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.     

模型尺寸和骨料级配对混凝土细观非均质影响

针对现有细观力学模型无法反映模型尺寸和骨料级配对混凝土材料细观非均质影响的局限性,假定混凝土由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成,基于Voigt并联模型对细观单元材料力学性能进行等效,建立反映混凝土细观非均质的等效模型.以Weibull分布为假设分布,探讨四种骨料级配边长150-750mm细观等效模型的网格单元尺寸,以单元弹性模量的非均质分布表征材料的细观非均质性,探讨混凝土材料细观非均质性与模型尺寸和骨料级配的相关关系,研究材料细观非均质对混凝土强度及破坏模式的影响机理.研究结果表明:相同骨料级配下,随着模型尺寸的增加,网格单元尺寸增大,混凝土材料非均质性减弱;相同模型尺寸下,随着骨料级配的增大,网格单元尺寸略有增加,混凝土材料的细观非均质性增强;材料细观非均质性增强时,混凝土强度略有降低,损伤破坏区域分布广泛.     

高温下/后钢筋混凝土梁抗冲击性能:细观分析

冲击(或爆炸)和火灾往往伴随发生并威胁工程结构的使用安全,高温和高应变率对钢筋混凝土(RC)结构的耦合作用引起了研究者的广泛关注.本文结合混凝土细观非均质性,考虑钢筋和混凝土材料的应变率增强效应及高温退化效应,同时考虑钢筋与混凝土间的黏结-滑移行为,建立了RC梁抗火抗冲击性能研究的细观数值模型.与室温下落锤冲击试验结果对比,验证了细观数值模型的合理性,进而比较分析了高温下及高温后RC梁在冲击作用下的力学响应,揭示了RC梁的破坏模式与失效机制.结果表明:建立的细观数值模型能够有效描述RC梁在高温和冲击荷载联合作用下的破坏模式;相同受火时间,高温下RC梁表现出比高温后RC梁更为严重的破坏,且随受火时间的增加,差异逐渐扩大.     

混凝土破坏过程的数值模拟

采用梁 颗粒模型BPM2(beam particlemodel)模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程·在模型中用3种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种梁单元的力学性质均按Weibull分布随机赋值,以便模拟混凝土细观结构的非均匀性·数值模拟结果显示,混凝土宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果,揭示出混凝土破坏形态随材料性质分布的非均匀性变化而不同·     

粗骨料/浆体界面性能对混凝土力学性能影响的数值模拟

为了研究粗骨料/浆体界面过渡区对混凝土力学性能的影响,利用随机骨料模型生成二维混凝土数值试件,采用基于内聚力损伤的界面本构关系对混凝土数值试件进行了单轴受压和三点弯曲断裂细观数值模拟,分析了粗骨料与硬化水泥浆体界面粘结强度对混凝土力学性能的影响。研究结果表明:当非均质因子小于0.7时,界面粘结强度对混凝土的抗压强度和弹性模量影响很小,而当非均质因子大于0.7时,抗压强度和弹性模量快速增长;非均质因子与混凝土的断裂能呈线性增长关系;混凝土断裂破坏过程中断裂裂纹绕过骨料沿着界面曲折性扩展。     

混凝土轴心受拉试件细观数值模拟

为在细观层次研究混凝土轴心受拉状态下的损伤破坏机理,基于ANSYS参数化设计语言,建立了能够表征混凝土骨料随机分布和细观相材料力学参数非均匀性的混凝土轴心受拉试件细观数值模型.通过数值模拟,得到了混凝土内部微裂缝产生、发展直至试件断裂的演化过程和应力—应变曲线.结果表明,对于混凝土轴心受拉试件,虽然受到均匀拉应力的作用,但是由于骨料分布的随机性和细观相材料力学性质的差异,试件内应力和应变分布并不均匀,裂缝扩展存在弥散、集中、局部化阶段.骨料的存在既是导致裂缝产生的根源之一,又可在一定程度上阻碍裂缝的发展.本文的数值方法可以克服物理试验加载时难以对中的局限,弥补宏观层次采用均匀化方法研究的不足,有利于揭示混凝土轴心受拉损伤的破坏机理.     

基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

混凝土细观破坏过程的近场动力学模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)是一种基于非局部作用思想的理论,解决不连续问题时具有独特优势.首先概述了常规态型PD基本理论(Ordinary State-Based PD,OSB PD),采用了一种新的圆形骨料投放方法,有效地提高了混凝土骨料的投放率,建立了适用于混凝土细观破坏的常规态型PD计算模型.对混凝土结构的细观破坏过程进行了模拟,数值模拟结果与理论解吻合较好,进而分析了混凝土结构细观破坏机理.     

箍筋约束方形混凝土柱轴压强度尺寸效应律

箍筋约束混凝土柱轴压破坏名义强度存在尺寸效应,为了提高大尺寸箍筋约束方形混凝土名义轴压强度设计计算的合理性,研究了考虑尺寸效应的方形箍筋约束混凝土柱名义轴压强度的计算方法.考虑混凝土的非均质性,建立方形箍筋约束混凝土柱的三维细观数值模型,对其轴压作用下的破坏机制、失效模式和尺寸效应行为进行了分析.进而,凝练出了影响其轴压破坏尺寸效应的主导因素—箍筋的约束作用,即随箍筋约束作用增强,试件的名义轴压强度尺寸效应减弱.在经典的Ba6ant材料层次尺寸效应律的基础上,考虑箍筋约束作用的影响机制与规律,建立箍筋约束混凝土方柱构件层次的尺寸效应半理论-半经验公式.通过与模拟结果及已有试验数据的对比得知,所提出的尺寸效应公式能够很好地预测箍筋约束混凝土方柱的名义轴压强度.     

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。     

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.     

混凝土随机损伤本构关系研究新进展

提出了一类混凝土细观损伤物理模型，用于解释高性能混凝土在本构层次上的细观损伤演化特征，建立了混凝土单轴受拉，单轴受压与双轴拉压组合条件下的随机损伤本构关系模型。利用混凝土单轴受拉破坏全过程的声发射实验数据，引入随机建模理论，确立了细观损伤单元的极限破坏应变随机场分布参数，通过与一批高性能混凝土本构关系试验数据相比较，初步证实了采用随机损伤本构关系反映混凝土受力破坏机理的可行性。     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

弹丸侵彻混凝土靶板破坏过程的近场动力学模拟

为了精确描述弹丸侵彻混凝土靶板的破坏过程及其演化规律,文中采用基于非局部相互作用思想与空间积分方程建模的键型近场动力学(peridynamics,PD)方法,改进了近场动力学本构力核函数,对弹丸侵彻下混凝土靶板的动态破坏过程进行仿真分析。模拟了弹丸侵彻下混凝土靶板破坏的全过程,探讨了不同冲击速度下混凝土靶板的破坏特征,较好地描述了其损伤累积和渐进破坏过程。     

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。     

基于统一相场理论和内聚力模型的钢纤维混凝土界面过渡区力学性能研究

为探究数值模拟中界面过渡区不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其损伤、破坏过程的影响，基于统一相场理论和内聚力模型，针对含单根钢纤维的混凝土拉伸试验，采用2种方法建立钢纤维混凝土界面过渡区的数值计算模型，对比分析不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其破坏形态的影响，并考察不同因素对含单根钢纤维的混凝土极限抗拉强度的影响。结果表明，对混凝土基体部分采用相场断裂模型、界面过渡区采用内聚力模型，无论是计算结果还是细观破坏形态，都具有较好的准确性和可靠性；初始裂缝位置取30 mm和35 mm的钢纤维混凝土抗拉强度比取25 mm时分别提高30.8%和75.7%,钢纤维埋置角度为15°,30°和45°时的钢纤维混凝土抗拉强度比0°时分别降低12.2%,30.8%和48.9%,钢纤维增强作用受初始裂缝位置及钢纤维埋置角度影响较大，受钢纤维直径影响相对较小。采用统一相场理论可降低分析的难度、保证较高的计算精度，为研究钢纤维混凝土的损伤、断裂过程提供了理论参考。     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.