基于细观力学的混凝土有效弹性性能预测

假定混凝土材料为由骨料和砂浆组成的二相复合材料,建立了混凝土随机骨料模型;按骨料与砂浆基体的弹性性能比值生成骨料较硬和较软两类试件进行有限元数值试验,系统研究了混凝土有效弹性性能预测中多种细观力学方法的优劣及各细观力学方法的适用范围.将细观力学方法预测结果与有限元数值试验得到的结果进行比较,并对这些细观力学方法预测精度及其变化规律进行了讨论.数值试验结果表明,当骨料体积和骨料与砂浆弹性模量比较大时,细观力学方法预测的结果误差较大,需要研究新的方法预测混凝土的有效弹性性能.     

沿河公路钢筋混凝土悬空路面板等效方法研究

弹性模量是钢筋混凝土路面板的重要物理参数,常在数值模拟和力学分析中使用。将钢筋混凝土路面视作复合材料,采用细观力学方法求解其弹性模量,进而等效为均质板。结合裂纹发展规律和钢筋阻裂效应,将钢筋下部混凝土体积分数作为钢筋的体积分数,对传统的混合率模型进行改进。按照骨料含量不同,概化为并串联模型和串联体模型两种等效模式,得出了相应的等效弹性模量预估模型计算公式。对骨料弹性模量和下部钢筋混凝土体积分数进行研究,得出如下结论:1串联体模型计算值在趋势上与实测值符合较好,略大于实测值;2当骨料弹性模量小于60 GPa时,并串联模型计算值小于实测值,且在10%范围内;3当骨料弹性模量大于60 GPa时,并串联模型计算值大于实测值且偏离较大,预估计算公式不再适用;4对于并串联体模型,钢筋体积分数可取(0.1~0.16),对于串联体模型,钢筋体积分数可取0.1以下的正值。     

对钢混桥梁面板中压缩薄膜效应的试验研究

为了研究钢混桥梁面板在压缩薄膜效应作用下的结构性能和真实承载能力,进行了一组1∶3比例桥梁模型的静力加载试验;并通过对混凝土强度、配筋率和支撑梁尺寸的改变来分析压缩薄膜效应对结构承载能力的影响。将试验结果与现行规范计算结果和数值模拟结果进行比较后发现,现行的设计方法不能够准确地反映桥梁面板的真实承载能力,而数值分析结果与试验结果有着较好的吻合。     

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。     

模型再生混凝土单轴受压静力与疲劳性能数值仿真

为了探讨再生混凝土中各相力学性能对其宏观力学性能的影响、寻找改善再生混凝土静力与疲劳性能的有效途径,基于ABAQUS软件建立了九骨料模型再生混凝土的有限元模型,并对各相材料赋予不同的损伤本构.分别采用显式准静态分析步和直接循环分析步对九骨料模型再生混凝土的单轴受压静力和低周疲劳加载进行数值模拟,并将静力性能仿真结果与试验结果进行对比.变参数分析结果表明:静力性能仿真结果与试验结果吻合较好;模型再生混凝土在界面过渡区会产生明显的应力集中现象,导致界面区砂浆塑性变形加剧,促使裂纹产生和扩展;随着再生粗骨料取代率的降低,模型再生混凝土的单轴受压强度和峰值应变逐渐增大;随着新砂浆强度的提高,模型再生混凝土的单轴受压强度逐渐增大;模型再生混凝土的疲劳性能较再生混凝土低,且应力-疲劳寿命曲线的趋势与普通混凝土相近.     

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.     

基于均匀化预测含初始缺陷钢纤维混凝土弹性模量

基于细观夹杂理论,将掺钢纤维的混凝土看成由砂浆、骨料、界面、初始缺陷、钢纤维以及界面处较大的孔隙率组成的多相复合材料,采用分步均匀化的方法建立预测混凝土混合夹杂模型,将微分法、Mori-Tanaka方法以及Christensen的三相模型相结合求解混合夹杂模型,模型预测结果与试验结果吻合较好,分析结果表明：骨料性质对纤维混凝土弹性模量影响显著,钢纤维混凝土整体弹性模量随水灰比,界面过渡区厚度,孔洞体积分数的增加而降低,随骨料体积分数,骨料弹性模量,钢纤维的弹性模量以及界面的弹性模量的而增大。     

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。     

混凝土单轴压缩破坏过程的三维细观数值模拟

从细观力学的角度出发,将混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面所组成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了混凝土圆柱体试件三维数值模型。进行单元划分,对试件中骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别及赋值。通过三个计算方案研究了混凝土单轴压缩下的力学性能及破坏过程,模拟了混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程。结果表明,该数值模型及计算方法能够较好地反映混凝土在单轴荷载作用下的力学特性。     

C45珊瑚混凝土的冲击压缩性能试验及数值模拟

为了研究珊瑚混凝土(CAC)的动态力学性能,采用试验研究和数值模拟相结合的方法对强度等级为C45的CAC冲击压缩性能及破坏特征进行了分析.首先,通过实验得到了CAC的压缩强度、应力-应变曲线和破坏特征;然后,采用HJC模型对其冲击实验进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,分析HJC模型及其参数的可靠性.结果表明:冲击压缩荷载作用下的CAC呈典型脆性破坏形态,其抗压强度具有明显的应变率效应;可以采用欧洲混凝土委员会推荐的计算模型来分析预测CAC的动态增强因子;动态屈服强度试验值与模拟值的误差(1.76%～7.71%)在允许范围内,说明HJC模型及其模型参数在C45 CAC的冲击力学性能分析方面具有较高的可靠性.     

藏族民居砌体材料物理力学性能试验研究

选取阿坝藏族自治州理县境内的黄泥与石材,参考国家标准试验方法,进行黄泥与石材物理力学性能试验研究,将试验结果与数值分析结果进行对比。结果表明:黄泥土粒主要由砂粒组成,级配良好;黄泥抗压强度为0.408 MPa,弹性模量为231 MPa,石材抗压强度为67.92 MPa;黄泥砂浆弹性阶段承载力模拟值略高于试验值,但极限承载力基本保持一致,石材弹性阶段与弹塑性阶段模拟值均与试验值保持一致,数值分析结果与试验结果吻合较好。试验研究结果可为砌体材料力学性能数值分析方法提供理论基础。     

基于贝叶斯优化高斯过程回归法的再生混凝土力学性能预测

为了更准确地预测再生骨料混凝土的抗压强度与弹性模量,建立了一个比以往研究大的数据库,具有730组数据,为建立可靠的预测模型奠定了基础。提出了贝叶斯优化的高斯过程回归方法,选取再生粗骨料体积分数、水灰比、混合粗骨料吸水率、细骨料与总骨料比、粗骨料与水泥比、混合粗骨料饱和表面干密度等6个参数作为影响因素,同时建立了再生骨料混凝土抗压强度和弹性模量预测模型。通过比较抗压强度、弹性模量的预测值与实验值,发现二者较为接近,说明该方法具有一定的可靠性。将贝叶斯优化的高斯过程回归与高斯过程回归、支持向量机回归、随机森林回归、人工神经网络进行比较,并选取4个统计指标对模型进行评价,结果表明贝叶斯优化的高斯过程回归预测抗压强度和弹性模量精度较高,相关系数分别达到了0.91和0.93。这说明贝叶斯优化的高斯过程回归方法对预测再生骨料混凝土的抗压强度和弹性模量同时适用。     

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

混凝土力学性能的应变率效应

针对混凝土材料本构关系具有明显的应变率效应,对混凝土材料在不同应变率下的力学性能进行了分析研究。总结了应变率对混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量以及临界应变的影响,通过比较各拟和公式预测的动态增大系数以及文献中的试验数据,分析了各公式的适用条件和范围。结果表明：对于混凝土抗压强度,在不同的应变率范围内应采用不同的经验公式;对于混凝土抗拉强度,修正的CEB（欧洲国际混凝土委员会规范）公式与试验数据符合更好;应变率对弹性模量的影响较小,可采用CEB公式计算动态弹性模量;应变率对与极限抗压强度、极限抗拉强度相对应的临界应变值的影响需做进一步的研究。     

煤矸石保温混凝土抗压强度与弹性模量试验研究

煤矸石保温混凝土是以玻化微珠为保温骨料,煤矸石取代部分天然石子为粗骨料的一种结构自保温材料。为研究煤矸石掺量对煤矸石保温混凝土抗压强度、弹性模量的影响,以煤矸石掺量为变量,研究掺量分别为0、30%、50%、70%、100%时,煤矸石保温混凝土的抗压强度和弹性模量。试验结果表明:煤矸石保温混凝土的强度、弹性模量随着煤矸石掺量的增加而降低,当煤矸石掺量为100%时,与玻化微珠保温混凝土相比,抗压强度和弹性模量分别降低了38.28%、39.79%;不宜采用《混凝土结构设计规范》中的计算公式计算煤矸石保温混凝土的弹性模量,通过回归分析得出了煤矸石保温混凝土弹性模量的计算公式。     

约束条件下CFRP筋单轴抗压性能试验

对约束条件下3种直径的碳纤维增强复合材料(CFRP)筋进行单轴抗压性能试验,分析筋材长细比、直径对抗压强度、极限应变及抗压弹性模量的影响.结果表明:CFRP筋为典型的脆性材料,其破坏形态主要有剪切破坏、劈裂破坏、压碎破坏、屈曲破坏;直径相同的CFRP筋的抗压强度、极限应变及抗压弹性模量均随长细比的增大而降低;当长细比一定时,CFRP筋的极限应变随直径的增大而降低,但直径的变化对抗压强度和抗压弹性模量的影响甚微.     

钢纤维混凝土力学性能试验研究

对钢纤维体积率（Vf）为0～3％、基体强度为C50的钢纤维混凝土（SFRC）进行立方抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲强度、弹性模量和泊松比的测试，试验结果表明：SFRC抗压强度随Vf的增加仅仅有着小幅度的增长，正向立方抗压强度略大于侧向立方抗压强度；轴心抗压强度与立方抗压强度之比值在0．75～0．77之间：钢纤维对SFRC的抗拉、抗弯性能起着明显的增强作用，正向、侧向劈裂抗拉强度比值随Vf的增加而增大；SFRC的弹性模量和泊松比均是不敏感的材料参数，前者随材料抗压强度的提高而缓慢增加，后者随Vf的加大而略有减小．     

锦屏大理岩相似材料制备及其力学性能分析

基于深埋隧洞围岩岩爆模拟实验的需要,以锦屏大理岩为工程背景,采用石英砂、重晶石砂、重晶石粉、松香和酒精研制了一种新型的以松香作为胶结剂的岩石相似材料。通过多次试配总结了相似材料的制备方法,以粗细骨料质量比例和松香用量2个参数为主要变量,制作了16组不同配比的试样,开展了单轴压缩实验,并测算了试样的重度。实验结果表明,相似材料的抗压强度和弹性模量受松香用量的影响较大,拟合得到了抗压强度-松香掺量关系式,并计算得到了模拟锦屏大理岩的材料配比。为提高相似材料的适用性,对材料比重和弹性模量的调整方法进行讨论得出,可以将重晶石砂替换为石英砂以调节材料重度,在材料中掺入少量的硅油或橡胶粉,可以调节其弹性模量。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

碱矿渣混凝土基本力学性能试验研究

以水玻璃和Na OH作为激发剂,矿渣微粉作为胶凝材料,硫铝酸钙氧化钙膨胀剂作为掺合料,制备碱矿渣混凝土基本力学性能试验标准试件,开展其立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、弯拉强度、弹性模量和泊松比基本力学性能试验研究.结果表明:碱矿渣混凝土表现出良好的早强性能,SEM微观分析显示骨料与浆体界面间未见明显过渡区,膨胀剂的掺入可以提高碱矿渣混凝土的早期(1 d、3 d)强度,降低后期(28 d)强度;同强度等级的碱矿渣混凝土的抗拉韧性要优于普通硅酸盐混凝土,弯拉强度、弹性模量和泊松比与普通硅酸盐混凝土相当;膨胀剂的掺入对弯拉强度有较大幅度的降低;已有弹性模量各建议计算式计算结果中与试验值最为接近的为中国规范.