骨料级配对水工全级配和湿筛混凝土拉伸断裂性能差异的影响

采用湿筛混凝土表征全级配混凝土力学性能是解决试验条件受限时水工混凝土性能测试的重要方法.目前关于骨料级配对水工全级配和湿筛混凝土拉伸断裂性能差异的影响少见研究,因此论文采用细观有限元分析与Monte Carlo模拟相结合的方法,在分析不同骨料级配水工全级配和湿筛混凝土拉伸断裂性能差异的基础上,重点探究上述差异随骨料级配的变化规律.研究表明,骨料级配对全级配与湿筛混凝土拉伸断裂性能的差异有着较为明显的影响,主要表现在随着骨料粒径的增大和大骨料占比的提高,拉伸弹性模量的比值(大于1)增大,峰值抗拉强度、峰值拉伸应变及断裂能的比值(小于1)减小.     

基于率相关内聚力本构模型的混凝土细观单轴受拉性能

混凝土宏观率相关效应研究已经取得了十分丰富的成果,其细观结构和材料参数显著影响混凝土宏观力学性能,因此,从细观尺度研究混凝土动态性能是揭示混凝土宏观率相关效应的重要途径.本文引入应变率影响,修正界面内聚力本构模型,从细观尺度研究了不同骨料含量和骨料形状的混凝土在不同加载速率下的单轴抗拉破坏模式和力学特性.分析结果表明：随着加载速率增加,混凝土破坏裂缝分布更加均匀;混凝土抗拉强度的增量与应变率的对数呈线性关系;混凝土抗拉强度随骨料含量增加近似线性减小,但骨料形状对其影响很小.     

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.     

孔隙对混凝土宏观力学性质的影响

目的研究混凝土孔隙结构参数对混凝土弹性模量、单轴强度等宏观力学性能及破坏规律的影响,建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,为以后改善混凝土的力学性质打下基础.方法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,通过数值试验研究孔径、孔隙率对混凝土强度和弹性模量的影响规律.结果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;抗拉抗压强度在同一孔径(孔隙率)下随着孔隙率(孔径)的增长呈对数下降;初始孔隙率越大,材料达到峰值应力时新破坏的面积越小;多孔径作用下的宏观力学性质是单一孔径力学性质的积分.结论混凝土中孔径分布和孔隙率对其弹性模量和强度均有较大影响.孔隙率相同时,多种孔径作用下的混凝土宏观力学性质是单一孔径作用下的宏观力学性质的加权平均值.     

基于SEM-DIC耦合方法的混凝土界面过渡区孔隙率影响研究

混凝土界面过渡区（ITZ）是混凝土骨料与砂浆的交界区域，相比于砂浆，其具有更小的强度与弹性模量，难以直接观察测量.为了描述ITZ的损伤演化，通过原位加载压缩试验，结合扫描电镜获取特定试件的表面细观形貌，用数字图像相关（DIC）方法分析ITZ孔隙率信息并表征ITZ损伤.同时，根据孔隙等效模型进行有限元模拟，给出一种能直观表征混凝土ITZ损伤的方法.研究结果表明：ITZ损伤分布大致表现为骨料-ITZ边界处的快速增长以及ITZ-砂浆边界处的缓慢减小；ITZ的弹性模量与孔隙率之间呈负二次幂函数关系，大致上符合EMF理论；ITZ的损伤因子与孔隙率之间呈二次多项式函数关系；ITZ的损伤程度可由孔隙率来表征；考虑混凝土界面过渡区影响的有限元模拟结果与试验结果基本吻合，说明试验所得结论可靠，可为混凝土结构损伤演化提供部分理论参考与数据支持.     

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。     

模型再生混凝土单轴受压性能细观数值模拟

提出了模型再生混凝土的概念,根据各相介质细微观力学参数和本构关系建立了数值模型,对再生混凝土的破坏机理进行了仿真分析.通过变化再生粗骨料取代率、新硬化水泥砂浆强度、老硬化水泥砂浆强度、老硬化水泥砂浆厚度以及界面过渡区(ITZ)强度等参数,对模型再生混凝土单向受压性能进行了对比分析.结果表明:新硬化水泥砂浆和老硬化水泥砂浆强度对混凝土的初始弹性模量和峰值应力有较大影响,老硬化水泥砂浆厚度对模型再生混凝土的初始弹性模量和峰值应变有一定影响,界面过渡区的强度对再生混凝土的初始弹性模量、峰值应力和峰值应变的影响不显著.     

单轴压缩条件下岩石细观力学参数特性数值研究

基于ABAQUS提供的二次开发平台,建立数值试验模型研究了岩石中细观单元各主要力学参数与宏观响应的关系.模型采用Weibull分布来描述离散后岩石细观单元的力学性质参数,并应用Monte-Carlo方法编制程序进行单元力学参数的赋值.数值模拟结果表明:细观单元和宏观试样的弹性模量、强度之间具有良好的线性关系;岩石的宏观强度会随着细观单元的压拉比的降低而增大,其脆性则会随着单元均质度的增大而增加,而岩石宏观残余强度受细观单元残余强度影响很小.最后,通过岩石单轴压缩破坏过程的数值模拟与SEM试验结果对比,验证了数值模型的合理性.     

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应力分布特征

根据再生混凝土各相材料的力学特性,对模型再生混凝土进行细观数值分析,获取模型再生混凝土单轴受压下内部应力分布特征.通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和老硬化砂浆的力学参数对模型再生混凝土应力分布特征的影响.结果表明,模型再生混凝土天然骨料之间的新老界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象;天然骨料弹性模量增大,应力集中现象愈加明显,界面过渡区弹性模量增大,应力集中现象则逐渐减弱,老砂浆弹性模量增大应力集中特征变化不大.     

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.     

基于骨料断裂率的混凝土断裂力学性能研究

为了从细观层次上研究混凝土的断裂力学性能,采用图像分析法计算了三点弯曲试验中试件断裂面上的骨料面积,得到骨料断裂率AF/A,定性分析了混凝土抗拉强度、抗压强度与骨料断裂率的关系。分析结果表明:骨料断裂率随混凝土强度提高而增大且逐渐趋近于50%。对比各断裂参数随混凝土骨料断裂率的变化规律发现,CMODc、CTODc和wc随骨料断裂率的变化较小,断裂能随骨料断裂率的提高先增大后减小,在AF/A为42.9%处取得最大值。     

基于正交试验的岩石细观力学参数数值研究

利用颗粒流程序,基于平直节理接触模型,进行了七因素三水平的正交数值试验,研究了接触面单元数N、平直节理模量Ec、平直节理刚度比kr、摩擦系数μ、平直节理抗拉强度σc、平直节理黏聚力c和平直节理内摩擦角θ等7种细观参数对岩石宏观力学参数的影响.研究结果表明:N、σc和c是影响岩石强度特性的显著性因素,岩石抗拉强度、单轴抗压强度和黏聚力与N呈负相关关系,与σc和c呈正相关关系;Ec和kr则是影响岩石变形特性的显著性因素,Ec主要对弹性模量起控制作用,kr主要影响岩石的泊松比和弹性模量,岩石的弹性模量与Ec呈正相关关系,与kr呈负相关关系,泊松比与kr呈正相关关系;摩擦系数对岩石宏观参数的影响与围压有关,围压可诱发颗粒间的剪切滑移机制;θ只对单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角产生一定的影响,但并不显著,对其余宏观参数几乎不产生影响;细观参数标定实例表明基于正交试验标定岩石细观力学参数的方法是可靠的.     

钢筋陶粒混凝土和普通混凝土断裂参数K_(IC)和CTOD_(IC)的试验分析

通过对加筋及无筋陶粒混凝土和普通混凝土带大、小缺口的三点弯曲梁进行试验和有限元分析,对其断裂性能进行研究,分析得到配筋大小、混凝土品种和强度、切口深度对混凝土断裂韧度K_(IC)及临界裂缝尖端张开位移CTOD_(IC)的影响。提出了断裂韧度K_(IC)与混凝土抗拉强度、切口深度的计算公式。试验和分析证实。裂缝开始失稳扩展时,CTOD_(IC)值的变化范围很小,有可能成为控制混凝土失稳断裂的材料参数。     

基于两尺度模型的CRCP冲断区域剥落研究

为研究连续配筋混凝土路面(continuous reinforced concrete pavement,CRCP)冲断区域混凝土剥落机理,细观上采用离散元方法,宏观上采用有限元方法,基于宏观、细观两尺度模型对混凝土剥落展开研究。首先在分析混凝土剥落形成原因的基础上将剥落分为分层剥落和剪切剥落,并建立剥落力学分析模型;然后考虑水泥混凝土细观上由集料、胶凝材料及其界面组成,进行水泥混凝土抗压强度数值模拟试验,通过调试获得不同强度等级下混凝土的细观参数,以所得细观参数为基础,进行混凝土弯拉强度和抗剪强度细观数值模拟试验,得到其弹性模量、弯拉强度和抗剪强度,并将数值模拟试验结果与室内试验结果进行对比,将所得参数用于路面有限元建模和混凝土剥落机理分析;最后考虑冲断区域特点,建立CRCP宏观力学分析有限元模型,对车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下的冲断区域剥落进行研究,并对混凝土细观参数(水泥掺量、水泥强度、界面强度等)和宏观影响因素(脱空、基层模量、路基模量等)的影响进行研究。研究结果表明:细观数值模拟试验结果与室内试验结果拟合良好;车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下,剪切剥落不易发生,分层剥落较易发生;车辆荷载和外界环境作用下混凝土强度衰减、车辆超载和路基模量偏小是剥落产生的主要原因;路面设计选择材料时,适宜的集料类型及高强的水泥可有效减少剥落。     

混凝土等效弹性模量细观影响因素

目的研究混凝土等效弹性模量细观影响因素及细观损伤特性.方法将混凝土简化为两级二相复合材料的叠加,基于Eshelby和Mori-Tanaka方法,在砂浆和界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)引入微孔洞,建立混凝土等效弹性模量和三组相体积分数、弹性模量之间的关系,用混凝土等效弹性模量的退化来表征混凝土的损伤,推导混凝土初始损伤与孔隙率之间的关系.结果混凝土等效弹性模量随着界面过渡区厚度的增加而降低,随着孔隙率特别是界面过渡区孔隙率的增加而降低,针片状粗骨料颗粒使得混凝土等效弹性模量分布不均匀;混凝土损伤变量与砂浆内孔隙率呈线性关系,与界面过渡区内孔隙率呈指数关系.结论界面过渡区厚度、粗骨料形状和孔隙率对混凝土等效弹性模量有明显影响,微缺陷会降低混凝土弹性模量,尤其是界面过渡区上的微孔洞对混凝土损伤的影响较为显著.     

混凝土受拉弹塑性本构关系

针对已有混凝土单轴受拉应力-应变关系的不足，用细观损伤单元的并联体模型，并假定细观单元体为理想弹脆性材料，其断裂应变组成随机场，基于随机损伤力学原理，较为详细地推导了单轴受拉混凝土本构关系.结合已有研究成果，对损伤演化、初始弹性模量和峰值拉应变加以改进，建立了基于混凝土立方体抗压强度的参数计算方法.建议了受拉混凝土卸载/再加载的变形模量计算公式，导出卸载后的残余应变.与试验结果的对比也验证了其合理性，研究成果可为混凝土结构设计规范修订提供参考.     

基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟

为了更好地研究混凝土的力学性能和破坏机理,该文在已有细观力学模型的基础上,发展了高效的骨料投放方法及单元筛分准则.基于连续介质力学的方法,采用弹性损伤本构关系描述混凝土细观各相材料力学行为,建立了随机骨料数值模型及相应的细观单元参数选取方法.以多组不同骨料分布的Petersson三点弯曲梁为例,分析和探讨了混凝土的破坏机理.结果表明,该数值模型能较好地模拟混凝土I型断裂拉伸破坏全过程,与试验结果表现出良好的一致性.     

钢筋混凝土梁冲击响应的3D细观力学模拟

钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下响应和破坏的研究受到了广泛的关注.本文通过建立3D细观力学模型,并结合新近研发的混凝土动态计算本构模型,模拟计算冲击载荷作用下钢筋混凝土梁的响应和破坏.3D细观力学模型假定混凝土是由砂浆基体、粗骨料和界面过渡层(Interfacial Transition Zone,简称ITZ层)三相组成的复合材料.混凝土动态计算本构模型考虑了压力相关性、剪切损伤、拉伸损伤、Lode角效应和材料应变率效应等主要因素.结果表明:数值模拟得到的冲击载荷、梁跨中点挠度的时程曲线以及裂纹的分布和扩展模式与实验结果吻合得较好;新提出的混凝土3D细观力学模型和新近研发的混凝土动态计算本构模型可以用来预测钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下的响应和破坏.     

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.