混凝土受拉动态破坏过程的细观数值方法研究

混凝土在宏观层次上属于各向同性材料,但在细观层次上可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。从混凝土细观结构出发,提出了混凝土动态受力分析的刚体弹簧元(Rigid Body Spring Model,RBSM)方法,通过建立混凝土细观各相组成材料的粘弹塑性损伤本构模型,充分考虑Stefan效应在中低应变率水平下对混凝土力学性能的影响,模拟了混凝土的强度增长规律。对砂浆、混凝土试件的单轴受拉动态破坏分析表明,本文建立的动态弹簧元模型能较好地模拟混凝土强度随应变率增长而提高的规律,而且能够跟踪加载过程中混凝土内部的裂缝开展过程和最终破坏形态。     

偏高岭土-粉煤灰地聚物混凝土高温后的力学性能研究

采用钾水玻璃激发偏高岭土和粉煤灰的混合物制备地聚物。对不同水胶比(0.45、0.40、0.35)、砂率(0.25、0.30、0.35)和骨胶比(3.0、3.5、4.0)的地聚物混凝土进行常温下的抗压及劈拉强度试验,并据此优选地聚物混凝土配方,而后进行地聚物混凝土高温后的抗压及劈拉强度试验。结果表明:随温度升高,地聚物混凝土的抗压及劈拉强度逐渐降低,且在300~500℃间,强度下降尤为明显;相比于抗压强度,地聚物混凝土的高温后劈拉强度降低得更快。对比文献发现,本文的地聚物混凝土高温后相对残余抗压强度要明显高于普通混凝土。根据试验结果,建立了地聚物混凝土高温后抗压强度与劈拉强度的关系式,公式计算结果与试验结果吻合较好。     

再生粗骨料混凝土柱耐火性能试验与理论分析

为研究再生粗骨料混凝土柱的耐火性能,进行了1个足尺的再生粗骨料混凝土柱和足尺的1个普通混凝土柱在竖向恒定荷载和温度场耦合作用下的耐火性能试验研究,2个试件的混凝土设计强度均为C30,2个柱采用相同的轴压比施加竖向荷载。在试验研究基础上,比较分析了2个试件的耐火极限以及各个测点的温度变化、侧向挠度、轴向变形和破坏过程;用有限元软件ABAQUS对试件截面温度场进行了模拟分析,测点温度增量模拟结果与实测温度增量符合较好。研究表明:相同初始轴压比条件下,混凝土强度接近的再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱升温速度慢,具有相对较好的隔热性能;再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱的抗爆裂性能好,耐火极限长;因再生粗骨料混凝土柱比普通混凝土柱的孔隙率相对较高,在高温作用下其内部蒸汽应力可得到一定释放,由此引起的柱子轴向压缩变形相应也较大;一定条件下的再生粗骨料混凝土柱可用于建筑工程。     

锈蚀钢筋与再生混凝土的黏结性能试验研究

为研究锈蚀钢筋-再生混凝土黏结滑移性能,进行了30个棱柱体试件拉拔试验研究。试验参数为混凝土水胶比、混凝土再生粗骨料取代率、钢筋锚固长度、钢筋锈蚀率。基于试验结果,分析了再生粗骨料取代率、锈蚀率、锚固长度及混凝土强度对黏结滑移的影响。研究表明:再生粗骨料取代率、混凝土强度、钢筋锚固长度及锈蚀率为影响试件黏结滑移性能的关键因素;锈蚀钢筋-再生混凝土黏结破坏分为三种形式,即钢筋达极限拉力的钢筋拉断破坏,钢筋拔出的黏结滑移破坏,钢筋拔出的混凝土劈裂破坏;锈蚀钢筋-再生混凝土的黏结滑移曲线与普通钢筋-再生混凝土黏结滑移曲线相似,但随锈蚀率的增加,试件黏结强度降低;锈蚀钢筋与再生混凝土黏结强度随锚固长度的增加而减小,而黏结强度提高比例随混凝土强度的增加而减小。     

压电智能骨料动态拉应力标定试验研究∗

为了监测混凝土内部受拉开裂损伤,提出了混凝土内部拉应力监测压电智能骨料,并对其进行了动态拉应力标定试验研究。首先,制备4个压电智能骨料受拉试件,建立拉应力监测系统;其次,对压电智能骨料施加往复拉应力,标定得到其灵敏度系数;然后,对压电智能骨料试件施加单调荷载直至其受拉破坏,得到其抗拉强度及输出的电压信号,对比了破坏过程的实际与监测荷载。结果表明,往复荷载作用下,SA输出与输入荷载呈良好的线性关系,SA的灵敏度系数一致性较好;单调荷载作用下,各SA抗拉强度均高于混凝土抗拉强度。综上,压电智能骨料有潜力应用于混凝土内部的拉应力监测。     

箍筋间距对RC梁剪切破坏及尺寸效应的影响研究∗

箍筋间距对钢筋混凝土梁的裂缝开展及剪切延性有重要影响,但对其抗剪强度及尺寸效应的影响研究较少.采用三维细观数值模拟方法,建立了钢筋混凝土梁剪切破坏力学分析模型,研究了箍筋间距及配箍率对钢筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应的影响机制与规律,并重点分析了箍筋间距对钢筋混凝土梁剪切延性及尺寸效应的影响.研究结果表明:箍筋间距对剪切破坏模式及抗剪强度的影响不大,主要影响钢筋混凝土梁的剪切延性;减小箍筋间距可以有效抑制梁的脆性行为;箍筋增大梁的抗剪承载能力,同时削弱梁抗剪强度尺寸效应.此外,将模拟结果与所提抗剪强度尺寸效应理论公式进行对比分析,验证了所提公式的适用性与准确性.     

高温加热后轻骨料混凝土力学性能实验研究

本文通过对陶粒轻骨料混凝土试块进行不同温度水平的加热,待自然冷却后进行相应的加载试验,研究其抗压强度和弹性模量等力学性能参数随加热温度水平的变化规律,并与普通混凝土进行理论对比。为避免试块高温爆裂,按不同温度水平对试块分批进行阶梯升温,当试块内外温度相同后恒温保持半小时,打开炉门使试块在炉内自然冷却到常温状态,然后进行相应加载试验。试验结果表明:随加热温度的升高,陶粒混凝土棱柱体抗压强度的下降幅度大于立方体抗压强度;初始弹性模量与峰值变形模量随温度变化的拟合曲线基本接近。与普通混凝土相比,不论是立方体还是棱柱体试块,陶粒混凝土的残余抗压强度均高于普通混凝土;弹性模量随温度的下降幅度也小于普通混凝土。研究表明:如能有效解决在高温加热过程中的爆裂,陶粒轻骨料混凝土的潜在抗高温性能将明显优于普通混凝土。     

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。     

不同再生骨料取代率的再生混凝土梁受弯性能试验研究

为了研究再生混凝土梁在不同再生粗骨料取代率和不同再生细骨料取代率下其正截面的受力特点和破坏特征,进行了不同再生粗骨料取代率和不同再生细骨料取代率的足尺钢筋混凝土简支梁正截面抗弯性能试验。试验共有7根配筋及构造相同的试件梁,其截面尺寸为300 mm×200 mm,净跨为3 000 mm;再生粗骨料取代率有0%,33%,66%,100%共4种,再生细骨料取代率有0%,50%,100%共3种。试验采用三分点单向重复加载方式,研究了不同再生粗、细骨料取代率对梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、挠度、截面应变、裂缝及损伤破坏过程的影响。试验结果表明:再生混凝土梁在正截面受力过程中,仍具有弹性、开裂、屈服和极限4个明显的过程;正截面平均应变服从平截面假定;再生混凝土梁损伤破坏过程与普通混凝土梁相似;相同混凝土和配筋条件下再生混凝土梁的极限承载力与普通混凝土梁接近;再生粗骨料取代率对梁受弯性能影响不明显,而再生细骨料取代率对梁裂缝分布和挠度有一定的影响。     

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。     

再生混凝土冻融后基本力学性能试验研究

为了研究再生混凝土的抗冻融性能,进行了不同再生粗骨料和不同再生细骨料取代率的54个立方体试块和27个棱柱体试件的抗冻融性能试验。基于试验,分析了分别经25次、50次、75次和100次冻融循环后,各阶段棱柱体试件的表观特征、质量损失率、相对动弹性模量改变量以及立方体试块的抗压强度损失率;研究了"试件质量损失率-冻融循环次数"、"试件相对动弹性模量改变量-冻融循环次数"的变化规律;提出了适于寒冷地区建造房屋结构的再生混凝土骨料及其取代率。研究表明,再生粗骨料取代率为50%、细骨料为普通砂的试件,经100次冻融循环后,其表观特征、质量损失率、相对动弹性模量改变量均与普通混凝土相差不多,经合理设计,仅掺入不高于50%的再生粗骨料的再生混凝土可用于寒冷地区混凝土房屋结构。     

薄壁钢-轻质混凝土组合楼板的受火后力学性能及评估模型研究

对5块内置钢骨架的轻集料混凝土组合楼板在火灾后的受力性能进行了试验研究,并基于试验结果给出了火灾后组合楼板综合承载力的评估模型。结果表明,该组合楼板在火灾作用后仍具有较高的剩余承载力和整体刚度,其主要影响参数包括轻骨料混凝土预制板中的配筋数量、受火时的荷载分布方式与荷载值以及火灾升温后所采用的冷却方式。受火时组合楼板试件中钢骨架主、次构件正上方的混凝土表面首先出现裂缝,且火灾后加载时进一步发展。火灾下均匀堆载的组合楼板试件的名义刚度较局部堆载的试件刚度提高18.5%;采用人工喷淋冷却方式较之自然冷却,其火灾后组合楼板试件静载试验的残余位移增大23.9%;所建立的综合指标模型可用于评估火灾后组合楼板试件的综合承载力。     

火灾后混凝土结构损伤检测方法研究与探讨

研究了火场最高温度、持续时间对混凝土材性的影响,采用逐层深入-劈拉法研究了沿深度方向的不同损伤情况。研究表明,混凝土力学性能,包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量等,随温度升高而显著降低;抗压强度、抗拉强度均随持续时间的增长而下降。逐层深入-劈拉法试验表明,在最高受火温度基本相同的情况下,残余强度随受火时间不同而有较大的差别;受火时间短的试件强度曲线呈明显的非线性,而受火时间长的试件强度曲线则趋于线性。对于火灾后混凝土构件的检测,在钻芯法的基础上提出了多次横向劈拉法;基于混凝土受损趋势为双曲线模型的假定,提出了首波传播路径为抛物线的改进超声波检测法。     

施工误差对RC框架结构层间位移角限值可靠度的影响研究

施工质量的变异性是造成钢筋混凝土框架结构体系可靠度不确定的重要原因之一。结合增量变异性分析方法,考虑施工质量的随机性,利用ANSYS有限元软件,考虑各楼层的失效相关性,对钢筋混凝土框架结构的体系可靠度进行计算,分析层间位移角对施工质量的灵敏性,定量地说明施工质量的变异性对框架结构的体系可靠度的影响,并基于可靠度理论对施工误差限值进行了研究,得到了钢筋混凝土框架结构施工误差限值建议值。研究结果表明:材料强度和结构几何尺寸的随机性对框架结构楼层层间位移角均具有较大影响,尤其是混凝土抗压强度。体系可靠度随混凝土抗压强度的均值增大逐渐增大,随标准差的增大而减小。截面尺寸、箍筋间距的均值变异性对整体可靠度的影响也较明显,其次就是钢筋保护层标准差的变异。施工误差限值的建议值为:梁柱截面高度偏差限值为(-6,12)mm,箍筋间距偏差限值为(-26,26)mm,保护层厚度偏差限值为(-5.5,5.5)mm。     

钢管混凝土输电塔地震易损性研究∗

钢管混凝土输电塔,由于混凝土与钢管相互作用,使得其地震易损性不同于普通混凝土输电塔。为了对比研究它们的地震易损性区别,从材料本构模型层面考虑钢管与核心混凝土的相互作用,使用有限元软件OpenSees 建立钢管混凝土输电塔模型,对其进行结构响应分析,并进一步采用增量动力分析方法绘制输电塔在多遇、设防、罕遇和极罕遇地震时的易损性曲线,定量分析出地震的第一周期谱加速度对于钢管混凝土输电塔失效概率的影响,同时与普通输电塔的地震易损性结果进行对比。研究结果表明：钢管混凝土输电塔在多遇、设防、罕遇、极罕遇地震作用下均不易发生严重破坏和倒塌,钢管混凝土输电塔出现倒塌时的Sa ( T1 ) 多位于1.0g~1.4g;随着地震强度的增加,钢管混凝土输电塔相较于普通输电塔的抗震性能更差。     

玻璃纤维(GFRP)布—高强混凝土界面的剥离承载力研究

高强混凝土如今被广泛应用于各种重要的民用和工业建筑物上,与其维修加固相关的问题急需人们去研究、解决。目前,外贴玻璃纤维(GFRP)布加固高强混凝土的关键问题——界面的粘结破坏机理还很少有系统研究。本文对41个粘贴GFRP布的高强混凝土试件进行了单面剪切试验,得到了不同影响因素(混凝土强度、GFRP布粘结长度、宽度比、GFRP布刚度)作用下的界面剥离承载力、应变分布以及破坏模式。统计分析承载力试验值,给出了适合高强混凝土的宽度比系数,进而得到了GFRP布—高强混凝土界面的剥离承载力计算公式;进一步将试验值与陈-腾公式进行了比较,并且检验了已有承载力模型预测的准确性;由试验得到的应变数据考察了界面应变分布,发现应变的理论计算值与试验值在弹性阶段吻合较好。高强混凝土下,超过有效粘结长度后界面的破坏模式主要为界面剥离破坏。     

钢筋混凝土梁裂缝宽度与裂缝深度的相关性试验研究

裂缝的出现极大地降低梁的使用寿命。裂缝宽度和裂缝深度作为裂缝的两个主要参数,目前对前者的研究相对成熟,而后者的研究甚少。通过对8根钢筋混凝土梁的静力加载试验,研究由荷载引起的结构裂缝宽度与深度的相关性发展形态,并考虑混凝土强度、保护层厚度和钢筋直径对裂缝特征的影响。结果表明:混凝土梁裂缝宽度的发展主要与钢筋配筋率有关;梁的开裂荷载与混凝土的劈裂抗拉强度有一定关系;裂缝宽度与深度的相关性大致呈三段式的发展,并拟合二者的曲线。     

依据材料与构件的受弯性能综合评价ECC的控裂性

为了研究国产的工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)和普通聚乙烯醇(Polyvi-nyl Alcohol,PVA)纤维混凝土对结构增韧和控裂的效果,分别采用材料试验和构件试验进行研究。通过四点弯曲试验,发现ECC的峰值荷载和峰值荷载对应的拉应变要远远大于普通混凝土、PVA纤维混凝土,而且ECC起裂以后,裂缝宽度较小,且发展较慢,控制较好;采用不同高度的ECC、PVA纤维混凝土作为钢筋混凝土梁底保护层,发现1/4h ECC对钢筋混凝土增韧的效果最好,且裂缝宽度为0.2mm时,1/4h ECC的承载能力比普通钢筋混凝土提高1.6倍,峰值荷载比普通钢筋混凝土提高约12%;同时发现,在相同荷载作用下,采用ECC作为梁底保护层时,裂缝宽度比钢筋混凝土小,且可以有效地控制裂缝宽度的快速增长,间接提高结构的耐久性。     

砂-聚苯乙烯颗粒轻质混合填料的剪切强度特性

砂-聚苯乙烯颗粒填料是一种以砂土和聚苯乙烯颗粒组成的轻质混合填料。通过轻质填料的直剪试验,研究其剪切强度的特性、强度影响因素及其机制。研究发现,轻质填料的剪切强度具有最优含水率(本文为10%),若大于或者小于最优含水率,剪切强度都将减小;轻质填料的剪切强度主要由4个分量构成:颗粒滑动、剪胀、挤碎和重新排列,以及因聚苯乙烯收缩而引起的颗粒移动和重排分量;轻质填料的剪切强度还受聚苯乙烯含量及法向应力(或围压)的影响,其剪切强度随聚苯乙烯含量的增加而减小,随法向应力的增加而增加;轻质填料的内摩擦角随着配比的增加而减小,凝聚力随配比的增加而增大。