混凝土中的分形效应初探

将分形几何引入到混凝土研究领域,对混凝土的受压损伤破坏过程和骨料所表现出来的分形现象进行了分析。通过对混凝土裂缝和骨料的分形研究,提出了一种定性描述混凝土破坏过程的方法,根据分形原理导出混凝土骨料分维数和级配的关系,并通过工程试验加以验证。     

基于分形理论和流域水系分布特征对泥石流特性的研究

摘要:为了客观准确的描述泥石流流域水系的特征，从而进一步判定该泥石流的各种特性，基于mapgis技术与分形理论，通过计算机编程自行搭建计算平台，揭示水系的盒维数值与泥石流各种特征之间的规律，从流域水系的形态及分布特征的角度揭示出流域水系分维数与泥石流危险度之间的深层关系。通过对结果的分析，了解到随着危险等级和特征参数的增加，水系分维数也呈增长趋势，且找到了分维数的界限值，从而可以界定一条泥石流沟的类型、发育时期和危险程度。这种研究方法应用在了乌东德水电站库区泥石流调查当中，取得了良好的效果。说明了该方法的科学性和结论的合理性。     

骨料特性对混凝土温度场的影响

基于考虑混凝土构造上的随机性、非均质性的细观有限元模型,模拟混凝土的绝热温升过程,研究混凝土细观结构的温度分布,重点讨论骨料特性如品种、分布、数量、尺寸等对两者的影响。结果表明,骨料品种对混凝土试件的宏观绝热温升过程影响明显,基于细观尺度的混凝土绝热温升预测需考虑该影响;混凝土内部存在温度差异,其非均匀性程度与骨料特性密切相关,但该种不均匀表现随龄期增长将逐渐消失。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测

按照混凝土试件的实际配比计算出各粒径区间的骨料体积含量,对骨料颗粒进行随机投放,生成随机骨料的数值模型。对不同形状骨料的随机骨料模型建立的体积表征单元(RVE)施加均匀位移边界条件,通过有限元方法计算该RVE中的应力和应变场,然后由细观力学数值均匀化方法预测RVE的有效弹性模量。数值计算结果和试验值的对比表明,基于随机骨料模型的混凝土弹性模量的预测是有效的,骨料含量为40%和60%时预测值与试验值相近;由多边形骨料模型得到的弹性模量略高于圆形骨料,骨料的空间分布对于预测结果的影响甚微。假定材料的细观单元力学性质服从Weibull分布时,预测的有效弹性模量结果偏低,且随均质度的减小而减小。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在三维情形下,基于参数曲面的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面,用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型;以骨料为卵石的混凝土为例,给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样,提出了用参数映射法对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的三维三相复合结构形式,为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能打下了基础。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在细观层次上，混凝土被认为是由粗骨料、水泥砂浆以及二者间的粘结界面所组成的一种三相非均质复合材料。在三维情形下，基于参数曲面的自由变形技术，将混凝土骨料及粘结界面，用确定的、形式统一的参数方程予以表示，建立了混凝土随机参数化骨料数学模型；以骨料为卵石的混凝土为例，给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样，提出了用“参数映射法”对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与粘结界面组成的三维三相复合结构形式，为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能，打下了基础。     

随机球形骨料再生混凝土氯离子扩散研究

基于Monte-Carlo原理及Fuller级配理论,依据PYTHON算法及COMSOL软件建立由天然骨料、老界面区、老砂浆、新界面区及新砂浆组成的再生混凝土三维球形细观模型,模拟计算了不同骨料体积分数、老砂浆扩散系数及老砂浆厚度的再生混凝土内氯离子扩散过程,对比研究了再生混凝土抗氯离子侵蚀影响规律。研究表明：以随机理论建立的再生混凝土三维球形随机骨料模型接近真实再生混凝土细观结构,满足一般工程需要;基于该模型的氯离子细观数值模拟结果同试验结果吻合;再生骨料体积分数从10%增至30%、50%时,再生混凝土表观扩散系数分别增加了6.56%和19.43%;老砂浆扩散系数增加4倍,表观氯离子扩散系数增加19.28%;老砂浆厚度增加2倍,表观氯离子扩散系数增加8.1%,增加老砂浆的厚度和扩散系数会弱化再生混凝土抗氯离子侵蚀的能力。     

基于声发射特性下的含骨料混凝土裂隙演化特性及其统计损伤本构研究

为探讨含骨料混凝土的损伤裂隙演化特性,基于统计损伤理论的数值模拟手段,建立了含骨料混凝土有限元模型,得到了不同工况下的裂隙扩展过程、声发射规律和峰值强度变化,同时基于声发射数值结果定义了损伤度的概念。结果表明：不同工况下的裂隙演化呈现“X”型扩展,由“翼形裂纹”与“反翼形裂纹”共同组成;“翼裂纹”萌生及扩展主要破坏模式为拉伸破坏,“反翼裂纹”的萌生是由于剪切破坏而产生,随后扩展模式为拉剪复合破坏;预制裂纹的倾角越大,骨料含量百分比越大,则试样的峰值强度也越大,但是前者对混凝土抗压强度的增幅要小于后者;定义了损伤度的概念,加载过程中混凝土的损伤变化经历4个阶段：线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段和损伤平稳发展阶段。骨料含量百分比越大,预制裂隙倾角越小,则最大损伤度越大,不同工况下的损伤度变化范围为0.85~0.94;骨料的破坏模式共分为4种,即偏转绕行、止裂、裂纹被骨料吸附和裂纹穿过骨料。本文数值模拟中偏转绕行是主要破坏模式。     

聚合物改性水泥混凝土集料分形特征研究

利用分形几何学原理对集料分形特征进行分析,研究了分数维与聚合物改性水泥混凝土(PMCC)集料级配、振实空隙率、强度及刚度性能的相关联系。研究结果表明,分数维与集料级配、空隙率具有较好的线性关系;分数维与PMCC强度、刚度性能的内在联系并不明显,但当分数维D为2.394时,PMCC的抗折强度与折压比均出现最大值,D≥2.394时,其弹性模量减小幅度显著增加。利用集料分数维实现对集料级配及PMCC性能的定量描述,可为PMCC的组成设计与性能研究提供一种新方法。     

全级配大体积混凝土的内时损伤本构模型

复杂应力状态下全级配大骨料混凝土的强度和变形是混凝土坝体等大体积混凝土结构非线性有限元全过程仿真分析所必需的重要资料。本文结合内时理论和损伤力学理论,在大量试验数据的基础上,考虑尺寸效应和骨料湿筛效应对损伤变量的影响,建立了适用于不同骨料级配混凝土的内时损伤本构模型。该模型不仅摆脱了一般弹塑性中屈服面的概念,而且反映了不同骨料级配混凝土受力时不同的损伤演变规律。应用本文建议的模型,计算了全级配混凝土以及湿筛二级配混凝土在不同应力状态下的应力-应变关系,所得结果与试验数据符合的较好,可作为拱坝及其他大骨料混凝土结构设计的依据。     

寒冷地区混凝土发生碱骨料破坏的可能性分析

文中以实际工程为例,通过不同试验方法验证工程使用的骨料为碱活性骨料,分析工程发生混凝土碱骨料破坏的必要条件及通过混凝土碱含量计算,对混凝土发生碱骨料破坏的可能性进行分析论证。     

混凝土随机骨料模型可视化方法

在生成三维随机球形骨料模型的基础上，研究了形成随机凸多面体骨料模型的方法，并利用FORTRAN语言编制凸多面体骨料生成程序和细观有限元网格剖分程序。为了实现骨料模型和其细观有限元网络的可视化，着重研究了利用现有商业软件生成多面体随机骨料的可视化混合编程的方法。利用面向对象的VB语言界面编程技术，编写了实现WINDOWS视窗环境的VB程序，并在该环境下调用生成骨料模型的FORTRANN计算程序和Matlab骨料模型图形绘制程序。另外，还研究了细观有限元剖分数据在GID软件实现网格可视化的格式和方法。     

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响，适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求，给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上，形成随机凸多面体骨料模型。同时，研究了细观单元属性判别方法，编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量，而且计及了骨料的实际形态。     

混凝土骨料二维分布的模拟和应用

通过在一个矩形截面上模拟混凝土骨料的实际分布，获得了该截面上任一点的骨料分布密度和骨料分布的统计特性。模拟结果表明，当模拟次数趋向于无穷大时，截面上任一点的骨料分布密度趋向于定值，对于不同的骨料面积百分数，骨料分布密度曲线的形状十分相似，均由上升段和水平段两部分组成。基于这些模拟结果，利用数学拟合获得了骨料分布密度的解析表达式，并被混凝土实验所初步证实。作为一个应用，本文计算了混凝土截面上各点的氯离子扩散系数。     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

给水管网的分形特征研究

在研究给水管网分形维数的基础上,结合我国不同地区的给水管网分析了给水管网的分形规律.从功能、结构和自相似性三方面,同自然界中广泛存在的具有分形特征的物质流输送系统进行比较,阐述了给水管网的分形特征.并基于盒计数法提出了给水管网分形维数的计算方法,计算了实例管网的分形维数.计算结果表明给水管网是分形体,具有分形特征.同时,分析了影响给水管网分形维数的因素并构建了给水管网分形维数的计算方程.