混凝土受拉弹塑性本构关系

针对已有混凝土单轴受拉应力-应变关系的不足，用细观损伤单元的并联体模型，并假定细观单元体为理想弹脆性材料，其断裂应变组成随机场，基于随机损伤力学原理，较为详细地推导了单轴受拉混凝土本构关系.结合已有研究成果，对损伤演化、初始弹性模量和峰值拉应变加以改进，建立了基于混凝土立方体抗压强度的参数计算方法.建议了受拉混凝土卸载/再加载的变形模量计算公式，导出卸载后的残余应变.与试验结果的对比也验证了其合理性，研究成果可为混凝土结构设计规范修订提供参考.     

基于统计损伤理论的混凝土双轴拉-压本构模型研究

基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,本文建立了混凝土双轴拉-压细观统计损伤本构模型.该模型考虑断裂、屈服两种细观拉损伤模式,损伤演化过程由主方向的拉、压应变驱动.将单轴拉伸、单轴压缩作为两种最基本的宏观破坏形式,复杂应力状态下的损伤破坏过程理解为单轴拉伸、压缩损伤演化过程的某种组合形式.引入等效传递拉损伤应变和损伤影响参数,建立宏观拉、压破坏模式对应细观损伤机制之间的等效关系.通过与试验结果比较,表明该模型能够很好地模拟双轴拉-压加载情况下材料均匀损伤阶段的力学行为.对双轴拉-压比例加载路径下应力-应变曲线进行预测,提取出双轴拉压强度包络线,从双轴强度、变形特性、破坏形态等角度对材料的双轴拉-压损伤机制进行探讨.     

混凝土受压性能的非均质细观数值模拟

将混凝土看作是由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料,在细观层次上建立了非均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型,分别赋予细观单元弹脆性损伤本构关系或弹塑性本构关系,研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程,获得了相应的混凝土单轴受压宏观应力-应变曲线,并将计算结果与试验结果做了比较.结果表明:混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的;非均质模型计算所得的宏观应力-应变曲线上升段与试验结果吻合相对较好,弹塑性本构模型计算所得的曲线下降段比弹脆性模型更接近于试验曲线.     

混凝土三维非正交弥散裂缝模型

基于应变分解法,将开裂后的混凝土应变分解成裂缝面的应变与完好混凝土应变两部分,裂缝面上混凝土法向刚度取单轴受拉混凝土应力应变曲线的下降段刚度,并保留裂缝面的剪切刚度,并保留裂缝面的剪切刚度以考虑骨料咬合与销栓作用,完好混凝土本构关系采用弹塑性本构模型,推导了混凝土三维非正交弥散裂缝模型的模型的基本公式,算例表明,该模型可用于混凝土结构的开裂分析,且分析结果和试验结果较为吻合。     

受火(高温)后混凝土的随机损伤本构关系

结合受火(高温)后混凝土的损伤形态和破坏特征,研究了基于损伤随机演化下受火(高温)后混凝土受拉和受压损伤发展的随机演化规律.引入弹簧损伤单元模型,考虑混凝土初始损伤、受火损伤及裂缝闭合下损伤愈合等因子,利用Weibull分布函数进行推演,建立了受火后混凝土单轴抗拉、单轴抗压的随机损伤本构关系模型.通过计算结果与试验数据的对比验证,从理论结果而非试验数据的拟合上解释了受火(影响)后混凝土应力-应变的四大特点,证实了运用随机损伤本构关系反映受火后混凝土破坏机理的可行性.     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.     

煤矸石混凝土冻融损伤本构关系试验研究

通过对冻融后煤矸石混凝土的单轴受压试验,研究了冻融循环次数和煤矸石取代率对煤矸石混凝土力学性能的影响,提出了冻融作用下煤矸石混凝土峰值应力、峰值应变的退化规律,并拟合应力-应变曲线,提出了煤矸石混凝土冻融损伤单轴受压本构关系。试验结果表明,随着冻融循环次数的增加,煤矸石混凝土峰值应力逐渐降低,峰值应变和极限应变逐渐增加,应力-应变曲线趋于扁平,受压早期压实效应尤为明显,弹性模量迅速降低,应力-应变曲线前端部分出现下凹。此本构关系精度较好,对煤矸石混凝土的推广应用和进一步改性研究有一定参考价值。     

单轴压缩条件下普通混凝土柱的峰后非线性尺寸效应

将单轴压缩条件下遭受到剪切带(峰值应力之后呈现线性应变软化行为)形式的单一剪切破坏普通混凝土试样的峰后应力-应变曲线斜率的解析解推广为非线性情形.在峰值应力之前,采用Scott模型描述非线性的本构关系.剪切带的非线性应变软化本构关系由导出的最短普通混凝土试样峰后斜率反算.利用得到的峰后本构关系,对其他较长的普通混凝土试样的应力-应变曲线进行了预测.预测的峰后应力-应变曲线依赖于试样的高度,且与实验结果吻合.估算的剪切带内部平均塑性剪切应变远大于在单轴压缩条件下测得的轴向应变的极限值.若测得的峰后应力-应变曲线被视为本构关系,则普通混凝土柱的峰后延性将被极大地低估.     

再生卵石骨料混凝土力学性能及其应力-应变本构关系

采用以卵石为粗骨料的原生混凝土作为再生混凝土来源,通过破碎、筛分获取再生卵石粗骨料,配制再生卵石骨料混凝土.以取代率为变化参数,设计99个试件.通过试验,获取其立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能指标及应力-应变全过程曲线.分析了再生卵石骨料混凝土损伤演化、变形和能量耗散等力学性能.采用分段式本构关系模型和损伤本构关系模型对再生混凝土的应力-应变本构关系进行研究,并提出相应的本构方程.结果表明,与天然混凝土相比,再生卵石骨料混凝土的抗压、抗折强度略为增大,而弹性模量、变形系数与耗能系数则有不同程度的降低;不同取代率下,再生混凝土应力-应变曲线与天然混凝土相似,但下降段变得陡峭;再生混凝土损伤发展较为迅速,尤其在ε=(3~5)×10-3之间;分段式本构方程和损伤本构方程的计算结果均与实测值吻合较好.     

碱矿渣混凝土受压应力-应变关系试验研究

为研究碱矿渣混凝土的受压应力-应变关系,分别制作单轴受压混凝土棱柱体标准试件和钢管约束条件钢管混凝土试件,开展单轴受压条件和钢管约束条件下碱矿渣混凝土受压应力-应变关系试验.结果表明:单轴受压条件下,碱矿渣混凝土立方体强度和棱柱体强度关系仍可采用现行规范建议式表示,采用无量纲两段式应力-应变关系模型拟合的单轴受压应力-应变关系与试验曲线结果吻合良好;钢管约束条件下,碱矿渣混凝土极限强度和极限应变均较单轴条件下有了明显提高,表明钢管约束作用能够较好地提高核心混凝土的强度和韧性性能;采用已有钢管约束核心混凝土应力-应变关系模型拟合的应力-应变关系曲线与试验曲线吻合较好.结果表明:现有普通混凝土应力-应变关系模型对单轴受压条件和钢管约束条件下碱矿渣混凝土仍然适用.     

一种受剪细观损伤单元模型及其应用

基于剪切损伤破坏机制,发展了相应的细观损伤单元模型,它由弹脆性的微弹簧和模拟裂缝滑移的塑性元件组成.混凝土单轴受压时的宏观性能可用受剪细观损伤单元的并联体来解释,由此建立了混凝土单轴受压的损伤本构关系模型,并建议了塑性变形的简化计算方法.通过引入混凝土剪切单元破坏应变分布随机场,推导了应力与损伤的均值、标准差的表达式.根据混凝土单轴受压时的应力-应变全曲线试验结果,结合随机建模原理和优化算法确定随机场参数和材料参数,将分析得出的受压随机应力-应变关系与试验结果进行比较,二者吻合良好.     

混凝土在三轴比例加载下的损伤特性研究

将根据Najar损伤理论建立的单轴受压条件下混凝土损伤模型推广应用到三轴受压状态、利用由Simpson积分方法建立的损伤模型,计算得到了混凝土在三轴比例加载作用下,竖向主应力方向的损伤曲线．研究结果表明,混凝土在三轴受压和单轴受压作用下的损伤有相似的发展趋势．2种类型加载历史下混凝土损伤都随着应变的增大而增大,且初始加载阶段损伤发展较快,加载末段损伤发展缓慢并趋于稳定值．但是,在相同应变历史条件下,三轴受压下的损伤值比单压下的损伤值明显变小,而且随着侧压比例的增大损伤进一步减小,说明侧压有效限制了混凝土损伤的发展．另外,三向等比例加载状态下混凝土损伤近似沿直线增长,且损伤增长速率非常小,说明这种加载状态对于充分发挥混凝土受压特性是最有利的．     

基于库伦理论的桥面混凝土动态力学特性分析

在桥面水泥混凝土铺装层病害日益增加的背景下,为了分析在车辆动荷载作用下桥面水泥混凝土的力学性能,改善桥面铺装层使用效果,基于Coulomb理论的剪切破坏条件,通过室内试验制作圆柱水泥混凝土试块,采用SHPB试验装置对试块施加不同的冲击荷载,研究不同强度水泥混凝土试块的破坏形态、动态抗压强度和应力应变特征。结果表明：冲击荷载引起的水泥混凝土试块由块状失效破坏到粉碎状失效破坏;冲击荷载能够增强混凝土的抗压强度,对强度较低的水泥混凝土增强效果更明显,且动态抗压强度增强率最高为143.7%;在动态力学作用下水泥混凝土应力应变曲线也呈现四个阶段,随着应变的增加水泥混凝土应力应变曲线斜率变小,从应变硬化转变为应变软化特性。对水泥混凝土动荷载作用下的物理力学特征分析能为工程桥面水泥混凝土铺装层强度提高和性能改善提供一定参考价值。     

反复荷载下碳化混凝土力学性能及本构关系研究

为研究碳化对反复荷载下混凝土力学性能及本构关系的影响,本文通过碳化混凝土棱柱体试件单调及反复荷载试验,得到各试件应力应变曲线及骨架曲线,考虑到碳化混凝土构件的截面尺寸效应,从混凝土碳化率的角度对比分析了单调及反复荷载下碳化对试件破坏形态、混凝土强度、弹性模量、峰值应变及极限应变的影响.试验表明:随着反复荷载下碳化混凝土内部损伤的积累,其应力应变曲线下降段比单调荷载下的更为陡峭,破坏较为突然,反复荷载碳化混凝土延性变差;反复荷载下随着碳化率的增加,混凝土碳化后的峰值应变有所降低,但变化不大;而峰值应力均有所提高,极限应变均有所降低.根据试验结果引入与碳化率相关的下降段参数修正系数建立了碳化混凝土反复荷载作用下应力-应变本构关系,通过与试验对比分析表明本文确定的本构关系与试验结果较为吻合.     

泡粒混凝土的力学性能与本构关系

考虑聚苯颗粒体积比及湿密度等级两个影响因素,配制了共计25组不同配比的泡粒混凝土.研究了加载速率对泡粒混凝土应力-应变曲线的影响情况,结果表明其应变率效应不明显;并研究了不同聚苯颗粒含量以及不同湿密度等级对泡粒混凝土的应力-应变曲线的影响情况,结果表明此材料的密度以及聚苯颗粒含量对其力学性能影响均很大,并表现出不同的规律性.通过对其弹性模量、压溃应力、压溃应变等参数的分析,结合试验结果,建立了该材料的单轴压缩唯象本构模型,通过试验结果与预测结果的比较,唯象本构模型与试验结果吻合较好.     

木材径向反复受压应力-应变模型研究

通过木材小清材试样的单调加载和反复加卸载试验,研究了木材径向全表面受压试样在单调加载和反复加卸载作用下的应力-应变关系.试验结果表明:单调加载应力-应变曲线和反复加卸载骨架曲线在应变小于0.16时基本重合,在应变大于0.16时,两者数值差异逐渐增大,但仍可由同一数学模型进行描述;木材反复卸载、再加载过程中,再加载路径与卸载路径分别由线性和双折线模型表达.综合考虑木材单向横纹受压以及反复加卸载过程中的典型特征,建立了反复荷载作用下木材径向全表面受压应力-应变模型.基于所建模型编写了MATLAB程序,对比分析了模型计算结果与试验结果,两者吻合较好.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.