混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.     

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.     

再生混凝土多孔砖砌体轴心抗压强度试验

制作再生混凝土骨料替代率为75%、抗压强度达到MU10的再生混凝土多孔砖。对18个再生混凝土多孔砖砌体试件在轴心荷载作用下的试验进行研究。考察再生混凝土多孔砖砌体在不同砂浆强度下的受压性能和极限承载力,分析砌体的受压变形过程和破坏特征。结果表明:再生混凝土多孔砖砌体的受压性能和普通混凝土多孔砖砌体的受压性能基本相似,极限状态时多孔砖砌体被贯通的竖向裂缝分隔成若干独立小立柱,小立柱被压坏,再生混凝土多孔砖砌体轴心抗压强度略小于普通混凝土多孔砖砌体。通过对试验数据的分析,参考现行《砌体结构设计规范》建议的公式,提出了再生混凝土多孔砖砌体的轴心抗压强度计算公式。     

新型混凝土横孔空心砌块砌体受压性能研究

针对混凝土竖孔空心砌块存在的热、渗、裂等问题,提出并研究了一种混凝土横孔空心砌块.通过对9组(共54个)这种混凝土横孔砌块砌体的受压性能试验研究,了解了这种新型横孔砌块砌体的变形特征及破坏机理.基于试验结果并参考现行国家规范,提出了这种新型横孔砌块砌体的抗压强度计算方法.通过引入砌体对数型应力-应变关系模型,得到了这种新型横孔砌块受压应力-应变计算公式和弹性模量计算方法,对比结果表明,弹性模量计算值与试验值吻合良好.本文工作解决了新型横孔砌块抗压强度设计问题,为单轴受压下新型横孔砌块的内力分析和有限元分析提供了重要依据.     

刚性弹侵彻混凝土靶细观尺度模型的建立

与宏观尺度模型相比,混凝土细观尺度模型能够更加全面准确地描述混凝土的力学行为。编写了三维随机球形粗骨料的生成和投放程序,并采用一种基于背景网格的材料识别技术完成了水泥砂浆、粗骨料、界面过渡区三种网格的生成,建立了三维三相混凝土细观有限元模型。基于这一模型,运用连续有限元软件对刚性弹侵彻混凝土过程进行了仿真模拟。结果表明,与宏观模型相比混凝土细观模型能够更加真实地反映侵彻过程中混凝土的力学行为。     

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。     

用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法.该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和Walraven函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分;然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行了系统性的数值试验,并探讨了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性能的影响.与实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的.     

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.     

混凝土材料的动态力学性能研究

为研究混凝土材料的动态力学性能,通过自行编制的粗集料颗粒在混凝土材料中随机分布的二维生成程序,将混凝土作为水泥砂浆和粗集料组成的两相复合材料建立二维有限元模型,对混凝土复合材料在静动态压缩载荷作用下的力学性能和破坏形态进行了模拟. 在与实验结果比较的基础上,验证了有限元模型的有效性,进而分析了粗集料粒径级配和粗集料体积分数对混凝土材料动态力学性能和破坏形态的影响,为混凝土材料的优化和设计提供依据.      

玻璃纤维增强塑料约束再生混凝土轴压试验

主要以再生粗集料取代率为试验研究参数,完成了9个玻璃纤维增强塑料(GFRP)约束再生混凝土圆柱试件的轴压试验,重点分析了试件的受压破坏特性、轴向力-纵向位移关系、横向应变发展以及约束再生混凝土的横向变形系数的变化规律.试验和分析结果表明:GFRP约束再生混凝土纵向应力-应变关系呈弹性上升、弹塑性上升、下降、应变强化等4个阶段,其强度得到明显提高,变形性能得到改善,核心再生混凝土和GFRP管之间滑移较小,含再生粗集料试件的横向变形系数普遍低于不含再生粗集料的试件.     

石墨混凝土破坏过程力学与电学关系的数值模拟

利用导电混凝土力场-电场相互比拟的数值模拟方法研究混凝土轴心受压构件受荷破坏的全过程·应用材料破坏过程分析软件MFPA,把混凝土视为由水泥砂浆基元和粗骨料构成的复合材料,对构件的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏的全过程进行了数值模拟,计算出与实际构件尺寸一致的石墨混凝土单轴受压模型破坏全过程的力场·根据由实测的石墨混凝土割线模量-应变与电导率-应变曲线得出的力学量与电学量之间的比拟关系,将力场转换为电场·这不仅为导电混凝土电学关系的获取提供了一条新的途径,也为结构的健康监测等提供了一种新的计算方法·     

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。     

混凝土单轴荷载下细观损伤破坏的数值模拟

假设混凝土是由砂浆基质、骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,混凝土的细观力学性质服从Weibull分布,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过编制有限元程序对混凝土试件在单向拉伸和压缩情况下的破坏过程进行了数值试验．模拟结果表明,该模型可以用来研究单轴荷载作用下混凝土结构的破坏机理和多种尺寸试样尺寸效应律．     

不同轴压比再生混凝土框架柱抗震性能试验研究

文章通过对5个粗骨料取代率为100%再生混凝土框架柱低周反复荷载下的抗震性能试验,研究各试件的破坏形式、滞回特性、延性性能、承载能力,分析轴压比对试件的抗震性能的影响。结果表明:在剪跨比、配箍率、混凝土强度都一致的条件下,随着轴压比的增加,试件的滞回曲线越来越扁平,耗能能力、延性及极限承载力不断下降。再生混凝土框架柱抗震性能的变化规律与普通混凝土柱基本相似,略低于普通混凝土柱构件,因而可以确定再生混凝土框架柱适用于低轴压结构。     

硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压模拟

基于硫酸盐腐蚀混凝土单轴受压试验结果,通过对《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中无腐蚀混凝土单轴压应力-应变关系中的混凝土损伤演化参数进行修正,建立了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压本构模型。采用修正后的本构模型,以及ABAQUS软件自带的损伤塑性模型,考虑损伤因子的影响,较好地模拟了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土的单轴受压行为。有限元模拟结果表明：随着硫酸盐干湿循环次数和冻融循环次数的增大,混凝土最大受压损伤因子逐渐增大,损伤范围也逐渐扩大;最大主拉应力逐渐减小,中部压应力逐渐增大,等效塑性应变逐渐增大,混凝土破坏更严重;破坏均属于最大拉应变强度破坏。所提有限元模型可动态反映参数变化过程中混凝土的应力发展与损伤状态,可应用于硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压的模拟。     

再生集料沥青混凝土界面损伤行为特征

水泥混凝土再生集料是建筑垃圾经分选、破碎、筛分工艺处理后的天然集料替代物,包含了水泥砂浆、原生集料、水泥砂浆与原生集料复合体。沥青混凝土内部界面损伤是沥青路面开裂的主要诱因,探究再生集料对沥青混凝土内部界面损伤的影响,有利于水泥混凝土再生集料在路面工程的推广。本文研究首先采用再生集料制备再生集料沥青混凝土(recycled aggregate asphalt concrete, RAAM),将RAAM中内部界面分为水泥砂浆-沥青砂浆界面(cement mortar-asphalt mastic interface, CMI)和天然集料-沥青砂浆界面(natural aggregate-asphalt mastic interface, NAI),通过电镜扫描试验和X线计算机体层成像(X-ray computed tomography, X-ray CT)试验获取了沥青混凝土内部界面的微细观特征,并采用半圆弯曲试验和有限元模型分析了RAAM的界面力学特征。试验结果表明,再生集料中的附着水泥砂浆具有多孔结构,增加再生集料用量会加剧沥青混凝土高温压缩过程中的内部界面损伤,水泥砂浆内部、水泥砂...     

带填充墙框架的精细化有限元模拟与分析

研究钢筋混凝土框架结构内部填充墙对框架的抗侧刚度、承载力及变形能力的影响。采用混凝土塑性损伤模型及黏性接触面单元模拟填充墙砌块及砂浆,对框架填充墙砌体进行了精细化建模,并模拟框架的面内水平位移加载,得到填充墙砌体在不同加载阶段的裂缝开展形态及外框架结构的损伤情况。将数值模拟结果与试验值进行了对比,为带填充墙框架的有限元精细化模拟及分析提出了一种可行的方法。     

混凝土一种假三轴塑性本构模型

在试验中发现:混凝土在很小的压力下就有塑性变形,混凝土的应力状态达到峰值前甚至峰值后不一定会有扩容.考虑了这两个试验现象,在构造的模型中假定混凝土初始屈服强度为零,从而模型算出的单调加载条件下的应力-应变曲线具有和试验相符合的光滑、连续的特征.提出了判断材料的应力状态到达峰值前是否出现扩容的方法,使模型能对扩容和不出现扩容两种试验现象进行模拟.模型与沿4组假三轴压缩比例加载应力路径对混凝土加载的试验结果进行了对比,模型对实验中混凝土的峰前段应力-应变关系能进行合理模拟,对峰值后可模拟小段范围内的应力-应变关系及其趋势.     

平头弹撞击钢筋混凝土板的三维细观力学模拟

研究钢筋混凝土板在弹丸撞击作用下的响应和破坏对防护工程（核电厂安全壳）的安全计算和安全评估具有十分重要的意义.利用三维细观力学模型研究了平头弹以不同速度撞击钢筋混凝土板的开裂模式.假定混凝土是由砂浆基体、粗骨料和界面过渡层（ITZ）三相组成的复合材料,提出了三维三相细观力学模型的建模方法,并通过单元重构技术克服了ITZ层太薄而难以模拟的问题,从而大大提高了计算效率.结果表明：数值模拟再现了平头弹撞击钢筋混凝土板厚度方向的开裂破坏情况,模拟结果与实验观察具有良好的一致性.     

用随机骨料模型数值模拟混凝土材料的断裂

将混凝土看作由水泥砂浆、骨料及二者间的粘结带构成的三相复合材料；根据混凝土骨料的级配随机产生了混凝土骨料结构，将有限元网格投影到该结构上，并根据单元的位置确定单元的材料特性，用以代表混凝土的三个相结构。提出了断裂韧性与强度综合破坏准则，采用非线性有限元技术模拟了单边裂逢受拉试件从损伤到断裂破坏的全过程，为混凝土破坏机理的研究和发展、混凝土计算强度提供了新的技术路径。