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.     

近场动力学理论在脆性材料破坏研究中的应用现状

近场动力学假定一定范围内的物质点之间存在非局部相互作用,通过空间积分重构物质点的运动方程,克服了传统有限元方法位移场连续性条件的局限,在分析强非线性不连续问题时具有无网格属性的数值优势,已成为研究脆性材料破坏的新兴理论。本文简要介绍了近场动力学的基本内容及其理论框架,总结了近场动力学理论在脆性材料准静态裂纹扩展、动态裂纹扩展及冲击失效研究方面的应用现状。     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

键基近场动力学框架下的应变计算方法

为了将键基近场动力学与连续介质力学联系起来,借助键伸长率和沿键方向线应变在空间上的对应关系,发展了一种键基近场动力学框架下的应变计算方法.利用薄板受拉、圆孔应力集中和悬臂梁空间变形问题的近场动力学模拟,验证了新方法在应变计算上的可靠性和准确性,并分析了计算范围和键取向数对精度的影响.模拟结果表明,新方法的计算结果与有限元结果或解析解吻合良好,计算范围对应变精度的影响可以忽略,键取向数则对应变精度影响较大.当取用所有方向的键时,应变的相对误差能控制在2%以内.因此,减小计算范围能在几乎不降低应变精度的情况下有效减少计算成本,增加键取向数则可以提升应变精度.     

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。     

近场动力学理论在脆性材料波散射与裂纹扩展问题的数值模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)理论是一个物质点具有通用积分运动方程的连续介质理论,其非局部思想能够很好的处理和解决传统连续介质力学在裂纹尖端解的奇异性问题,也弥补了有限元法(FEM)在断裂问题上网格重构的缺陷,在研究材料的断裂与损伤方面有着独特的优势。基于固体力学和断裂力学理论在应力波传播的研究基础上,通过对比传统波动理论和PD理论中P波的传递速度、传递半径及受载出现的波反射和绕射现象,提出近场力波的概念,从本质上分析了近场力波与应力波传递的区别。用PD理论对含预制缺陷的脆性材料(混凝土)动态断裂过程进行数值模拟,通过分析C15混凝土受冲击载荷断裂过程的能量释放速率得出近场力波的传递会对裂纹的萌生和扩展产生影响。     

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。     

改进键型近场动力学方法下的多裂纹板破坏分析

在键型近场动力学理论框架下,通过在常规微弹脆性本构模型中引入表征非局部长程作用力强度尺寸效应的核函数修正项,构建了可部分消除泊松比限制的含裂纹双参数微弹脆性近场动力学本构模型。通过对含双裂纹脆性板的单轴拉伸破坏模拟并将所得结果与已有文献结果进行对比,验证了本构模型和算法的可靠性。在此基础上,通过数值模拟不同形态的多裂纹脆性板的裂纹扩展过程以及定量分析不同初始裂纹形态下的临界破坏荷载数值,给出了初始裂纹数量、位置和方向对结构破坏型式、扩展路径和承载能力的影响规律。     

扩展键基近场动力学的几何非线性扩展

扩展键基近场动力学模型解决了经典模型中固定泊松比的限制问题,但是仅限应用于小变形情况下的模拟。提出了一种计算键变形的实现方法,利用有限变形理论中的描述使模型能够处理几何非线性问题。通过最小二乘拟合得到物质点的局部位移场,再对位移函数求导得到局部域的变形梯度张量。固体的旋转与拉伸通过对变形梯度张量的极分解分离,从而将扩展键的变形部分从总体位移中提取。随后,通过对变形系统的各个键力进行积分,从而获得系统大变形的正确预测结果。最后,开展了几个基准测试,与非线性有限元结果进行对比并验证了所提出模型的有效性和精确性。     

钢筋混凝土框架-钢管支撑结构地震反应计算分析

利用大型结构分析软件ETABS建立了包含和不包含钢管支撑的钢筋混凝土框架计算模型,分别采用底部剪力法、反应谱分析和时程分析3种方法对2种模型进行了对比计算分析.结果显示:在纯钢筋混凝土框架结构中合理设置钢支撑,可以达到增加框架结构的侧向刚度,明显降低结构侧向变形,而基底剪力仅略有增加,且可实现多道设防的效果.     

钢筋混凝土结构裂缝浅析

普通的钢筋混凝土结构一般是带裂缝工作的。认清裂缝的形态、分析裂缝产生的原因并采取相应的措施加以控制,对提高钢筋混凝土结构的耐久性及适用性是非常重要的。     

基于Ottosen破坏准则的混凝土结构损伤定量预测

城市地铁隧道下穿建筑物时,建筑物沉降的控制标准一直是难以解决的基本问题。结合青岛地铁隧道下穿建筑物的工程实践,首先以地表沉降实测数据为基础,利用随机介质理论方法反分析地表移动参数,包括沉降槽影响范围以及断面收缩率;并利用所得的参数对下穿建筑物的沉降进行预测。其次,基于Ottosen和过-王两种混凝土破坏准则,推导了适用于混凝土材料的屈服接近度模型。通过有限元计算,得到了建筑结构在沉降影响下的应力分布情况,结合Ottosen和过-王破坏准则的屈服接近度函数得出了建筑结构的损伤分布范围和演化情况。由此实现了对不同沉降量影响下建筑结构开裂损伤的量化评估与控制。研究结果表明:利用计算方法预测的建筑结构开裂损伤分布情况及演化情况,对地铁隧道穿越建筑物现场施工控制标准的制定具有重要的参考价值。     

多尺度聚丙烯纤维混凝土孔结构及抗冻性

选用2种尺寸聚丙烯细纤维与1种聚丙烯粗纤维,进行单掺及混掺,对9组不同纤维掺量试件进行快速冻融循环试验、抗压、劈裂试验及压汞试验,研究不同冻融次数下混凝土质量、动弹性模量变化以及冻融循环前后混凝土拉、压强度变化;研究多尺寸聚丙烯纤维对混凝土孔结构的改善情况;研究多尺寸聚丙烯纤维混凝土孔结构与抗冻性的关系,并对孔结构对混凝土抗冻性能的影响加以分析。试验结果表明:将聚丙烯纤维掺入素混凝土后,混凝土的微观孔结构和抗冻性能得到明显改善;在相同掺量条件下,聚丙烯粗纤维和多尺寸聚丙烯纤维对混凝土抗冻性有较大改善,且多尺寸聚丙烯纤维对混凝土的抗冻性改善效果最好:相比于素混凝土冻融后抗拉、压强度,单掺聚丙烯细纤维混凝土强度损失分别降低了9.95%～11.94%和4.29%～7.62%,单掺聚丙烯粗纤维混凝土强度损失分别降低了27.36%和16.67%,混掺多尺寸聚丙烯纤维混凝土强度损失分别降低了46.77%～53.23%和41.90%～50%。     

FRP加固钢筋混凝土梁破坏机理的数值试验研究

运用三维真实破裂过程分析RFPA（Realistic Failure Process Analysis）方法,对FRP加固钢筋混凝土梁的破裂过程进行了数值分析。对比分析了钢筋混凝土受弯构件和FRP加固钢筋混凝土受弯构件的裂缝形成过程和破坏模式,从裂缝间距的变化及梁的承载力方面入手探讨FRP对钢筋混凝土梁的加固机理。研究结果表明RFPA数值试验方法为混凝土构件力学性能和破坏机理的研究提供了一种新的分析手段。     

钢筋混凝土框架结构优化设计探讨

钢筋混凝土框架结构是我国建筑结构中一种量大面广的结构形式.论文从钢筋混凝土框架结构的框架梁柱及次梁布置、梁柱截面尺寸的选取与配筋、新材料的应用等方面探讨了钢筋混凝土框架结构优化设计概念的工程应用.     

基于相似理论的钢筋混凝土建筑结构振动模态

以三层钢筋混凝土建筑结构为研究对象，将其简化为3自由度的弹簧-质量振动系统，用相似理论建立振动系统的实验模型，制作等效的建筑结构实验模型．用传递函数响应方法对实验模型进行动态响应实验研究，测得振动系统的固有频率和振型，掌握振动系统的动态特性，为钢筋混凝土建筑的结构设计和系统减振设计提供动力学的实验测试方法，尤其给安装在建筑物内机械设备的振动控制提供了设计依据．     

考虑楼梯影响的钢筋混凝土框架结构地震反应分析

为研究楼梯对结构地震反应的影响,利用大型结构软件ETABS设计了1个不含楼梯的钢筋混凝土框架模型和2个包含楼梯的钢筋混凝土框架模型,分别采用振型分解反应谱法和底部剪力法对3个模型进行了弹性地震反应对比计算分析.结果表明,楼梯明显改变了结构的抗侧刚度分布、振动模态及梯间框架柱内力分配比例等,其影响因楼梯中间平台与梯间框架柱是否相连而异.模型3是一种可行的方式,建议设计时采用振型分解反应谱法对包含楼梯结构进行抗震分析计算.     

钢筋混凝土结构耐久性问题综合分析

材料的耐久性是指材料在与环境相互作用过程中的行为特征及其在时间上的反映,其耐久性的好坏必定会体现在结构的耐久性能上.文章从材料本身的性质出发综合分析了钢筋混凝土结构耐久性降低的原因,并简述了相应的防护描施.     

钢筋混凝土巨型框架结构动力时程分析

文章运用有限元分析软件SAP2000对巨型框架结构进行地震反应的线性和非线性时程分析,比较宅腹式钢筋混凝土巨型框架结构与实腹式钢筋混凝土巨型框架结构的抗震动力响应;结果表明,在结构截面尺寸变化不大的情况下空腹式结构较实腹式结构地震反应小,但在罕遇地震下空腹式地震主框架柱先于实腹式主框架柱出现塑性铰,设计时应该对空腹式底层柱再采用进一步的抗震加强措施.