混凝土应变软化与局部化的数值模拟

在细观层次上将混凝土看作是一种由粗骨料、砂浆和它们间的粘结带组成的三相复合材料,根据蒙特卡罗随机抽样原理,在计算机上随机生成了碎石骨料的混凝土随机骨料结构,建立了正交各向异性损伤本构方程,提出了适合细观有限元分析的强度与韧性综合破坏准则以及优先开裂原理,利用中模型和方法,数值模拟了混凝土单轴受拉试件的细观破坏过程,逼真地阐明了名的应变软化与局部化现象,说明了混凝土细观有限元分析是一种研究混凝土基本特性的行之有效的数值分析方法。     

高性能轻骨料混凝土三轴压强度和变形特性研究

为了给轻骨料混凝土结构的设计和有限元分析提供精确的本构模型,进行了高性能全轻混凝土、高性能次轻混凝土和普通骨料混凝土的真三轴压试验研究,对3种混凝土的多轴强度和变形特征进行了比较.试验应力比选取低应力比σ_1/σ_3=0.1和高应力比σ_1/σ_3=0.25两组,每组变换中间主应力σ_2.通过比较发现,单轴压条件下轻骨料混凝土横向变形要远大于普通骨料混凝土,在有侧向约束情形下,轻骨料混凝土强度和延性会得到很大程度的改善.在较小侧压应力水平下,高性能全轻混凝土和次轻混凝土三轴抗压强度提高倍数要低于普通骨料混凝土,变形以脆性特征为主;在较高侧压应力水平下,高性能轻骨料混凝土强度提高程度接近于普通骨料混凝土,破坏特征变化为假塑性破坏,表现出良好的延性行为,吸能能力也大大增加.真三轴尤其是高应力比条件下,中间主应力对三轴峰值强度有显著的影响.在三维Haigh-Westergard应力空间建立基于轻骨料混凝土密度等级和品质性能等级的统一多轴强度准则,为不同类型结构轻骨料混凝土结构按多轴强度理论进行设计提供空间破坏曲面的数学表达式.     

小尺寸弹体对金属骨料复合靶侵彻破坏效应初步分析

针对小尺寸弹丸对混凝土侵彻破坏,根据以砂浆为基体、金属颗粒为骨料的复合靶体细观结构特性,采用VC++程序,采用背景网格映射法,建立由随机金属颗粒、砂浆、粘结过渡层组成的复合材料三维细观数值模型. 在此基础上采用动力有限元程序开展了弹体侵彻复合靶细观数值模拟;用正交数值实验分析方法,对弹体着靶速度、骨料强度与骨料模量3个参数对侵彻破坏效应的影响进行了统计分析.     

FRP筋与全珊瑚骨料海水混凝土粘结性能数值模拟

良好的界面粘结性能是保证FRP筋与全珊瑚骨料海水混凝土结构能够共同工作并充分发挥各自优良性能的重要因素之一，因此通过拉拔试验研究了各类影响条件下二者之间的界面粘结性能.在上述试验研究的基础上，通过Abaqus有限元软件采用简化双线性模型建立了FRP筋与珊瑚骨料海水混凝土的粘结滑移模型，研究了FRP筋直径、粘结长度、珊瑚骨料海水混凝土强度和FRP筋种类对粘结性能的影响.通过比较数值模拟得到的理论值与试验得到的试验值发现，二者的一致性较高，因此采用简化双线性模型来分析FRP筋全珊瑚骨料海水混凝土结构的界面粘结性能具有一定的适用性.在研究各因素的影响后发现，增大界面粘结长度、筋材直径和珊瑚骨料海水混凝土强度均能提高结构的承载力，但较大的筋材直径易导致试件发生脆性破坏，并且高强度混凝土对于承载力的增强效果并不明显.     

基于渐变网格剖分方法的再生混凝土细观数值试验

细观上,把混凝土看成是由骨料、砂浆以及它们之间的界面等组成的多相复合材料,对于光滑的球形骨料,预先进行镶边处理,并在此基础上首先对封闭域形成表面单元,然后采用拓扑映射的渐变网格剖分方法往里拓扑成四面体单元网格,按同样方法依次生成界面单元网格和砂浆单元网格,删除表面单元和多余节点后形成混凝土试件的三维细观有限元网格模型。采用该细观有限元模型进行再生混凝土的单轴压缩数值破坏试验,结果表明,该网格模型在单机环境下很快的就能完成数值试验,与以往的自由网格剖分法和映射网格剖分法生成的细观有限元模型相比不仅在计算规模上大大缩小了,而且模拟的破坏形态与实际非常吻合,精度也很高。     

颗粒复合材料破坏行为的梁-颗粒模型研究

对梁－颗粒细观模型进行了改进．为了模拟颗粒复合材料（如混凝土和砂岩）的非均质性和无序性，骨料颗粒和胶凝材料分别被假定为一系列的“实颗粒”和“虚颗粒”，所有这些颗粒均用梁单元联结．颗粒的运动规律由离散单元法和有限单元法确定．当梁单元所受应力超过其强度时，就随即将它从计算网格中去除，以模拟材料的破坏行为．此外，还探讨了如何选择计算参数以及结构缺陷对力学行为影响等问题．数值模拟结果表明，本文模型计算得到的试件破坏模式与已有实验观察到的结果一致．     

黏聚单元嵌入技术及其在混凝土细观分析模型中的应用

采用针对随机颗粒的渐变网格剖分和黏聚单元嵌入的方案,建立骨料-砂浆-界面的三维高效细观有限元模型,并在单机上实现了混凝土标准试样的单轴拉伸和单轴压缩数值试验。结果表明:该嵌入方案能够捕捉到骨料-砂浆界面由弱连接到脱开的全过程,再现混凝土试样的破坏形态;通过对细观模拟结果获得的应力-应变关系曲线的对比分析,一定程度上揭示了混凝土宏观力学特性的内在机理,为探究混凝土类复合材料宏观力学特性的内在机制提供了技术保障。     

混凝土破坏过程的复合型界面损伤模型与数值模拟

在细观层次上将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及其之间的界面过渡区组成的三相复合材料,以规则化有限元网格映射到混凝土随机骨料结构上,根据单元的位置确定单元的材料特性,把不在单一材料区域、包含界面过渡区的单元视为一种广义复合材料单元,建立复合型界面损伤模型。该模型将修正的Vogit-Reuss模型运用到复合材料单元,形成等效均质单元;复合材料单元的损伤通过其各组成材料的损伤体现,采用拉断的Mohr-Coulomb准则作为材料损伤的判据。应用复合型界面损伤模型,结合统计方法考虑材料细观非均匀性,模拟混凝土试件在单轴拉伸和单轴压缩载荷(端面为理想无摩擦情况)作用下的断裂过程。研究结果表明:该模型可以较好地反映混凝土材料的宏观力学行为,可以有效地模拟混凝土材料的断裂过程。     

钢筋陶粒混凝土板的冲切强度

通过试验与理论分析，在比较陶粒轻骨料混凝土与普通混凝土板受力特性差异的基础上．对轻骨料混凝土板冲切破坏机理作了进一步探讨．在建立冲切破坏模式的基础上提出适合于轻骨料混凝土板冲切强度的计算公式．     

三级配混凝土单轴破坏的细观数值模拟

将混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料,采用非线性有限元软件Marc对东江拱坝三级配混凝土试件单轴受拉、单轴受压破坏的全过程进行数值模拟．按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用蒙特卡罗法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型．研究中,单轴受拉时采用最大拉应力准则,并考虑了材料的软化;单轴受压时采用线性莫尔-库伦准则．结果表明,混凝土的力学性能与其内部的细观结构组成密切相关,材料的宏观破坏是细观结构破坏累积的结果,无论是受拉时的开裂还是受压时的屈服,几乎都首先发生在界面上．     

混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析

将混凝土看成是由骨料、砂浆和界面过渡层组成的三相复合材料.结合部分力学参数试验,采用非线性有限元对混凝土梁受弯拉破坏过程进行了数值模拟.按照试件的实际配比,由Walraven公式计算出各种粒径区间骨料的平面等效面积,然后由随机骨料模型生成混凝土数值试件.混凝土细观结构的破坏由最大拉应力准则判别,对于软化段,采用了应力张开位移模型以缓解计算结果的网格依赖性.计算结果表明:界面厚度取0.2～0.8 mm,对试件的荷载位移全曲线的影响不大;任意形状骨料与圆形骨料的计算结果相近;界面层断裂能对梁宏观荷载位移曲线的形状影响较大.     

沥青混凝土断裂性能模拟研究

沥青混凝土开裂是沥青路面的主要病害之一。采用标准半圆形弯曲梁(SCB)试验及有限元模拟对沥青混凝土断裂机理进行研究。结合内聚力单元法与随机骨料建模技术对沥青混凝土断裂行为进行模拟仿真,通过生成随机骨料模型,探究骨料随机分布对沥青混凝土断裂行为的影响。结果表明:该模拟方法考虑了骨料对裂缝扩展的影响,能够有效地预测沥青混凝土的断裂行为,对沥青路面设计具有指导意义。     

Strength analysis of reinforced concrete columns with arbitrary cross-section under bieccentric loading

A nu merical method to analyze the failure load of reinforced concrete columns under bieccentric loading is presented. This method takes into account both material nonlinearity and geometric nonlinearity. The nonlinear constitutive relationships of concrete and steel bars are simulated by some cubic-splines. The derived element stiffness matrices are simple addition of the small-displacement stiffness matrix, geometric stiffness matrix and interaction component matrix. The element model may be used to analyze the ultimate load according to the material strength or stable limits. The formulations of reinforced concrete column elements derived here may also be used for beams or columns with arbitrary cross-section. The standard finite element approach presented in this paper is compatible with other finite element models. The theoretical results agree well with the experimental data.     

混凝土内裂纹沿水泥石/骨料界面或穿透骨料发展的条件

采用有限元方法,通过计算能量释放率并与材料断裂韧性对比,对弯曲荷载下骨料/水泥石界面区域裂纹走向进行分析判定。研究了水泥石、骨料性质对裂纹走向的影响。计算结果表明,对于给定骨料的混凝土,随着混凝土抗压强度(σ_c)的增大,弯曲型裂纹和穿透性裂纹两种裂纹走向的能量释放率之比呈逐渐减小趋势,而界面与骨科的断裂韧性之比则逐渐增大。两曲线的交点为的临界点,对应的混凝土标准抗压强度称为临界抗压强度σ_(cr)。当σ_c<σ_(cr)时,裂纹将沿水泥石与骨料的分界面发展,形成弯曲型裂纹;当σ_c>σ_(cr)时,裂纹将穿透骨料发展,形成穿透型裂纹。骨料种类对于σ_(cr)值的影响较大,花岗岩骨料为80 MPa左右,卵石骨料为72MPa,石灰石骨料为58MPa。     

混凝土骨料有限元模型自动生成方法

针对圆形、椭圆形、多边形三种剖面形状的骨料夹杂分别给出了混凝土的二维有限元建模方法,为细观结构研究提供了全自动的建模工具．提出了一种新的以面积为标度的任意两椭圆骨料侵入的判别准则,有效地克服了椭圆形骨料几何模型生成中的效率瓶颈问题;提出了综合考虑边数、形状、尺寸等随机特性的多边形骨料生成方法,并简单有效地保证了多边形骨料为凸的性质,使所建的随机几何模型能够更好地模拟人工骨料和再生骨料;对生成的几何模型,运用改进的推进波前法一次性生成所有骨料的有限元网格,为进一步的复合材料细观结构和宏观力学性能的多尺度计算打下了基础．最后用几个算例验证了算法的有效性。     

轻质高强微膨胀混凝土加固拱桥的动力分析

探讨了采用普通混凝土、普通微膨胀混凝土和轻质高强微膨胀混凝土3种材料加固的拱桥的动力响应,建立了有限元计算模型并给出了相应的分析方法。对各种模型进行了振动频率计算,并应用反应谱法和时程分析法计算了其地震反应。结果表明,采用轻质高强微膨胀混凝土加固的拱桥适应变形能力强,荷载力分布均匀,具有良好的抗震性能。     

混凝土细观力学性质对宏观断裂过程影响的数值试验

从混凝土的细观结构出发，假定混凝土是由砂浆基质、骨料及其它们之间的粘结带组成的三相复合材料，进行了混凝土中各个组成相对于宏观试样断裂特征及其强度影响的数值试验。从数值结果可以看出混凝土中砂浆基质与骨料之间的粘结带对于混凝土的宏观力学性能有较大的影响，普通混凝土在单轴载荷作用下破裂模式的数值试验结果也进一步证实了粘结带在混凝土断裂中所起的重要作用。     

随机骨料投放的分层摆放法及有限元坐标的生成

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的分层摆放法。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现了二维平面/三维空间有限元网格坐标的生成。结果表明,与现有方法相比,该方法可节省CPU时间,具有极高效率。这为实现大规模数值细观混凝土预处理,提供了有力的工具。