应变率效应对再生混凝土动态力学性能的影响

通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响.分析不同应变率下再生混凝土动态破坏特征以及受压应力-应变关系全曲线,可以发现:在不同应变率、再生粗骨料取代率或体积配箍率下,再生混凝土单轴应力-应变关系曲线的上升段基本一致,而下降段差异较为明显;随着应变率的提高或再生粗骨料取代率的增加,下降段曲线随之变陡,而随着箍筋配箍率的提高,下降段曲线明显随之趋于平缓.通过试验数据回归分析,提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型;随着应变率的提高,约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变均随之增大;而约束再生混凝土受压峰值应变动态放大系数增加幅值低于受压峰值应力动态放大系数的增加幅值;进一步分析了应变率效应对约束再生混凝土初始弹性模量的影响规律,确定了初始弹性模量和应变率的函数关系,并给出了初始弹性模量动态放大系数函数模型.随着应变率的提高,约束再生混凝土初始弹性模量动态放大系数随之增大,但其增长幅度要比受压峰值应力和峰值应变动态放大系数的增长幅度小.     

大骨料混凝土动态双轴拉压强度试验研究

为了研究不同应变速率下混凝土双轴动态受力状态的力学性能,在大型静、动态三轴试验机上,对大骨料混凝土和湿筛混凝土试件进行了不同应变速率和应力比下的双轴动态拉压试验,系统研究了应变速率和应力比对混凝土双轴拉压强度的影响.试验结果表明:两种混凝土双轴拉压强度均低于单轴拉伸或单轴压缩强度,其变化规律不但与应力比有着密切的联系,还随应变速率的增大而增大.在主应力空间建立了考虑应变速率和应力比的混凝土双轴拉压破坏准则,为水工结构物的非线性分析提供了试验依据.     

冲击荷载作用下含黏结界面混凝土破坏特征与应力应变分析

为研究冲击荷载下板式无砟轨道结构蒸养混凝土与自密实混凝土层间界面的破坏行为,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含黏结界面混凝土进行冲击试验,并就其破坏特征和应力应变全曲线特性以及损伤本构方程进行探讨.结果表明：含黏结界面混凝土在动态冲击荷载作用下存在界面脱黏分离和整体破碎两种失效模式.界面脱黏分离失效模式下,随着应变率的增加,含黏结界面混凝土的动态抗压强度、强度动态提高因子(DIF)、峰值应变、冲击韧性均增加,具有明显的应变率敏感性;整体破碎失效模式下,界面脱黏变形和破碎变形同时存在,随着应变率的增加,裂纹向界面区域累积、拓展,界面起到了能量缓冲的作用,此时含黏结界面混凝土动态抗压强度、DIF基本不变,而峰值应变和冲击韧性增加.所建立的基于Weibull分布的本构模型与试验结果吻合较好,尤其对峰前应力应变曲线有很好的匹配性.     

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.     

含缺陷混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

将混凝土看成由骨料、砂浆、界面和缺陷等组成的四相复合材料,通过圆形孔隙和币状裂隙表征缺陷,采用应力-裂缝宽度模型反映骨料、砂浆和界面的非线性本构关系,得到了轴拉荷载作用下试件破坏过程的应力-应变全曲线和弯拉荷载作用下的荷载-位移全曲线,并对圆形孔隙和币状裂隙及其含量对混凝土破坏过程和极限荷载的影响进行了分析.结果表明:...     

再生混凝土力学性能的应变率敏感性数值模拟

基于九骨料模型再生混凝土建立了有限元模型,研究了再生混凝土力学性能的应变率敏感性以及细观相材料应变率敏感性对其的影响,并讨论了再生粗骨料取代率和新、老砂浆强度对再生混凝土应变率敏感性的影响.结果表明,该有限元模型能较好地模拟再生混凝土力学性能的应变率敏感性;再生混凝土峰值应力和弹性模量随着应变率的增大近乎线性增大,且弹性模量呈现更加均匀的增长趋势;相比骨料和界面过渡区,砂浆的应变率敏感性对再生混凝土整体应变率敏感性起主导作用;再生粗骨料取代率增大或新、老砂浆强度降低时,再生混凝土的弹性模量应变率敏感性增大,但它们对再生混凝土峰值应力应变率敏感性的影响有所不同.     

考虑粗骨料破碎的混凝土力学特性细观模拟

基于离散元方法,采用三维扫描技术获得粗骨料真实形态,并通过黏结颗粒模型实现粗骨料破碎,构建混凝土粗骨料-砂浆-ITZ的三相离散元模型,从细观层次探究粗骨料破碎对混凝土变形和破坏特性的影响.结果 表明:含有不同可破碎粗骨料质量分数的混凝土应力-应变曲线变化趋势基本相同,峰值应力和峰值应变整体上随可破碎粗骨料质量分数的增加...     

压剪作用下地聚物珊瑚混凝土的力学性能研究

为了研究不同压应力比和混凝土强度对地聚物珊瑚混凝土(geopolymer coral concrete, GCC)在压-剪复合作用下力学性能和损伤演变的影响,进行了54个GCC试件的压剪试验,分析了试件的破坏模式、剪切荷载-位移曲线和初始抗弯刚度,并着重分析了剪切承载力的组成及试件的损伤演化规律。结果表明：随着压应力比和混凝土强度增加,剪切强度及位移、初始剪切刚度均有所提高。剪切承载力包括黏聚力、界面摩擦力和骨料咬合力,黏聚力约占剪切承载力的11%～37%,界面摩擦力占比40%～67%,骨料咬合力占比16%～34%;界面摩擦力占比与压应力比呈正相关关系,黏聚力占比则相反。基于分段本构模型,对比试验数据和模型曲线发现两者拟合较好,验证了GCC的损伤本构模型与破坏模式有较高的预测精度。     

基于破损分区理论和CT数重建混凝土数值模型

为了建立能真实反映混凝土试样内部细观结构的数值模型,分析大体积混凝土的损伤演化特性,利用便携式动力加载设备结合医用Marconi M8000螺旋CT扫描仪进行混凝土单轴压缩CT扫描试验,获得单轴压缩条件下混凝土试样的CT扫描图像。基于破损分区理论,提出了确定阈值的概率统计法,并将混凝土CT扫描图像分为骨料区、硬化水泥石区和孔洞裂纹区。进而基于CT扫描图中每个分辨单元的坐标,建立结构随机型数值混凝土模型,并对单轴静力压缩和拉伸条件下混凝土的损伤演化特性进行数值模拟。研究结果表明:结构随机型数值混凝土模型的细观结构与混凝土试样非常接近,该模型中骨料与砂浆的黏结界面厚度仅为0.04 mm左右,与真实混凝土试样的界面厚度(10～50μm)非常接近;在单轴拉、压应力状态下,混凝土细观裂纹均在强度相对薄弱的初始缺陷处开始萌生,随着应力的增加,裂纹绕着骨料并随强度较弱的界面扩展贯通,界面的强弱在很大程度上决定了混凝土的强度;在单轴压应力状态下,混凝土试样中裂纹较多且大多呈剪切裂纹,而在单轴拉应力状态下初始试样的起裂点较多,有多条裂纹同时发展,但随着应力水平的提高,试样中最终只产生1条与加载方向近乎垂直的主裂纹;无论是在单轴压缩还是单轴拉伸应力状态下,由于加载速度较慢,试样中裂纹扩展均不穿越骨料。     

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.     

围压作用下岩石峰后应力-应变关系模型

假定峰后软化阶段任意一点皆满足摩尔库仑极限破坏条件,建立岩石峰后后继屈服面模型。利用岩石峰值处和残余阶段初始处应力状态绘制几组莫尔应力圆,获得不同围压下峰值处和残余阶段初始处的黏聚力c和内摩擦角φ,然后分别建立黏聚力c和内摩擦角φ同围压的函数关系。基于莫尔-库仑准则,以最大主应变ε作为软化参数,以分段线性函数形式演化黏聚力c和内摩擦角φ的正切,反求内摩擦角φ,从而建立岩石峰后应力-应变关系模型。数值算例研究Tennessee大理岩三轴试验的峰后应变软化过程,模拟结果与试验结果较吻合。研究结果表明:建立的峰后应力-应变关系模型合理而可靠,可以较好地描述不同围压下岩石的峰后力学行为。     

单轴受压下钢纤维再生骨料混凝土本构模型

通过150mm×150mm×300mm钢纤维再生骨料混凝土棱柱体的单轴受压试验,研究了水胶比、再生骨料取代率和钢纤维体积率等参数对钢纤维再生混凝土轴压应力-应变全曲线的影响,揭示了钢纤维再生混凝土的破坏机理和参数变化对钢纤维再生混凝土单轴受压力学性能影响的规律.结果表明,钢纤维改变了再生混凝土的破坏形态,随着钢纤维体积率增大,试件由劈裂破坏转变为剪切破坏,剪切面与荷载垂线的夹角增大,峰值应力和峰值应变均有一定程度的提高.相同钢纤维体积率下,钢纤维再生混凝土峰值应力受再生骨料取代率变化的影响较小;但是,随着再生骨料取代率的增加,钢纤维再生混凝土峰值应变增大,初始弹性模量减小.与普通混凝土类似,随水胶比的减小,钢纤维再生混凝土应力应变曲线下降段的斜率增大.基于对试验数据的综合分析,建立了考虑再生骨料取代率、钢纤维体积率影响的钢纤维再生混凝土轴压本构模型.     

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.     

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。     

纳米二氧化硅改性再生混凝土的单轴受压动态力学性能

基于新提出的纳米二氧化硅水泥净浆二次改性再生骨料方法,通过混凝土单轴受压动态力学试验,获得了不同应变率(10-5s-1、10-3s-1、10-1s-1)、不同改性方法(纳米二氧化硅水泥净浆二次改性、纳米二氧化硅粉煤灰复合改性、纳米二氧化硅预浸泡)的再生混凝土单轴受压应力-应变曲线,分析对比了改性前后应力-应变曲线特征。结果表明,新的改性方法能够有效改善再生混凝土力学性能,准静态下峰值应力提升25.1%,弹性模量增加85.8%。改性后再生混凝土的峰值应力和弹性模量动态增长因子降低,而峰值应变动态增长因子提高。最后,提出了改性后再生混凝土动态应力-应变本构模型,对比结果显示,模型预测曲线与试验曲线吻合较好,能为工程设计和应用提供依据。     

全级配混凝土抗拉性能的随机特性及数值分析

以大型水利水电工程中广泛运用的全级配混凝土为对象,研究了骨料的几何随机性和砂浆、界面(骨料/砂浆界面)的力学随机性对全级配混凝土抗拉性能的综合影响.基于非线性损伤理论以及有限单元法,采用FORTRAN自编程序,通过50组随机试件的单轴拉伸数值试验,研究了骨料、砂浆及界面的随机特性对弹性模量、峰值应变以及极限抗拉强度的影响,对比了各自的影响程度,探讨了数值分析中同时考虑骨料、砂浆及界面随机性的必要性.     

湿筛混凝土试件的静、动破坏数值模拟

基于数字图像方法重构生成与真实骨料一致的混凝土骨料模型.混凝土各相材料的本构模型采用混凝土塑性损伤本构模型,考虑材料的应变软化,对湿筛混凝土试件的静、动破坏进行研究.研究结果表明:(a)混凝土的应力-裂缝宽度模型适用于骨料、砂浆和界面等各相材料.(b)随着应变率增加,混凝土的破坏形式明显由单条宏观裂纹向多条裂纹变化.(c)材料惯性对材料破坏荷载有一定影响,当应变率达到60s-1时材料的动力增强因子明显增大,惯性影响不可忽略;当应变率达到80s-1时材料惯性对材料破坏荷载影响较大;当应变率小于207.8 s-1时由率效应引起的动力强度增加大于由惯性效应引起的动力强度增加.     

钢筋锈胀时混凝土保护层损伤模型

假定钢筋产生均匀锈蚀时锈蚀层膨胀效应与"温度"膨胀具有相似性,采用锈蚀"温度环"模拟锈蚀层膨胀效应.假定钢筋锈蚀所产生的膨胀应力导致了混凝土中粗骨料与砂浆的界面应力,采用能量释放率描述界面裂纹开展的阻力梯度,从而基于粗骨料与砂浆界面效应的细观断裂性能建立了混凝土保护层的损伤模型,与氯离子侵蚀条件下的钢筋锈蚀预测模型相结合,实现了钢筋保护层损伤的时间序列分析方法.通过算例计算分析,实现了钢筋保护层混凝土初始损伤、损伤发展的影响因素、不同氯离子浓度水平时的保护层混凝土损伤时间过程的描述.     

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.     

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明：不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。