基于混凝土细观结构的钢筋混凝土结构耐久性分析

根据观测水平的不同,混凝土的数值分析尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次。由于混凝土各相组成材料孔隙结构的差异性,特别是荷载作用下裂缝和微裂缝的出现,进一步增加了混凝土材料的非均匀性,因此采用基于宏观均质假定的分析方法将无法模拟材料的内部结构。在细观层次上,混凝土看作由硬化水泥浆体、骨料及其界面黏结带组成的三相复合材料。基于混凝土的细观结构,本文提出了适用于物质扩散的细观格构网络模型。该模型运用Voronoi技术划分网格的随机性特点,在网络模型中随机产生裂缝的位置及方向,采用不同类型单元来描述混凝土各相组成材料的扩散性能。通过对开裂混凝土内氯离子扩散过程的数值分析表明,基于混凝土细观结构的数值分析方法是开展钢筋混凝土结构耐久性分析的有效手段。     

饱和混凝土单轴拉伸动态统计损伤本构模型

饱和混凝土中孔隙自由水的存在对材料的力学性能有显著的影响,动态工况中主要表现为自由水的粘性效应,且该效应随细观损伤引起的微裂纹密度的改变而变化。本文结合太沙基"有效应力原理",建立了饱和混凝土考虑动态应变率效应的单轴拉伸统计损伤模型,将材料宏观力学性能同细观损伤机理有机地结合起来,综合考虑了动态条件下惯性效应和自由水粘性效应的影响,认为材料自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观损伤演化过程的改变;水的粘性效应则调整了混凝土基体的受力状态。通过算例和试验结果比较,表明该模型可预测等应变率加载情况下饱和混凝土材料均匀损伤阶段的动态拉伸本构行为,形象地描述了饱和混凝土材料动态损伤演化机制。     

基于细观模拟的轻骨料混凝土破坏行为及尺寸效应研究∗

轻骨料混凝土由于其轻质高强及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。从细观角度出发,将混凝土材料看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了考虑混凝土材料非均质性影响的二维细观数值分析模型,模拟研究了轻骨料混凝土与普通混凝土压缩和劈拉破坏行为及尺寸效应的异同,并揭示两者破坏机理。结果表明:轻骨料混凝土压缩及劈拉破坏均造成骨料颗粒的断裂,而普通混凝土破坏时骨料很少破坏;轻骨料混凝土由于脆性较强,与普通混凝土相比有更加明显的压缩强度尺寸效应现象;轻骨料混凝土与普通混凝土存在相似的劈拉强度尺寸效应现象。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的动力性能分析

地震作用在混凝土结构上会在其材料中产生较高的应变率,混凝土材料具有一定的率敏感性,准确模拟混凝土结构在地震作用下的反应需采用混凝土动态本构模型.为评估ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型模拟混凝土动力性能的能力,采用该模型对混凝土材料和构件在不同加载速度下的动态反应进行了有限元数值分析.结果表明,随着加载速度的...     

钢筋混凝土构件率相关恢复力模型研究

通过钢筋混凝土构件的动态试验,研究不同加载速率下的钢筋混凝土梁柱力学特性。考虑屈服强度、极限强度和刚度的动力效应,引入损伤因子,并考虑混凝土损伤对卸载刚度的影响,建立了钢筋混凝土构件率相关的三折线恢复力模型。利用有限元分析软件模拟钢筋混凝土构件的动态试验,对比模拟结果与试验结果得出:考虑应变率效应和混凝土损伤对卸载刚度的影响,能够更好地反映构件的动力特性。对一平面框架结构模型进行不同加载速率下的动态分析,研究加载速率对结构动力反应的影响,结果表明,随着加载速率的增大,结构模型各构件的强度和刚度增大,结构模型整体抗侧移刚度增强,水平位移减小。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

基于细观尺度的岩体开挖渐进破坏模拟研究

岩土渐进式地质灾害是当前岩土工程领域的重要研究课题。基于颗粒离散元法导出颗粒连接损伤模型,建立岩石细观离散模型,进行不同颗粒参数条件下的岩石单轴受压数值模拟。结果表明,岩石细观颗粒间相互黏结力是影响颗粒黏结破坏的主要因素;颗粒间摩擦系数是影响宏观强度的敏感参数,单轴受压试验形成接近45°剪切带,数值模拟与试验结果较好吻合,验证了该模型的合理性。建立岩体开挖细观离散模型,模拟不同地层条件下的开挖过程,对比分析了开挖未支护和支护情况下检测点的沉降差异。研究发现,未支护支撑下,深层开挖时,检测点的位移沉降较浅层开挖时明显;支护可以有效降低围岩变形,防止拉应力产生。本文从细观上揭示岩体开挖条件下渐进式破坏过程形成机制,为更深入研究岩土力学特性和滑动断裂的形成与发展等渐进破坏过程提供了理论和技术支撑。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

地震条件下陡峭岩体崩塌式渐进破坏研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒黏结-阻尼振动-运动演化方程,建立三维陡峭岩体模型,在地震横波与纵波条件下,进行岩体渐进式破坏演化动态过程模拟,在模型中实时跟踪9个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到碎石运动演化过程中参数变形情况。结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动的过程中,非线性运动特征差异化明显。水平向横波作用下,左侧岩体渐进式破坏严重,呈现出断裂-分离-接触碰撞-再分离的运动演化过程。不同振动强度下,岩体破损程度差异明显,振幅15以上岩体破坏严重。纵波单独作用下,岩体虽发生水平向裂纹,中部发生较大变形,但整体结构保持较好;模拟发现横波是岩体破坏的主要因素,纵波和横波叠加作用下两侧岩体破坏严重。     

硫酸盐侵蚀作用下混凝土细观破损机理研究

侵蚀环境下混凝土材料的内部孔隙空间分布特征与演化规律是材料破损机理及宏观力学性能研究的关键问题。采用X射线断层扫描技术(CT)对硫酸盐侵蚀与干湿循环耦合作用下混凝土的细观损伤过程进行实时扫描,在此基础上,结合图像处理与三维重构技术开展了混凝土内部孔隙结构的空间分布特征与演化规律研究,并通过提出的孔隙分区的方法深入研究了材料细观破损特征和机理。结果表明:宏观上试样质量、抗压强度均呈现规律性变化,溶液中钙镁离子浓度有明显的累积性趋势;细观上试样孔隙率随侵蚀时间的增加呈先减小后增大的变化,单轴抗压强度与孔隙率大体上呈负相关关系。同时,混凝土试样不同分区内孔隙率演化规律各不相同,但总体呈现先减小后增大的趋势,侵蚀作用深度随侵蚀时间不断增长。结论可为深入研究硫酸盐侵蚀下混凝土材料细观破损机理提供依据。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程.岩石服从莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律.根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆.模拟结果...     

受压混凝土试件应力状态与强度分析

为研究受压混凝土试件的强度以及强度变化机理,通过数值模拟不同长径比的混凝土轴心受压试件的破坏过程,研究受压混凝土试件轴心受压时内部应力状态和裂纹的损伤演化过程,及混凝土试件不同围压作用下,强度的变化机理,分析表明, 混凝土试件随着长径比增大,强度减小,试件的破坏面逐渐减小,强度随着内部应力状态变化而变化,围压越小混凝土试件的强度越小,试件的破坏形式由剪切破坏面逐渐到受拉破坏面。推荐将长径比1∶10时为受拉破坏面为作为无侧限的受压时极限拉应变。     

玄武岩纤维混凝土抗压试验有限元分析

利用ANSYS有限元软件建立细观层面上带有随机分布的玄武岩纤维,考虑纤维与混凝土界面粘结滑移的混凝土模型对抗压试验进行模拟,以考察玄武岩纤维在混凝土受力发生变形至开裂的过程中所起的作用及纤维的掺量对应力分布情况的影响。结果表明：直到材料发生塑性变形,纤维才开始分担受力,纤维掺量对应力应变关系的影响才开始凸显,混凝土发生开裂时,纤维体现了明显的阻裂效果;随着纤维掺量的增大,纤维对混凝土应力集中的分散效应逐渐增强。     

拱形抗滑桩墙支护结构体系模型试验相似材料研制

根据模型试验相似比尺和桩土间应力协调要求,用机制砂、河砂、水泥、石粉等配置了40组(每组6个)低强度、低弹性模量的圆柱形微混凝土相似材料试件.测试结果表明:微混凝土具有和原型混凝土大致相同的应力应变阶段和破坏模式,可以模拟原型结构的力学行为和变形、破坏特征.砂率和石粉取代率不同时,微混凝土试件的轴压强度和弹性模量在较大...     

考虑塑性应变及损伤阈值的混凝土冻融损伤本构模型研究

根据不同冻融循环次数下的混凝土应力—应变全曲线特性,研究了损伤变量的变化规律,并建立了冻融后混凝土损伤演化方程,探讨了损伤阈值对混凝土冻融损伤本构模型的影响。将统计学方法与细观力学方法结合,采用平行杆模型模拟混凝土等脆性材料单轴受压的损伤演化规律,在传统的两参数Weibull分布函数基础上引入损伤阈值参数,提出了考虑塑性变形的混凝土损伤本构方程。该模型可以较好地反应混凝土在受载初期时的力学特性。结合试验结果,求解出模型中的参数,并与试验结果对比分析,验证了所提出模型的合理性。     

高应变率下HRB600高强钢筋力学性能试验研究

钢筋混凝土结构抗震分析中应该采用钢筋材料的动态塑性本构模型,HRB600高强钢筋作为新一代建筑钢材,尚无其在高应变率下的力学性能研究。首先进行了HRB600高强钢筋拉伸力学性能试验,得到了不同应变率下的HRB600高强钢筋力学性能数据,屈服强度最大提高11.5%,极限强度最大提高8.9%,然后拟合得到HRB600高强钢筋在高应变率下的强度提高系数表达式。研究结果表明:随着应变率的增大,钢筋的屈服强度和极限强度均得到提高;在相同应变率条件下,钢筋屈服强度动力提高系数大于极限强度动力提高系数;相比较低强度钢筋,应变率敏感性明显低于HPB235、HRB335及HRB400,但与HRB500钢筋相差较小,而极限强度应变率敏感性明显高于低强度钢筋;基于试验数据得到的HRB600高强钢筋在高应变率下的动态塑性本构模型,与试验值吻合较好。研究成果可作为HRB600高强钢筋混凝土结构抗震评估的依据。     

岩体爆破破坏效应颗粒流数值模拟验证研究

采用颗粒流方法对岩体爆炸破岩过程进行数值模拟,将集中药包作用下的爆炸球面波等效为三角形波脉冲,根据颗粒离散元原理建立了点膨胀加载法和动边界处理法,结合动三轴试验标定的细观力学参数,建立了颗粒离散元爆炸应力波传播分析模型。利用数值模拟进行了爆破破岩机理分析,探讨了不同埋深、炸点膨胀比、炮孔压力对爆破效果的影响,给出了数值模拟时合适的炸点膨胀比与峰值压力取值范围,并根据爆破工程实践对爆破漏斗效应、微差爆破效应进行了验证。研究方法简单可靠,可反映岩体爆炸应力波传播规律,动态表征岩体的破坏过程,有助于进一步加深对工程爆破效应的认识。     

锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验与本构关系模型∗

为了研究揭示锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压特性,基于36组锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验,获得了不同锈蚀程度箍筋约束混凝土的应力—应变曲线试验数据,分析了箍筋质量锈损率对约束混凝土的峰值应力、峰值点应变、极限应变以及破坏形态的影响规律,并分别建立相应的计算模型,进而研究提出了锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压本构关系模型。结果表明:随着箍筋质量锈损率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值点应变和极限应变逐渐降低;箍筋体积配箍率越小,箍筋质量锈损率对峰值应力和极限应变的影响越显著;当箍筋质量锈损率分别超过15%、10%和30%左右时,大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂;锈蚀箍筋约束混凝土单轴受压本构关系模型的计算值与试验数据吻合较好,说明该模型能够合理描述箍筋锈蚀程度对约束混凝土单轴受压应力—应变曲线的影响规律。     

混凝土与钢筋混凝土结构抗火抗冲击研究评述

火灾高温和爆炸冲击荷载会对工程结构造成严重的破坏,二者通常相伴发生,对工程结构产生的破坏更为剧烈。从混凝土材料和钢筋混凝土构件两个层面,分别综述了火灾高温与爆炸冲击荷载单独及联合作用对混凝土与钢筋混凝土结构影响的物理试验、理论分析与数值模拟方面的研究进展,发现现有研究工作的特点为:火灾高温/爆炸冲击单独作用研究多,耦合或联合作用研究少;试验研究工作多,理论分析与数值模拟工作少;宏观均质数值模型多,微/细观非均质数值模型少。建议今后开展火灾高温与冲击荷载联合作用下混凝土材料及钢筋混凝土构件物理试验研究,建立钢筋混凝土构件全过程响应研究的多尺度分析理论与数值模型,揭示钢筋混凝土构件的损伤破坏机理,为灾后损伤评估及安全加固提供基本理论。     

泥儿湾滑坡失稳机制及破坏后运动规律研究北大核心CSCD

以三峡库区泥儿湾滑坡为例,通过建立渗流稳定性分析模型,研究了库水位上升对其稳定性的影响;同时,采用3DEC离散元软件,建立了二维离散元运动模型,深入分析了其破坏后的运动模式及变形规律。研究结果表明:(1)从失稳机制来看,水库蓄水所产生的浮脱减重效应是诱发滑坡失稳的重要因素;(2)从模拟破坏后的运动规律来看,水平位移在空间上从滑坡后缘至前缘、表层至深层逐渐增大,随滑体纵向深度的增长模式符合Logistic增长模型,在时间上的增长规律符合双曲线式增长;垂向位移在空间上从滑坡后缘至前缘依次减小,在时间上增长规律亦符合双曲线式增长,随滑体纵向深度的变化不明显;(3)该滑坡变形破坏模式可分为平动模式和转动模式。