高温下混凝土硬化模型研究

高温下混凝土的塑性和粘塑性应变分析是有关水工结构的设计基础本构关系用于表示材料应力和应变之间的联系,其中混凝土的硬化模型研究占有重要地位,在硬化模型研究中的难点之一是,关键材料参数须由双轴拉压试验方法确定,对设备的要求较高,工作量大,笔者通过分析材料单元在多轴应力状态和单轴应力状态下变形的内在联系,得出了一种由单轴压缩试验确定关键硬化材料参数的简便方法,改进了高温下的混凝土本构关系,使得进行更为可靠的结构设计成为可能。     

岩石的弹塑性扰动状态本构模型

假定岩石的相对完整状态符合分级单屈服面(HISS)模型并考虑其各向同性硬化,岩石的完全调整状态对应于理想刚塑性,通过定义扰动函数,则岩石应力峰值后的软化行为可用HISS模型叠加扰动进行描述,从而建立基于扰动状态概念理论的岩石弹塑性本构模型.利用RMT-150B对焦作砂岩进行单轴、三轴压缩破坏试验,以确定本构模型中的材料参数.应用建立的弹塑性本构模型,对岩石在单轴应力状态下的力学响应进行了描述.研究结果表明,建立的弹塑性本构模型能描述单轴下岩石的应力-应变全过程.     

考虑温度影响的混凝土非线性本构模型

通过大量试验,测得了混凝土在常温20 ℃及200～600 ℃高温后的应力-应变关系.论述了Jones-Nelson-Morgan模型的构成原理及其参数的确定方法,利用这个模型,结合混凝土在常温的单轴试验结果,建立了混凝土的非线性本构模型.该模型的特点是材料的力学性能只为应变能的函数,使材料模型可以方便地解决考虑多因素影响的复杂问题.考虑温度因素的影响,将模型推广应用于高温后混凝土的本构关系分析,获得了与试验结果符合较好的理论模型.     

T225NG合金的高温单轴棘轮行为研究

在200、300、350、450℃等温度下对T225NG合金进行了单轴棘轮行为试验研究,分析了温度、应力幅值、低峰值应力棘轮历史对T225NG合金棘轮行为的影响.研究表明,在高温下峰值真应力具有对T225NG合金饱和棘轮应变控制的一元特性,饱和棘轮应变与幅值和先前的低峰值应力棘轮历史无关;在相同峰值应力下,温度越高则塑性应变累积越迅速,饱和棘轮应变越大;高温下T225NG合金出现异化的棘轮应变演化关系,现有本构理论难以描述.基于单试样多级加载试验方法,建立了一个用于预测T225NG合金单轴高温饱和棘轮应变的本构模型,该模型对试验数据有较好的相关性,可以较好地描述单轴棘轮应力与饱和棘轮应变之间的关系.     

类岩石材料声发射参数与应力和应变耦合本构关系

利用液压伺服试验系统和声波监测仪开展了岩石和混凝土材料声发射特性试验研究,并在试验基础上研究了损伤变量与声发射参数之间的量化关系.结果表明,损伤变量与声发射参数呈线性关系.采用基于Weibull分布的损伤本构模型及损伤变量与声发射数间的经验公式,推导出应力、应变参量与声发射数参量的耦合模型,该模型参数可以根据应力--应变全曲线及损伤变量与声发射数关系曲线的几何边界条件确定其表达式,方式简单适用.通过与岩石和混凝土试样单轴压缩试验实测结果对比,证实模型可以很好地反映单轴受压状态下岩石和混凝土的应力、应变与声发射数的耦合关系.     

深井冻结壁粘弹塑性力学分析

通过大量的冻结粘土单轴蠕变试验,获得了单轴应力状态下的蠕变曲线及其参数.根据材料在弹性条件下单轴和三轴条件下的应力强度和应变强度关系,建立了三向应力状态下冻土的蠕变本构方程;分析了粘弹塑性冻结壁应力状态及塑性区的扩展规律,推导了不同区域冻结壁应力场和位移场的计算公式,探讨了防止冻结管断裂的措施.     

一种新的混凝土受拉本构模型

混凝土单轴受拉应力-应变曲线存在形式多样且不统一.根据等效应变假设和损伤力学基本原理,建立了单轴受拉混凝土的弹塑性本构模型,可导出已有单轴受拉本构关系,并能反映混凝土的刚度退化和卸载后的残余变形;提出一类损伤函数和不可逆变形表达式,利用应力-应变曲线特征条件和优化算法确定模型参数;与已有受拉结果相比较,模型的预测结果良好。     

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.     

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

本文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。     

基于四参数等效应变的各向同性损伤模型

针对Eoland和Mazars各向同性损伤模型关于峰值应力前后应力应变曲线假设的缺陷,做了两点改进：(a)认为应力峰值前后d—s均为非线性关系;(b)根据Hsieh—Ting-Chen强度破坏准则的基本思想,给出了一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变．该等效应变不但可以用于描述单轴应力状态下混凝土的本构关系,而且能描述多轴应力状态下混凝土的本构关系．数值算例验证了所给等效应变的合理性,从而说明了修改过的Mazars损伤模型的正确性．     

材料本构模型参数对二维直角切削仿真的影响

利用AdvantEdge切削仿真软件建立二维直角切削过程的数值仿真模型,通过改变工件材料本构模型中的初始应力、应变硬化系数、应变率强化系数和热软化系数,获取各模型参数对二维直角切削仿真结果的影响. 结果表明:对切削力、刀尖温度和应力影响最大的是热软化系数,对切屑形貌影响最大的是初始应力;材料本构模型主导切削仿真过程中的应力-温度场耦合过程,同时,本构模型参数对仿真结果的影响具有明显的非线性效应.     

沥青混凝土内时本构模型

基于Gibbs自由能公式,推导了沥青混凝土的内时本构模型.模型考虑沥青混凝土的温度敏感性和非线性,体积模量、剪切模量、强化函数和内变量的演化方程为绝对温度的函数,并且体积模量和剪切模量分别是第一应力不变量和第二偏应力不变量的非线性函数.通过不同温度下的应力-应变关系试验确定了模型的参数并对模型进行验证,结果表明:所建立的内时本构模型可以描述沥青混凝土的高温度敏感特性和力学特性.     

基于修正塑性功函数的砂土硬软化本构模型

基于与应力路径无关的修正塑性功函数,提出了一个新的可以考虑砂土变形强度应力路径效应的弹塑性硬化-软化本构模型.模型所采用的与应力路径不相关的修正塑性硬化函数是基于砂土多应力路径平面应变压缩试验结果、经过数学拟合而得到的.文中建议的本构模型属于等向硬化-软化、考虑非关联流动的弹塑性模型.有限元计算结果与室内试验结果比较表明,该模型不仅可以较好地模拟砂土变形强度的应力路径效应,同时也可以模拟砂土变形强度的应力水平依存性、强度的固有结构性各向异性、初始空隙比依存性,以及砂土伴随剪切破坏的软化效应.     

基于纤维模型的FRP约束混凝土圆柱本构模型研究

在OpenSees平台上采用纤维模型模拟FRP约束混凝土圆柱的受力性能时需要开发相应的本构模型.基于Jiang和Teng提出的分析型骨架本构模型,将不同峰值应力、应变计算公式的计算结果与试验结果进行比较,选择了更为精确的计算公式,并将其引入该骨架模型.该模型还考虑了箍筋对核心混凝土的约束作用,采用FRP极限环向抗拉应变折减系数得出FRP片材在环向受拉破坏时的极限拉应变.根据是否考虑钢筋的疲劳采用两种不同钢筋本构关系对试件进行模拟.采用该模型不但可以得到构件的轴向应力应变关系,还可以计算横向应变与轴向应力的关系,模拟结果与试验结果吻合较好.     

高温下自密实混凝土强度和变形性能试验研究

进行了不同温度下自密实混凝土、掺加聚丙烯纤维的自密实混凝土、高强混凝土的抗压强度及应力-应变曲线的非持荷试验研究,分析了抗压强度、应力-应变关系随温度的发展变化规律,基于试验结果给出了相应的应力-应变曲线方程,并与普通混凝土、高强、高性能混凝土研究成果进行了对比分析.为高温下自密实混凝土本构模型的建立奠定了基础,也为自密实混凝土结构的设计和分析提供了试验依据.     

GFRP管以及LRSFRP管约束高强混凝土圆柱的轴压性能

进行了18根GFRP约束高强混凝土圆柱和2根LRSFRP约束高强混凝土圆柱的轴压试验,研究了FRP管材料、直径和壁厚等参数对FRP约束高强混凝土圆柱轴压性能的影响。结果表明,GFRP管约束高强混凝土圆柱的轴压性能存在尺寸效应。即环向约束应力大小相同时,GFRP管约束高强混凝土圆柱的极限承载力和极限应变随着试件尺寸的增大而减小。随着GFRP管壁厚的增大,GFRP管约束高强混凝土圆柱的极限压应力和极限压应变相应提高。LRSFRP管约束高强混凝土圆柱的延性较GFRP管约束高强混凝土圆柱好。最后,研究了现有FRP管约束混凝土的本构模型对GFRP管和LRSFRP管约束高强混凝土圆柱的适用性。研究发现Teng等人的模型对GFRP约束高强混凝土圆柱的适用性较好。而现有主要FRP管约束混凝土的本构模型对LRSFRP管约束高强混凝土圆柱的适用性较差。     

低碳9Ni钢的动态再结晶数学模型

利用MMS-300热模拟实验机对9Ni钢进行了温度范围为800～1150℃、应变速率范围为0.05～1s-1的单道次压缩实验.通过应力-应变曲线研究了9Ni钢的动态再结晶规律,采用硬化率-应力(θ-σ)曲线较精确地确定了动态再结晶的临界条件和峰值应力应变.采用回归法确定了双曲线本构方程中的材料常数和动态再结晶激活能(269kJ/mol),并建立了临界应变、峰值应变和峰值应力与无量纲参数Z/A之间的关系.利用Avrami方程和应力应变曲线建立了9Ni钢动态再结晶动力学模型.     

20CrMnTiH本构模型的建立及验证

以高温压缩实验为基础,分析了变形温度1 123~1 423 K、应变速率0.01~10 s-1条件下20CrMnTiH的流动应力行为,并引入Zener-Hollomon参数,根据蠕变理论回归确定变形激活能、硬化指数、材料相关常数,构建了材料的本构模型.以Z参数作为本构模型准确性的衡量标准,根据Arrhenius指数方程建立了峰值应力、峰值应变关于Z参数的表达式并求出估算值,代入基于应变软化的应力应变方程,采用整个应变区间上的非线性拟合求解待定参数.方程计算值与实验数据具有良好一致性,平均误差为6.84%,证明Z参数的精度较好,从而间接验证了该模型的准确性.
     

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。     

水泥土强度特性和损伤本构模型研究

为探究围压对水泥土强度特性的影响以及建立不同围压影响下的损伤本构模型,开展室温和冻结状态不同围压下三轴剪切试验.考察了围压对水泥土力学参数的影响规律,建立能够反映出低围压对冻结水泥土强度的强化作用和高围压的弱化作用的修正Hoek-Brown强度准则.假设水泥土微元强度的分布规律服从双参数的Weibull函数,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式分别确定室温和冻结状态下水泥土微元强度,建立了考虑围压的统计损伤本构模型.结果表明,基于Hoek-Brown强度准则和其修正形式建立的损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下水泥土应力-应变曲线,且能够反映出冻结状态水泥土低围压下的应变软化现象与高围压下的应变硬化现象.室温状态时不同围压下损伤变量随轴向应变变化曲线形状相似,均随轴向应变增加呈"S"型单调递增.冻结状态下低围压抑制水泥土损伤劣化程度;高围压使其损伤劣化程度增加,在轴向应变很小时,损伤变量就达到较大值.