的百分比越高. 另外, 冰体融化过程中, 冰内的硝基苯不发生迁移, 只随冰的融化排泄到水体中.     

RC梁-柱中节点核心区剪切破坏及尺寸效应数值分析

钢筋混凝土梁-柱中节点核心区剪切破坏具有脆性特征,因而其抗剪强度可能存在尺寸效应.在已开展的物理试验研究基础上,采用数值试验方法扩展讨论了结构尺寸(节点最大截面尺寸为900 mm×900 mm)、轴压比和体积配箍率对钢筋混凝土梁-柱中节点破坏机制与失效模式的影响,并揭示了它们对剪切强度尺寸效应的影响规律.研究结果表明:(1)单调加载下,梁-柱中节点展现为核心区的脆性剪切破坏,名义剪切强度具有明显尺寸效应;(2)轴压比的增大可提高中节点的抗剪承载力,同时强化了剪切强度的尺寸效应;(3)体积配箍率的增大将增强节点的抗剪承载力,但会削弱剪切强度的尺寸效应.此外,经典的Ba?ant材料层次尺寸效应律可描述中节点剪切破坏的尺寸效应行为,但其无法描述轴压比与配箍率的定量影响.     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

单轴压缩下Ti-6Al-4V空心点阵结构的力学行为

本文设计和制备了三组不同内部加强结构分布的Ti-6Al-4V空心点阵试样,开展了单轴压缩加载下空心点阵结构变形和破坏的实验和数值模拟研究,分析了加强结构分布及形状参数对空心点阵结构力学行为的影响规律.结果表明:相比于基本空心点阵结构(试样BS),当加强结构分布在试样节点(试样SN)时,其比弹性模量和比极限强度分别降低了7%和12%,试样在支柱区域发生剪切断裂;而当加强结构分布在支柱内部(试样SW)时,其弹性模量、极限强度和比极限强度则分别提升了20%, 49%和13%,展现出了优越的力学性能.加强结构的不同分布,引起了胞元的结构薄弱区、应力分布和承载能力发生变化,从而导致试样表现出不同的失效特征和力学性能.试样SW的加强结构增强了基本结构的薄弱区域,提高了胞元承载能力,对试样SW加强结构形状参数的数值模拟研究表明:当加强结构高度与半胞元高度的比接近0.6,或者加强结构厚度与试样支柱内径的比接近0.1875时,胞元内部结构更加均衡,其应力分布更加均匀,更有利于获得力学性能优越的轻量化结构.