基于激光扫描的细观混凝土模型

将激光扫描技术与发展的状态点阵骨料投放算法相结合,实现了三维、二维细观混凝土几何建模.三维模型的构建通过激光扫描仪对骨料进行信息采集进而构建骨料库,结合骨料投放算法,构建出反映真实骨料形态、分布和级配等特征的三维混凝土细观模型.二维模型的构建仅需对三维模型进行剖切.激光扫描技术能给出骨料的空间真实形态,骨料库的构建保证了骨料的随机多样性,骨料投放算法则将整个建模过程程序化.为了验证该方法,选取典型切面构造二维模型,结合室内实验,利用内聚力模型研究了骨料空间分布对混凝土单轴压缩破坏的影响规律.     

低温下混凝土单轴压缩破坏及尺寸效应细观有限元分析

考虑混凝土材料各相组分特征,建立了细观层次有限元分析方法,模拟了不同尺寸几何相似混凝土试块在室温及低温下的静态单轴压缩破坏响应,探讨了低温下混凝土单轴压缩名义强度退化行为及尺寸效应影响规律.研究结果表明,随着温度的下降,单轴压缩名义强度显著增强,混凝土脆性不断增大,尺寸效应行为更显著.当温度达到-120℃时,混凝土材料...     

带肋钢筋-混凝土界面黏结破坏行为细观模拟

钢筋与混凝土之间的良好黏结是钢筋混凝土结构共同承载受力的基本前提.结合混凝土细观结构及带肋钢筋结构特征,考虑钢筋与混凝土间摩擦阻力及机械咬合作用的影响,建立了带肋钢筋与混凝土界面非线性黏结破坏行为研究的细观尺度分离式相互作用模型.在与已有试验结果吻合良好的基础上,首先讨论了细观力学分析方法的优势,研究了钢筋-混凝土界面黏结-滑移行为与破坏机制,分析了钢筋黏结应力的分布特征.进而基于细观数值分析方法讨论了骨料分布、保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径和钢筋肋高等因素对钢筋-混凝土界面黏结破坏行为的影响规律,得到了一些规律性认识.     

新型碾压式导电混凝土功能材料力学性能试验与精细仿真分析

碾压式导电混凝土(electrically conductive roller-compacted concrete, ERCC)是一种新型功能性材料,可通过自身电热性能解决高寒地区路面跑道人工除雪去冰效率低、大坝工程结构温控难等问题.本文开展了ERCC材料设计、物理试验与数值仿真分析研究.利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)测试分析了表面活性剂对ERCC浆体流动性、炭黑分散效果的改善机理;针对碾压成型的大型ERCC钻芯取样试件,开展了力学性能的宏观试验与X射线断层扫描(X-ray computed tomography, XCT)的细观试验;进而在材料试验的基础上,通过耦合连续介质、非连续介质计算方法进行ERCC精细化数值仿真分析,建立了基于真实骨料的ERCC细观模型,解决了传统混凝土细观模拟中XCT模型计算成本过高、非连续介质计算效率低、传统球体/多面体骨料模型的精细化程度差等问题.结果表明:ERCC表面活性剂可明显改善炭黑分散效果,采用碾压施工工艺成型质量较好,抗压强度为22.85 MPa,劈拉强度为1.72 MPa,弹性模量为...     

骨料对刚性弹正侵彻混凝土过程的影响机理

混凝土的细观侵彻破坏机理已成为工程防护领域的重要研究方向,本文以三维混凝土细观模型为基础,系统分析了刚性弹正侵彻混凝土过程中,骨料强度、粒径、体积分数等主要细观参量对弹体偏转及侵彻阻力的影响规律.明确了深侵彻过程中弹体偏转的四个阶段,并以静止后弹体偏离原运动姿态的角度为衡量指标,获得了各变量作用下的弹道偏转规律及相应临...     

银纳米线初始结构对拉伸形变和断裂分布的影响

采用分子动力学方法模拟了4种初始结构的银纳米线沿[1 1 1]晶向拉伸的行为.考察了初始结构对位错产生和发展的影响,并进一步讨论其与最终断裂位置分布的关系.结果显示,单晶银纳米线的初始位错产生于表面并向两端发展,滑移面到达固定层后受阻,产生反射.应力持续集中于纳米线两端,进而产生颈缩,并最终导致在两端近似对称的断裂分布.与其相比,单孪晶界阻碍滑移发展,缩短了塑性形变的过程.位错在孪晶界迅速聚集形成局域熔融团簇,进而形成颈缩,而体系的其他位置则没有足够的应变响应时间,因此断裂集中在孪晶界,并呈理想的高斯分布.相对能量较高的小尺寸缺陷对纳米线初始位错的产生和发展无明显影响,仅在形变中期起到加强作用.单晶中的小尺寸缺陷没有改变应力分布,其对断裂分布的相对峰高略有影响.含缺陷的孪晶纳米线中,两者相互作用加强了应力集中,使最终断裂位置分布的半峰宽变窄.不同初始结构对金属纳米线的影响呈多样性,其相互作用的强弱也与具体微结构密切相关.     

高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

圆钢管混凝土柱轴压破坏行为与尺寸效应理论研究

当前混凝土材料层次的尺寸效应理论已较为完备,而对钢管混凝土构件层次的尺寸效应理论研究则远远不足.针对圆钢管混凝土柱,考虑混凝土细观非均质性及钢管-混凝土相互作用,建立了研究其轴压破坏行为的三维细观数值分析模型.在模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,基于细观模拟方法研究了不同横向约束作用(以套箍系数来表征)及不同尺寸下钢管混凝土柱的轴压破坏机理与失效模式,揭示了钢管横向约束作用对混凝土柱名义轴压强度及其尺寸效应的影响规律.最后,结合钢管对混凝土柱轴压强度的影响机制——"强度增强效应"与"尺寸效应削弱效应",在材料层次尺寸效应律的基础上,建立了能反映横向约束作用的混凝土柱轴压强度的尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性.     

混凝土坝裂缝转异监控模型研究

融汇裂缝安全监控理论及其转异诊断方法建立了混凝土坝裂缝转异监控模型,重点研究了裂缝长度对裂缝口张开位移的影响。基于虚拟裂缝模型的基本假定,对混凝土坝裂缝的扩展过程进行了线性假设;通过动力学结构突变和统计学模型突变的检验方法获取混凝土坝裂缝的转异点;把对转异监控模型的求解转化为极值优化问题,并利用粒子群优化算法进行解答,据此完成了对混凝土坝裂缝转异监控模型的建立及求解.文末以某混凝土重力坝105m高程的典型裂缝为例对所提出的转异监控模型进行了验证。     

纳米线断裂行为的统计分布特征与初始微观结构的关系

利用分子动力学方法模拟考察了单晶金属纳米线的断裂行为.基于大量模拟样本,纳米线的断裂位置和断裂应变表现了分布特征.其中约95%的样本符合高斯形式的概率分布,其余无明显分布规律的可归结为偶发样本.相比较可以预测的概率事件,偶发事件的行为特征更具研究价值.本文追踪了在纳米线中间断裂的一个偶发样本,详细考察了以其8个不同应变时刻为初始构型,共计2400个样本的断裂位置分布特征.初始构型处于屈服区时,尽管体系已产生系列滑移面,但断裂位置和断裂应变的分布与单晶相同.以塑性形变初期为初始构型,虽总体分布与单晶相似,但断裂应变分布峰向更大的断裂应变方向移动.以塑性形变中期为初始构型,原偶发样本的断裂位置附近出现分布,即偶发事件逐渐演化为概率事件.以塑性形变末期的纳米线为初始构型,原概率分布消失,原偶发样本的断裂位置出现了一个半峰宽极窄的分布,即此时该偶发事件已经转化为必然事件.本文所提出的大数据分析方法为纳米材料或器件寿命的评估提供参考.     

钢筋混凝土轴压柱长细比效应的细观数值研究

钢筋混凝土柱名义轴压强度的尺寸效应源于:1)混凝土材料本身的非均质性及其力学非线性;2)钢筋/混凝土相互作用的高度复杂性.此外,长细比效应是影响钢筋混凝土柱最终破坏模式及其承载能力的另一重要因素.考虑混凝土材料细观结构的非均质性,及钢筋与混凝土间的非线性黏结滑移等因素,建立了钢筋混凝土柱轴心受压加载下力学行为研究的细观尺度力学分析模型.首先通过反演法确定了混凝土各细观组分的力学参数;进而对不同长细比钢筋混凝土柱在轴心受压加载下的破坏行为进行了数值模拟研究.结果表明:低长细比柱轴压加载下主要发生压剪破坏;而高长细比柱则发生屈曲失稳破坏,且由于端部效应的影响,破坏区域集中于柱的端部;长细比值小于9时,柱名义强度无明显变化,而大于9时,柱的屈曲强度迅速降低.     

大理岩单轴受压全过程细观损伤量化研究

设计基于SEM的大理岩细观损伤全程数字化跟踪试验方案,对四川锦屏大理岩试样进行了单轴压缩细观损伤的全程试验。基于数字图像处理技术,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行定量分析,提取试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。然后利用统计学理论对获取到的32组试样微裂纹的损伤全过程的细现信息进行了统计分析,得到在单轴压缩过程中微裂纹的方位角、长度和间距服从变参数的广义极限分布这一结论,最后引入G Swoboda损伤理论,模拟得到单轴压缩试验的应力一应变关系,并与实际试验的结果进行了比较。结果显示可以较准确模拟单轴压缩力学状态下的应力一应变关系。     

严酷条件下水工混凝土性能调控技术研究

针对高温环境、高含泥量骨料、长距离输送严酷施工条件,以及高碱活性骨料应用、多离子作用的高侵蚀环境、高水头大泄量严酷运行条件下水工混凝土所面临的系列重大技术难题,本文从施工性能调控技术、碱骨料反应评价和抑制技术、抗侵蚀性能评价技术、磨蚀-空蚀作用评价和抗冲磨性能优化技术4个方面进行了系统探讨和总结.详述了保坍抗泥型聚羧酸系减水剂在混凝土中的长效保坍机制,碱骨料反应风险快速评价方法和"自免疫"机理及其抑制技术,氯离子扩散、硫酸盐侵蚀理论模型,以及磨蚀-空蚀试验设备、方法和优化技术.本研究成果丰富了水工混凝土性能调控理论与技术,可为重大工程科学决策提供重要的技术支撑.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

脆性岩石局部细观裂纹成核损伤突变机理研究

脆性岩石内部局部细观裂纹成核导致了岩石局部损伤,弱化了岩石局部强度,进而影响了岩石的应力-变形本构曲线形状.然而,目前关于在脆性岩石局部细观裂纹成核损伤影响下,应力-变形本构曲线的宏细观力学机理研究非常少.本文提出了一种能够解释在脆性岩石局部裂纹成核损伤突变作用下,轴向应力-应变关系、剪切应力-位移关系非光滑曲线的宏细...     

大口径聚能装药侵彻厚混凝土靶板的数值模拟及实验研究

采用自主开发的软件平台EXPLOSION-2D对不同锥角药型罩结构的聚能装药成型进行数值模拟,并得到了聚能装药成型规律以及炸高对聚能装药侵彻厚混凝土靶板的影响.基于侵彻体的性能参数选取了两类侵彻效果较好的聚能装药结构进行侵彻厚混凝土靶板的数值模拟研究.根据侵彻结果设计了一种侵彻厚混凝土靶的聚能装药结构,并进行了相应的实验研究.对实验后混凝土靶板进行剖切,通过混凝土靶的内部破坏情况评估侵彻体对不同位置处混凝土靶的损伤情况,并测量各个位置处的孔洞直径.采用EXPLOSION-2D软件平台对实验工况进行模拟,对比分析实验与数值模拟的结果.对比结果表明该数值模拟技术能够有效地评估混凝土靶板的破坏情况.     

一种新型大量程裂缝光纤传感器

裂缝一直以来是判断混凝土结构健康程度的重要标志,然而对于一些混凝土结构一定开度的裂缝对结构本身安全情况影响不大,但当裂缝继续开展到一定的程度时就要采取必要的措施进行维护.本文基于光纤宏弯曲损耗理论提出了一种大量程裂缝传感器,并介绍了裂缝感知原理,然后通过有机玻璃板模拟裂缝开展,验证了此传感器的可行性.最后,通过将此传感器埋入混凝土梁,对此传感器的实际应用能力进行了进一步的验证.实验表明,该传感器可对混凝土结构上大裂缝的开展情况进行持续性的监测.     

箍筋约束混凝土方柱轴压破坏尺寸效应细观数值研究

钢筋混凝土构件尺寸效应行为源于混凝土材料的非均质性及钢筋/混凝土复杂的非线性相互作用.通过建立反映上述特征的约束混凝土方柱3D细观数值模型,开展轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究,探讨体积配箍率对箍筋约束混凝土方柱轴心受压力学行为及尺寸效应的影响机理,并与试验结果进行对比分析.基于Baznt尺寸效应律,开展约束混凝土轴心抗压强度尺寸效应理论分析.研究结果表明:数值模拟与试验结果吻合良好,构建的钢筋混凝土柱细观力学模型能够准确地描述箍筋约束混凝土构件的破坏行为及尺寸效应规律;体积配箍率增加,约束混凝土柱的名义强度增大、破坏呈现更少的脆性,尺寸效应现象减弱;Baznt尺寸效应理论能够对约束混凝土柱轴心加载下的尺寸效应行为做出合理解释.     

变截面纳米线声子输运蒙特卡洛模拟

采用蒙特卡洛(MC)方法建立了声子在变截面硅纳米线内的输运模型, 以渐扩几何体与渐缩几何体为物理模型, 分别研究了在等热量与非等热量输入条件下2种模型的热整流效应和声子的输运特性. 模拟结果表明在2种条件下, 渐缩模型的热传导性能均高于渐扩模型. 在非等热量输入的条件下, 渐缩模型的热整流效应要大于等热量输入条件下的热整流效应.2种物理模型的主要区别在于体积的分布不同, 虽然在纳米尺度下边界散射作用明显, 但模拟结果表明边界散射对热传导的影响小于质量分布不同对声子输运的影响.     

钢筋混凝土断裂全过程声发射特征辨识及相关参量影响

以声发射参量为切入点,通过开展带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件声发射试验,采用振铃计数率-时间曲线、累计振铃计数-时间曲线、能量-时间曲线和累计能量-时间曲线等,研究了不同设计强度等级和不同配筋率混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程声发射参量基本特性.研究结果表明:通过振铃计数-时间曲线和能量-时间曲线相互结合,可以更加准确地判断三点弯曲梁试件的起裂荷载和失稳荷载;初始设计强度对混凝土和钢筋混凝土断裂过程声发射参量具有一定影响;配筋率不同,钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程也不相同,其对应的声发射信号也存在有一定差别.为进一步研究混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程提供了一定的试验依据.