混凝土损伤演化的随机力学参数细观数值影响分析

在提出一种交叠骨料微步长迭代自动调整算法的基础上,采用任意凹凸型骨料配置算法建立混凝土细观数值试件。基于细观单元的弹性损伤本构关系,采用位移控制模式,着重针对两类常用的力学参数随机分布——Weibull及对数正态分布,进行了不同力学参数的常规混凝土拉压数值模型破坏试验,分析了主要力学参数的随机分布对混凝土试件宏观表征力学性质的影响。该研究可为混凝土细观数值模型中力学参数的合理确定提供依据。     

岩石单轴拉伸破坏过程的数值模拟

用三维梁–颗粒模型BPM3D(Beam-Particle Model in Three Dimensions)对岩石材料在单轴拉伸条件下的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。模型中材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石材料的破坏机理进行研究。岩石在单轴拉伸状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果。数值模拟结果与实验结果的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石材料的破坏机理进行了探讨。     

光面钢筋拉拔试验细观数值模拟研究

从钢筋-混凝土界面的细观粘结机理出发,把化学胶结力、机械咬合力的弱化过程看成损伤过程,对其进行了库仑摩擦模拟;考虑混凝土的非均质特性,并假定其界面细观单元力学特性服从Weibull分布,对光面钢筋的拉拔试验进行了数值模拟,并对随机生成的100组试件的细观数值模拟结果进行了统计分析.结果表明:计算结果与试验结果吻合良好,拉拔强度呈正态分布,拉拔强度的均值接近于规范建议值,验证了模型的合理性.     

定向钢纤维增强水泥基复合材料抗拉细观模拟

将钢纤维增强水泥基复合材料看作水泥砂浆基体和钢纤维夹杂组成的复合材料,采用扩展有限元法模拟了定向钢纤维增强水泥基复合材料受拉破坏的全过程.研究采用混合同余法生成随机数建立了钢纤维随机生成算法,进而生成了不同纤维掺量的定向钢纤维水泥砂浆细观数值模型.在考虑钢纤维与砂浆基体黏结滑移作用的基础上,模拟了定向钢纤维水泥砂浆受拉断裂全过程,得到了拉伸应力-应变全曲线.通过开展直拉试验,对细观数值模拟结果进行了验证.研究表明,细观数值模拟得到的全曲线结果与试验结果吻合较好,建立的细观模型有助于进一步揭示钢纤维增强水泥基复合材料的拉伸破坏机理.     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

混凝土细观分析的研究现状

介绍了混凝土细观力学分析方法,即混凝土数值模拟和CT试验研究,数值模拟详细分析讨论了随机骨料模型、格构模型、随机力学特性模型、统计细观损伤力学模型、离散元模型等5种细观力学数值模型的特点以及高性能并行计算作用及实现.考虑到国内医用CT试验只能进行一级配混凝土试件拉、压破坏试验,对二级配混凝土只能进行拉伸破坏试验,因此对多级配混凝土进行细观分析.必须与工业CT结合,将可以完成拉伸、压缩、动力试验,为混凝土的细观研究提供了另一条路径.     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

@编辑部

<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏从非连续介质力学角度出发,提出了一种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

冻融环境下混凝土力学性能退化模型

基于混凝土冻融试验和混凝土细观力学对混凝土冻融后的力学性能变化进行了研究,建立了混凝土随冻融循环次数变化的强度折减模型和弹性模量折减模型.在混凝土冻融试验方面,采用快速冻融方法对混凝土试件和根据混凝土配合比制成的砂浆试件进行了100、200、300次的冻融循环,利用大型混凝土静、动三轴试验系统检测了冻融循环对海水中混凝土抗压强度、弹性模量及应力-应变关系的影响;在混凝土细观力学方面,对混凝土试件进行了数值模拟,为考虑各组成相的非均匀性,各组成相的材料性质按照Weibull分布来赋值,同时为反映冻融对混凝土的影响,砂浆的强度和弹性模量均以砂浆冻融试验所得结果为准.结果表明:该方法为进一步开展混凝土结构在冻融作用下的劣化机理与计算模型的研究提供了依据.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

Determination of mechanical parameters for elements in meso-mechanical models of concrete

The responses of cement mortar specimens of different dimensions under compression and tension were calculated based on the discrete element method with the modified-rigid-body-spring concrete model, in which the mechanical parameters derived from macro-scale material tests were applied directly to the mortar elements. By comparing the calculated results with those predicted by the Carpinteri and Weibull size effects laws, a series of formulas to convert the macro-scale mechanical parameters of mortar and interface to those at the meso-scale were proposed through a fitting analysis. Based on the proposed formulas, numerical simulation of axial compressive and tensile failure processes of concrete and cement mortar materials, respectively were conducted. The calculated results were a good match with the test results.     

非均质混凝土破坏过程的细观数值试验

结合细观单元的弹塑性各向异性损伤本构模型,建立了研究非均质混凝土破坏过程及其非线性力学行为的细观数值试验模型。该模型基于混凝土材料细观层次的结构特征,采用Weibull随机分布函数引入材料的非均匀性;同时,为反映加载边界条件如端部约束等的影响,采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理不同物体之间的相互作用。运用该模型,对压缩和拉伸加载方式下混凝土的渐进性破坏过程进行了系统性的数值试验,其结果与他人的研究结果基本一致,从而验证了该模型的合理性。该模型为从细观层次研究复杂加载方式下混凝土的渐进破坏过程,进一步揭示混凝土的破坏机理及其非线性力学行为本质提供了一种新的数值试验手段。     

偏心加载钢筋混凝土结构破坏过程的数值模拟

用材料破坏过程分析系统MFPA2D(material failure process analysis)数值模拟方法对钢筋混凝土桥墩在偏心加载条件下的受力、变形与内部裂缝萌生、扩展及最终破坏的全过程进行了数值模拟.数值模型中引入了统计分布函数,反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹脆性本构模型及破坏单元材料性质退化方法,利用偏心加载方式对钢筋混凝土构件实施加载.数值试验得出的荷载-位移曲线及破坏模式图与文献的试验结果较接近,数值试验还给出了试件破坏过程图及应力分布图,再现了整个破坏过程,而且通过对模型中受拉区2个多单元信息剖线的提取,对剖线中不同位置点应力随加载步的变化情况进行了研究和分析,揭示了结构破坏的机理.数值试验结果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律有参考价值.     

纤维增强橡胶粉水泥砂浆的力学性能和耐磨性能研究

将不同比例的橡胶粉掺入水泥砂浆,并采用纤维增强技术,制备了具有一定功能性的纤维增强橡胶水泥砂浆材料,分析了不同橡胶粉掺量对纤维增强水泥砂浆抗折、抗拉和抗压强度的影响,并对纤维增强橡胶水泥砂浆的耐磨性能进行了初步研究.研究表明,因橡胶粉的掺人会使纤维增强水泥基材料力学性能下降.为此,采用偶联剂技术,改善了水泥基体与橡胶粉的界面黏结和界面效应,故在不同程度上使力学性能得到提高,同时加入橡胶粉后能提高纤维增强水泥砂浆的耐磨性能.当橡胶粉掺量为10%(体积分数),并采用偶联剂技术时,纤维增强橡胶水泥砂浆可发挥增强和耐磨双重效应,并有望提高其吸音功能.     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。     

钢纤维水泥砂浆钢筋网加固RC梁受力性能研究

对钢纤维水泥砂浆加固的抗弯足尺混凝土梁一、二次受力进行了试验研究。试验包括1根对比梁和6根用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固的试验梁。试验梁采用三面U形加固形式,量测试验梁裂缝分布形态、荷载-挠度曲线、钢筋和混凝土及加固砂浆应变发展规律等。通过改变加固梁的加固配筋率和受力形态,研究了这种加固方法对RC梁的承载力、破坏形态、截面刚度及裂缝分布等的影响。试验结果表明,钢纤维水泥砂浆加固是一种有效的加固方法,能够显著提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力、截面刚度以及抗裂性能。     

离心成型钢筋钢纤维混凝土电杆受力性能试验研究

通过试验研究了无拉线离心成型钢筋钢纤维混凝土电杆的力学性能,包括抗裂度、裂缝宽度及其分布形态、杆顶变形和极限承载力等。试验证明:掺入适量钢纤维后,电杆的抗裂度得到明显提高,裂缝宽度明显减小,裂缝间距减小,主裂缝间的裂缝呈短细非贯通性分布形态,电杆的极限承载力有所增大。结合离心成型工艺特点和钢纤维分布规律分析了其中的原因,为工程应用提供了科研依据。