混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

混凝土与混凝土结构尺寸效应述评(Ⅰ):材料层次

尺寸效应,是指随着结构尺寸的增大,以强度为代表的力学性能指标不再为常数。目前,混凝土结构尺寸效应问题主要归结于两个层面:混凝土材料层次尺寸效应及钢筋混凝土构件层次尺寸效应。主要从材料层次出发,对目前使用较为广泛的几类混凝土尺寸效应理论进行评述,进而阐述了国内外研究者在混凝土材料尺寸效应方面的试验及模拟工作,最后对其目前存在的一些问题及未来发展的一些方向作探讨。总的来说,在断裂力学尺寸效应理论框架的基础上,结合材料强度随机性以及裂缝分形特性等因素,建立适用于全尺寸的混凝土全局尺寸效应律是后续研究的重点,进而,结合开展更大尺寸范围混凝土材料尺寸效应试验及数值研究成果,对混凝土尺寸效应新理论进行验证与扩展。     

基于尺寸效应的混凝土等效裂纹断裂模型

根据混凝土材料断裂过程区存在尺寸效应这一特点，对混凝土等效裂纹断裂模型做了一定的研究，得到了与试件尺寸相关的等效裂纹断裂模型。使之更符合断裂过程区存在尺寸效应的特点。用该模型对已有试验资料进行分析。得出此模型在采用单直线软化模型时较为准确，采用双直线模型则相差较远的结论。     

混凝土断裂韧度的尺寸效应

本文采用最大尺寸为2500mm×600mm×600mm共计33根三点弯曲切口梁进行了断裂试验,分别研究了试件体积、高度、厚度、跨度对断裂韧度的影响规律。试验结果表明,断裂韧度随试件体积的增大而增大;分别对各个尺寸因素而言,断裂韧度与试件厚度无关,随试件跨度的增大而有减少的趋势。随试件高度的增大而显著增加。     

混凝土强度尺寸效应的细观数值分析

首先使用混凝土细观模型对轴向拉伸试件进行了数值分析,然后,在1∶8的尺寸范围内对轴向拉伸试件的强度尺寸效应进行了比较分析.分析表明,试件的强度随试件尺寸的增大而减小.Bazant尺寸效应律和Carpinteri尺寸效应律都能较好地模拟混凝土材料的尺寸效应,对于抗拉强度的尺寸效应现象,Carpinteri多重分形尺寸效应律更为确切些.     

混凝土断裂尺寸效应律的探讨

混凝土结构断裂破坏的尺寸效应现象是８０年代初兴起的热点问题。本文在前人研究成果的基础上,对混凝土断裂尺寸效应律公式进行了探讨,建立了混凝土断裂韧度与试件尺寸之间的关系,并用试验数据进行了验证。     

混凝土断裂断GF的尺寸效应

断裂能ＧＦ是基于虚拟裂缝模型并考虑了混凝土软化特性的断裂参数，这个参数在混凝土的非线性开裂计算中是必不可少的。本采用楔入劈拉法研究了试件高度对混凝土断裂能的影响。研究结果表明，ＧＦ在一定范围内存在尺寸效应。然而当试件高度ｈ〉５００ｃｍ时，基本上无尺寸效应，这一结论对大体积混凝土结构的非线性开裂计算有着重要的意义。     

混凝土断裂韧度的尺寸效应研究

本文采用最大尺寸为７０ｃｍ×７０ｃｍ×２０ｃｍ的楔入劈拉试件进行了断裂试验，研究试件高度对混凝上断裂韧度的影响规律。采用电阻应变片并结合计算机数据采集系统测得了混凝土试件裂缝的起裂、稳定扩展和失稳破坏的全过程，利用测得的裂缝亚临界扩展量△ａ＿ｃ对混凝土断裂韧度进行了修正。     

混凝土断裂能G_F的尺寸效应

断裂能ＧＦ是基于虚拟裂缝模型并考虑了混凝土软化特性的断裂参数，这个参数在混凝土的非线性开裂计算中是必不可少的．本文采用楔入劈拉法研究了试件高度对混凝土断裂能的影响．研究结果表明，ＧＦ在一定范围内存在尺寸效应．然而当试件高度ｈ＞５００ｃｍ时，基本上无尺寸效应．这一结论对大体积混凝土结构的非线性开裂计算有着重要的意义．     

再生混凝土细观层次的数字图像模型分析

针对再生混凝土已有细观骨料模型算法复杂、建模理想化和处理技术手段传统等问题,基于真实骨料图像,结合数字图像处理和边界矢量化技术,通过ANSYS软件的参数化语言编程,建立了再生混凝土数字图像细观模型。应用数字图像细观模型模拟了单轴受压立方体试块的应变云图,分析了宏观力学响应和再生粗骨料对再生混凝土抗压强度的影响。研究结果表明:大多数再生混凝土裂纹从大骨料边界产生、发展和形成。再生粗骨料掺量(质量分数)在50%内的再生混凝土,不同骨料模型模拟的抗压强度值不同。本文提出的数字图像细观模型模拟结果均符合试验现象和力学规律,证明了建模方法的合理性和有效性。     

混凝土细观模型在温度应力计算中的应用

分别将混凝土的骨料和水泥砂浆作为不同性质的材料,并在两者的接触界面上引入接触单元,从而建立混凝土材料的细观模型,在此基础上,对混凝土结构在温度荷载作用下的应力场仿真计算进行细观层面上的探讨。     

基于细观模型的含腹筋混凝土梁受剪承载力尺寸效应

考虑混凝土细观非均质性及钢筋与混凝土之间相互作用,建立了钢筋混凝土梁破坏行为模拟的三维细观数值分析模型。以悬臂梁为例,在数值模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,扩展模拟了腹筋率、剪跨比及加载方式对大尺寸钢筋混凝土梁(最大梁深为2 000mm)剪切破坏尺寸效应的影响规律。模拟结果表明:无腹筋梁抗剪名义强度尺寸效应显著,中国《混凝土结构设计》规范提出的截面高度影响系数难以全面的反映梁剪切破坏的尺寸效应现象;腹筋会抑制梁抗剪强度的尺寸效应,随着腹筋率的增加,梁的抗剪强度尺寸效应逐渐减弱;随着剪跨比的增加,梁的抗剪承载力有所减弱,同时,尺寸效应现象也略有减弱;相比于单调加载,循环加载下梁将产生低周疲劳脆性破坏,使得梁抗剪强度尺寸效应更加明显。     

混凝土微-细观随机断裂模型参数的识别与标定

文章介绍了混凝土微-细观随机断裂模型。基于随机建模的基本思想,提出了一类三阶段模型参数识别方法。采用最小二乘准则及改进的复合形法,发展了一种可降维的参数识别算法。利用混凝土单轴受压、单轴受拉试验全曲线及上述识别方法,对微-细观随机断裂模型的基本参数进行了识别。根据识别结果,通过统计回归建立了模型参数与混凝土强度参数间的关系。利用所建立的关系式,基于我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010),对不同强度等级混凝土的本构模型参数取值进行了标定。结果表明,模型计算结果不仅与试验全曲线的统计特征吻合较好,也与规范建议本构关系曲线符合良好。文章的研究以期为微-细观随机断裂模型在工程中的应用奠定基础。     

混凝土双K断裂韧度的尺寸效应

为探明双K断裂韧度的尺寸效应律,基于Bazant尺度律方法,推导了双K断裂韧度的尺寸效应公式,并通过几组混凝土断裂韧度的试验数据,对不同试件形式的尺寸效应进行了验证,最后给出考虑尺寸效应的双K断裂判据。研究表明:由室内小试件所测得双K断裂韧度随试件高度的增大而增大,并逐渐趋近于平面应变断裂韧性K1C;随初始缝高比α0的增大先增大后减小,且在α0约为0.4附近时达到最大。采用推导的尺寸效应律可对名义双K断裂韧度进行定量的描述和预测,不考虑尺寸效应的双K断裂判据偏保守。     

混凝土弯曲拉伸力学性能及尺寸效应细观数值研究

为反应骨料颗粒细观组分对混凝土弯曲拉伸宏观力学行为的影响,建立混凝土随机骨料细观尺度力学模型,细观组分材料采用塑性损伤和线弹性本构关系,开展混凝土弯曲拉伸细观尺度数值模拟,探讨骨料颗粒的影响机理,并与混凝土弯曲拉伸试验进行对比。研究显示：（1）混凝土细观数值模型能较好地模拟混凝土在弯曲拉伸荷载下的宏观力学行为。（2）弯曲拉伸损伤从模型底部薄弱的界面过渡区形成,并向砂浆基质延伸。骨料粒径越大,损伤路径相对越曲折。（3）随着骨料粒径的减小,混凝土弯曲抗拉强度略有提高,尺寸效应现象更为显著。     

混凝土断裂能尺寸效应的修正分形方法

提出了混凝土断裂能尺寸效应的修正分形方法。首先，根据混凝土的断裂特性，认为小尺寸混凝土构件的主宏观裂缝是一条分形曲线，而大尺寸混凝土构件的主宏观裂缝由分形曲线和直线两部分组成。然后，根据能量等价原理，导出了混凝土名义断裂能的计算公式。该公式反映了混凝土实验中所观测到的宏观物理现象，即混凝土名义断裂能随着构件尺寸的增大而增大，而且当构件尺寸趋向无穷大时，名义断裂能趋近于常数。最后，将理论预测与6组混凝土实验进行了比较，从而证实了本文方法的有效性。     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

混凝土类材料断裂实验的试件尺寸问题

本文在混凝土尺寸效应公式和混凝土的切口敏感性规律的基础上,推导出对于三点弯曲、四点弯曲、紧凑拉伸断裂实验,能够得到有效K_(1c)值的试件的最小高度。结果表明,三点弯曲和四点弯曲实验的试件的最小高度,非常类似于Modeer公式所得结果,而紧凑拉伸试件的最小高度则随相对裂缝长度增加而增加。