用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法.该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和Walraven函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分;然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行了系统性的数值试验,并探讨了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性能的影响.与实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的.     

全级配混凝土梁动强度提高机理研究

基于细观力学方法对全级配混凝土梁的动强度提高机理进行研究.假定混凝土由骨料、砂浆和界面三相材料组成,按全级配混凝土实际配比生成随机混凝土骨料模型.采用塑性损伤模型并考虑材料的应变软化,利用全级配混凝土梁的静弯拉(破坏)试验标定骨料、砂浆和界面的参数.在此基础上对冲击荷载下全级配混凝土梁的动弯拉破坏过程进行数值模拟,重点讨论惯性效应和应变率效应对混凝土材料强度增强因子的影响.研究结果表明:(a)当应变率小于8s-1时,材料惯性对梁的极限荷载影响可以忽略不计;当应变率大于8s-1时,材料惯性对全级配混凝土强度的动力增强因子(SDIF)影响增大.(b)当应变率小于20s-1时,率效应对SDIF影响较大,在高应变率区SDIF主要受材料惯性的影响.此外,探讨了初始缺陷(损伤)对全级配混凝土梁破坏荷载的影响.     

全级配煤矸石混凝土导热性能试验与分析

为研究和预测全级配煤矸石混凝土的导热性能,以五种不同的煤矸石粗骨料替代率(0、25％、40％、70％、100％)和四种煤矸石细骨料替代率(25％、50％、75％、100％)设计9组试验,对煤矸石混凝土导热性能进行试验.结果 表明:煤矸石粗骨料替代率越高,煤矸石混凝土导热系数就越低;煤矸石粗骨料替代率为100％情况下,随着煤矸石细骨料替代率增加,煤矸石混凝土导热系数继续降低,其中全级配煤矸石混凝土导热系数最低,相比普通混凝土导热系数的下降幅度为52.56％;定义了煤矸石骨料影响系数M,M值越大,混凝土导热系数越低;对Hasselman-Johnson混凝土导热系数计算模型进行修正,得到煤矸石混凝土导热系数的修正计算模型,修正计算值与试验结果相吻合.     

图像处理技术在混凝土骨料形状参数分析中的应用研究

应用多目立体视觉三维重建理论及其方法,构建了3D混凝土骨料形状参数测试分析系统.分析系统通过多目视觉技术,多角度提取骨料的三维信息,利用三维重建方法,获得相关的、用于表征骨料形状特性的形状参数,如针状、片状系数、圆度、球度、凸度、矩形度.在骨料形状参数分析的基础上,进一步分析计算骨料级配及针、片状颗粒含量等表征骨料质量指标的参数,解决了通过图像处理技术检测骨料主要质量指标的问题.对比研究分析表明,测试精度与传统的筛分方法高度吻合,为骨料质量的自动检测分析提供了新的方法.     

基于任意级配的二维随机骨料生成方法

为解决目前二维骨料生成算法对任意级配适应性较差的问题,通过对三维骨料模型截面上二维骨料粒径分布的统计分析建立了一种可用于确定任意级配的二维骨料质量积累分布函数的数值方法,并利用Fuller级配从理论上对该方法的正确性进行了论证.在此基础上,从降低需模拟的骨料数目、提高细观模型生成效率的角度对目前的混凝土细观模型进行了再细化,提出了亚细观模型的概念,并利用上述方法模拟得出工程中常见的细骨料和粗骨料的二维骨料质量积累分布函数.     

基于真实细观结构的多孔混凝土三维重建

为了获得真实多孔混凝土结构和满足多孔混凝土三维细观力学模拟的需要,借助工业CT图像三维重建方法的原理,采用数字图形处理技术和MATLAB程序实现了多孔混凝土的三维结构重建.结果表明,重构的三维结构模型接近真实的多孔混凝土,可以直观地分析混凝土内部的多孔结构和孔的连通性.多孔混凝土的三维重建为有限元方法研究多孔混凝土的孔结构、力学性能及其渗透性提供了一种有效的模型,为多孔混凝土物理力学性能的数值模拟奠定了基础.     

基于刚体-弹簧元法的全级配混凝土本构特性模拟

在细观层次上把混凝土看作是由粗骨料、硬化水泥砂浆基体组成的两相非均质复合材料,采用适宜极限分析及处理微裂纹行为的刚体－弹簧元法,研究了不同的组成成分对材料的影响,建立起混凝土的细观结构以观性能之间的关系。     

海管涂敷用花岗岩混凝土的研制与应用

介绍了采用花岗岩骨料、P·O 42.5水泥,配制干硬性、低密度、高强度的海管涂敷用花岗岩混凝土的研制过程及其工程应用,给出了典型的海管涂敷用花岗岩混凝土配和比,分析了其特点,展望了其应用前景.     

二级配骨料随机分布混凝土动态特性数值模拟

混凝土是民用、工业、安全防护等建筑中最常用的材料之一,具有抗压强度高、工艺简单、抗腐蚀性好、抗耐性优良等特点。在使用过程中,不仅要承受准静态荷载作用,还需考虑爆炸、冲击等动载荷的作用,因此有必要进行混凝土动态特性研究。利用ANSYS/LS-DYNA软件,对粗骨料粒径和体积含量不同二级配混凝土动态特性进行模拟,分析粗骨料粒径和体积含量对二级配混凝土动态特性影响规律。研究表明:随着粗骨料最大粒径的增加,二级配混凝土峰值应力呈下降趋势;随着粗骨料中间粒径和体积含量增大,二级配混凝土峰值应力均呈现先增大后减少趋势。     

复杂应力下大骨料混凝土与二级配混凝土强度对比试验研究

通过试验研究大骨料三级配混凝土与其湿筛二级配混凝土在单轴、双轴及三轴应力条件下的强度差别.研究发现,单轴受压和受拉条件下三级配混凝土比其湿筛二级配混凝土的强度都有所下降,分别为27%和26%.在双轴受压条件下,三级配混凝土强度增加率高于其湿筛二级配混凝土,在应力比为0.5时,相差最大,强度提高率相差21.2%.在双轴拉压和三轴拉压压条件下,三级配混凝土强度降低率也高于其湿筛二级配混凝土.给出了它们在各种条件下具体的强度对比值和复杂应力下混凝土的破坏准则.     

再生混凝土动态冲击性能

再生混凝土技术实现了建筑资源循环和建筑垃圾治理难的问题。目前再生混凝土在框架节点抗震、装配式建筑、钢混结构等方面应用较为广泛,然而在防护工程方面的研究相对较少。本文在现有的再生混凝土SHPB试验基础上,采用动力有限元软件LS-DYNA对再生混凝土的冲击压缩性能进行了数值模拟研究,选用HOLMQUIST-JOHNSON-COOK模型作为再生混凝土的本构模型,根据试验结果标定了本构模型参数,在此基础上进行了拓展工况研究,并建立了再生混凝土DIF计算模型,研究结果表明：HJC模型能够较为准确地模拟再生混凝土在高应变率下的动态压缩力学性能;CEB推荐的DIF计算模型不适用于再生混凝土,本文建立了新的DIF计算模型;应变率为71.7 s-1时,试件开始出现轻微损伤,应变率达到200 s-1后,试件呈现粉碎性破坏。     

大骨料混凝土率型内时损伤本构模型

以内时理论和损伤理论为框架,分析了骨料粒径和应变率效应对混凝土损伤的影响.建立了大骨料混凝土的率型内时损伤本构模型,并采用该模型进行多轴动态应力-应变曲线分析.与大骨料混凝土多轴动态试验数据对比结果显示数值与试验结果符合较好,说明该模型可作为大骨料混凝土动态性能研究的依据.最后,应用所提出的本构模型和未考虑大骨料因素的内时损伤本构模型对某混凝土拱坝进行非线性地震反应分析,结果表明,应变率和骨料粒径对于结构的强度和刚度影响较大,在分析中应得到重视.     

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。     

孔隙特征对机制砂自密实轻骨料混凝土强度的影响规律

为了研究微观孔隙特征对机制砂自密实轻骨料混凝土力学性能的影响规律,配制了强度等级为C30、C40、C50的机制砂自密实轻骨料混凝土,测量了其养护3、7、14、28 d时的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度以及微观孔隙特征,研究了机制砂自密实轻骨料混凝土的早期强度发展规律、内部孔隙演变规律以及各影响因素与机制砂自密实轻骨料混凝土28 d抗压强度之间的灰熵关联度。结果表明：机制砂自密实轻骨料混凝土随强度的升高,14～28 d的强度发展速率越大;随养护龄期增长,混凝土中无害孔占比增加,多害孔占比减少,强度升高;虽然在各类型孔隙中,无害孔与多害孔体积占比最大,但从灰熵关联结果来看,与28 d抗压强度关联最大的是有害孔的占比,其次是无害孔占比。因此实际工程中,在制备机制砂自密实轻骨料混凝土时,应多考虑如何降低有害孔占比。     

混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析

将混凝土看成是由骨料、砂浆和界面过渡层组成的三相复合材料.结合部分力学参数试验,采用非线性有限元对混凝土梁受弯拉破坏过程进行了数值模拟.按照试件的实际配比,由Walraven公式计算出各种粒径区间骨料的平面等效面积,然后由随机骨料模型生成混凝土数值试件.混凝土细观结构的破坏由最大拉应力准则判别,对于软化段,采用了应力张开位移模型以缓解计算结果的网格依赖性.计算结果表明:界面厚度取0.2～0.8 mm,对试件的荷载位移全曲线的影响不大;任意形状骨料与圆形骨料的计算结果相近;界面层断裂能对梁宏观荷载位移曲线的形状影响较大.     

刚性弹侵彻混凝土靶细观尺度模型的建立

与宏观尺度模型相比,混凝土细观尺度模型能够更加全面准确地描述混凝土的力学行为。编写了三维随机球形粗骨料的生成和投放程序,并采用一种基于背景网格的材料识别技术完成了水泥砂浆、粗骨料、界面过渡区三种网格的生成,建立了三维三相混凝土细观有限元模型。基于这一模型,运用连续有限元软件对刚性弹侵彻混凝土过程进行了仿真模拟。结果表明,与宏观模型相比混凝土细观模型能够更加真实地反映侵彻过程中混凝土的力学行为。     

蒙特卡罗法生成混凝土随机骨料模型的ANSYS实现

利用ANSYS的APDL参数化设计语言,结合蒙特卡罗方法生成了细观层次上三级配的二维和三维随机混凝土骨料模型,从而能在ANSYS中进行赋予材料属性、定义单元类型、划分有限单元网格、选择各种损伤模型,直至加载求解,避免了其他程序语言生成骨料模型之后,还必须编写接口程序的不足;从给出的模拟卵石、砾石的三级配二维圆形和三级配三维球形的算例及生成的混凝土随机骨料模型来看,该法能够充分体现混凝土骨料随机分布的特征。     

高石粉含量下C80混凝土力学性能数值模拟研究

为研究石粉含量和纤维掺量对C80混凝土基本力学性能（包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量）的影响,本文结合Digimat和Abaqus建立2D随机骨料模型、3D纤维混凝土细观模型。将不同石粉含量、纤维掺量下混凝土的数值模拟与同等条件下基本力学试验结果进行对比分析：2D随机骨料模型中过高（石粉含量大于5%时称为高石粉含量）的石粉含量会降低混凝土的整体力学性能,石粉含量越低模拟值与试验值越接近,当石粉含量为5%时混凝土的整体力学性能达到最佳。3D纤维混凝土细观模型中不同纤维类型对高石粉含量混凝土的强度有不同影响,与玄武岩纤维相比,铜镀纤维的掺入对高石粉含量下混凝土力学性能的增幅更明显。铜镀纤维体积分数为4%和6%时均能提高混凝土力学性能,当体积分数为6%时,混凝土数值模拟与试验结果误差小于7.1%且力学性能达到最优;玄武岩纤维混凝土的抗压性能随纤维体积率的增加而降低,当纤维体积率为1 kg/m3时数值模拟结果与试验结果误差范围在0.4%-8.7%,但对混凝土整体力学性能的提升较小。     

基于随机骨料模型的混凝土塑性损伤耦合力学性能研究

为了探讨混凝土塑性损伤耦合力学性能,基于随机骨料模型和塑性损伤耦合模型,研究了骨料质量分数和加载速率对混凝土宏观力学性能的影响。通过几何模型及本构模型确定其参数,再利用数值模拟软件进行分析得出结论。研究结果表明:随着荷载增大,裂纹走向趋于复杂,局部裂纹扩展逐渐形成贯穿裂纹最终导致混凝土失效。骨料的存在改变了砂浆受力性能,骨料质量分数的增加提高了砂浆的强度,同时,高骨料质量分数也改变了混凝土的破坏模式。随着加载速率的减小,混凝土强度降低。