弹体高速冲击载荷下钢筋混凝土的破坏行为实验与细观数值模拟

钢筋混凝土在土木工程与国防领域具有广泛而重要的应用,且存在明显的尺寸效应,有必要进行大尺寸侵彻实验研究其在高速冲击下的动态响应.本文开展了1 00 mm大口径卵形弹高速侵彻钢筋混凝土靶的实验,并对靶体的破坏模式、侵彻深度和开坑直径进行了详细分析.由于钢筋的加入导致混凝土具有更为复杂的非均质性和各向异性,各组分的变形、破...     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

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.     

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.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.     

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.     

箍筋约束对小偏心加载下高强RC柱尺寸效应影响分析

旨在揭示箍筋约束作用对高强钢筋混凝土(RC)柱在小偏心(e_0=0.25h_0)受压加载下尺寸效应行为的影响.开展了最大横截面尺寸为800 mm×800 mm的12组几何相似的配箍率为0和0.66%的高强混凝土柱试验,此外,建立了钢筋混凝土柱力学行为分析的细观尺度分析模型,并在模拟与试验结果吻合良好的基础上,补充开展了更大配箍率柱(即:1.2%和2.4%)的数值试验,进而对偏心受压加载下柱的力学行为,包括破坏模式、名义受压应力,应变关系、承载力、名义压缩强度及峰值后软化行为等进行了研究,并对其名义压缩强度的尺寸效应进行了分析,进而揭示箍筋约束作用对小偏心加载高强钢筋混凝土柱破坏行为及尺寸效应影响机制,结果表明:1)小偏心受压加载下高强钢筋混凝土柱名义压缩强度存在明显的尺寸效应;2)Bazant尺寸效应律能够较好地描述钢筋混凝土柱在偏心受压加载下的尺寸效应行为;3)箍筋约束作用能够明显提高钢筋混凝土柱的强度及延性,且会削弱其尺寸效应;4)本文建立的细观数值模型能够很好地表征钢筋混凝土柱力学性能.     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的实验研究

钢筋混凝土结构在受到爆炸、冲击等荷载作用时的设计及安全性受到越来越多的关注.本文采用落锤三点弯曲实验方法对具有不同黏结强度的钢筋混凝土梁进行研究,探讨不同速度冲击下混凝土结构的破坏机理及钢筋黏结强度作用,实验结果显示:(1)钢筋混凝土梁的冲击力响应曲线峰值与钢筋黏结强度无关,为混凝土结构的响应,随速度提高而提高;(2)裂纹分布和发展模式与冲击速度相关,在较低速度冲击下,钢筋混凝土梁主要呈现弯曲破坏模式,随加载率提高向剪切破坏模式为主转变,更高速度下为冲切破坏控制;(3)钢筋黏结强度对破坏模式转变有影响,钢筋混凝土黏结强度低,越易产生剪切破坏,且易出现混凝土的块状破碎崩落,塑性铰破坏也会提前.     

基于H-J-C本构模型的掘进机截齿破岩过程的数值模拟

针对掘进机实际外负载难以获取及其载荷特性难以正确把握的现状,提出了利用接触动力学、岩石力学和有限元法等理论和方法构建在显示动力学分析程序LS-DYNA环境下基于H-J-C本构模型的截齿与岩石的接触动力学模型数值模拟平台;利用该平台对掘进机镐形截齿的横摆破岩过程进行了数值模拟,得到了截齿受到的三向阻力曲线;通过载荷特性分析,验证了所得载荷曲线的准确性,并获得了某工况下截齿载荷的主要频率结构;分析了截齿的碎岩机理,发现岩石的破碎是与截齿直接接触的岩石的拉压应力和其周边的剪切应力集中综合作用的结果.     

42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42CrMo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通...     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

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.     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

锈蚀钢筋混凝土柱偏心受压性能精细化模拟

针对锈蚀钢筋混凝土(RC)柱的偏心受压力学行为,本文从细观角度出发,将混凝土看作是由骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,并且考虑锈蚀导致的钢筋和保护层混凝土的材料性能劣化以及黏结强度退化,建立了其三维细观精细化有限元分析模型.数值计算结果与试验结果的良好吻合,验证了数值分析模型的合理性.在此基础上,主要分析了锈蚀率和偏心率对RC柱偏压力学性能的影响.发现:钢筋锈蚀会引起临界偏心率增大,使构件趋于脆性破坏;锈蚀率增加会明显降低柱的刚度、延性和承载力;偏心率的增加则会导致构件轴向承载力降低,柱的破坏模式变为大偏心受压破坏.最后,基于完好状态RC压弯构件承载力统一公式,考虑钢筋锈蚀的影响,发展建立了锈蚀RC构件压弯承载力计算公式,并与试验结果进行对比,验证了所提公式的准确性.     

特大悬索桥隧道锚岩石力学综合研究

针对泸定大渡河特大桥雅安岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学试验的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1:10原位缩尺模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚及围岩变形特征、蠕变特征及承载能力等开展系统研究.对比围岩地质与力学特性二者的关系,验证了模型锚的地质代表性.基于岩体(石)力学试验,提出了岩体力学参数建议值.原位缩尺模型试验结果表明:(1)1 P(1 P=5340 k N,设计荷载)、3.5 P和7 P荷载下,锚体最大变形分别为0.42,2.50,6.41 mm;模型锚锚塞体的周边岩体最大变形分别为0.25,1.86,6.59 mm.(2)1 P,3.5 P和7 P荷载下,锚碇、围岩和锚碇与围岩位错的蠕变都经历了减速蠕变阶段后趋于稳定,属于衰减型蠕变.(3)模型锚碇系统屈服荷载特征点5.25 P,满足规范要求.研究技术路线及成果可供类似隧道锚工程借鉴.     

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...     

土石混合体变形破坏及细观机理研究的进展

土石混合体是一种特殊的工程地质材料,其非均质、非连续和非线性特征决定了土石混合体变形破坏及细观机理的复杂性,常规岩土力学的试验方法和分析理论难以应用.目前土石混合体变形破坏研究尚不深入,特别是对细观机理以及定量描述方法缺乏足够的认知,未形成系统的实验方法和理论分析体系.从现场原位试验、室内试验、结构模型和数值分析4个方面对国内外近些年来土石混合体研究进展进行综述,分析了目前研究存在的困难与挑战,探讨了未来发展方向.     

含分层损伤复合材料层合结构在弯曲载荷作用下的屈曲问题研究

由于制造缺陷和服役过程中的外物冲击,分层损伤是广泛存在于复合材料层合结构中的一种缺陷形式.本文研究含圆形分层损伤碳纤维增强型层合结构在四点弯曲载荷作用下的屈曲力学行为.用三维数字图像相关技术获取屈曲表面的变形场和应变场,并以3自由度的利兹法为基础建立反映含分层损伤层合结构在弯曲载荷作用下屈曲力学行为的一维理论模型.最后,用实验得出的屈曲临界载荷值验证理论模型计算出的屈曲临界载荷值,并得出结论:本文提出的计算分层屈曲临界载荷的简便方法,可以用于屈曲临界载荷的初步估算.     

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.     

钢管混凝土柱压-扭破坏尺寸效应细观数值分析

地震作用下,钢管混凝土柱容易受到扭转作用而发生压-扭破坏,扭矩作用将导致钢管混凝土柱的破坏加剧.本文首先建立了能够同时考虑混凝土非均质特性和混凝土/钢管接触行为的钢管混凝土柱力学分析模型及其数值模拟方法,进而模拟研究了钢管混凝土柱在压-扭联合作用下的失效破坏行为和尺寸效应规律.主要分析了截面尺寸、轴压比、含钢率和截面形状对钢管混凝土柱破坏模式、名义抗扭强度及其尺寸效应行为的影响.结果表明:随轴压比的增大,钢管混凝土柱抗扭承载力呈现先增大后减小的趋势,且当轴压比在0.4左右时,抗扭承载力达到最大值;钢管混凝土柱在压-扭联合作用下存在一定程度的尺寸效应,且根据本文模拟工况,名义抗扭强度下降幅度可达24%;此外,随轴压比的增大,名义抗扭强度的尺寸效应行为呈现先削弱后增强的趋势.基于本文数值试验数据及作者前期研究工作,提出了考虑轴压比和含钢率影响的钢管混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应公式.