硫酸镁侵蚀环境下玄武岩纤维混凝土耐腐蚀及力学性能劣化研究

为了增强混凝土的抗侵蚀性能,对不同纤维掺量混凝土在硫酸镁侵蚀下的耐久性及力学性能进行了试验研究及分析。采用100mm×100mm×100mm的试块,纤维掺量分别为0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%,浸泡于浓度为5.0%的硫酸镁溶液中,每30d观测表观裂缝、测试吸水率变化;每90d测定力学性能变化,并进行离子浓度测量。结果表明:玄武岩纤维对混凝土承载力及变形能力有一定的提高;玄武岩纤维混凝土与普通混凝土在硫酸镁溶液环境中相比,孔隙率增加速度较慢;但过量纤维反而对耐久性能产生不利影响;玄武岩掺量在0.1%左右时最为经济、合理。另外,针对玄武岩纤维离散困难的问题,提出了粉体颗粒玄武岩纤维离散法。本文研究可为玄武岩纤维混凝土的工程应用提供一定基础。     

持荷混凝土构件耐久性试验加载装置应用技术

针对混凝土构件耐久性试验环境的腐蚀性和多变性、试验设备容量的限制、混凝土的徐变及加载杆件的松弛等影响,对持荷试件加载装置进行了设计与研究。通过自平衡加载装置对紧固件施加扭矩来控制持荷试件的应力水平,并实时监测不同材质及环境下的扭矩系数、混凝土徐变和紧固件的应力松弛,以此获得扭矩的衰减规律,为试件应力补偿提供理论依据。采用两套加载装置对8根(套)试件进行了测试,试验结果表明,自平衡加载装置适用性强、加载及其补偿简便且能够满足试验要求,持荷试件应力损失在六周后趋于稳定。该装置及其应用技术可用于荷载与环境共同作用下混凝土构件的耐久性试验。     

早龄期混凝土抗裂性环形试验研究进展

早龄期混凝土极易在限制收缩条件下产生裂缝进而影响结构的安全性、耐久性和适用性,因此提供一种简单有效的方法来评估早龄期混凝土在限制收缩条件下的抗裂性,就显得非常重要.由于能够提供一定的约束刚度并易于实验室操作,限制收缩环形试验被广泛应用到混凝土在限制收缩条件下的抗裂性评估.主要从限制收缩环形试验的发展、破坏机理、影响因素三方面进行阐述.通过限制收缩环形试验进行不同目的的混凝土试验研究,推动了限制收缩环形试验的不断发展;破坏机理主要有最大拉应力理论以及基于断裂力学的断裂能机制预测混凝土的开裂;环形试验的影响因素主要有试件几何尺寸,边界条件,混凝土材料性能以及预制裂缝四个方面.最后介绍了一种椭圆环试验方法,可有效评估高约束度下混凝土的抗裂性.     

混凝土动态破坏过程超声波测试研究

混凝土在荷载作用下会产生损伤或破坏,用超声波的方法可测量损伤或破坏的程度。但在荷载作用下混凝土的破坏是一个动态过程,由于测试面发生变形,使常规超声波测试无法完成。本文研制了一个混凝土材料破坏过程超声波测试辅助装置,结合原有的非金属材料超声波检测仪,使测试混凝土材料动态破坏过程成为可能。同时通过辅助装置还可消除试件在破坏过程中由于变形带来的测试误差,可方便、快捷、准确地测试混凝土在荷载作用下的动态破坏过程。采用常规混凝土和冻融混凝土为试件,在材料万能试验机上进行了破坏实验,得到了不同荷载作用下超声波的波速。实验结果表明,混凝土的超声波波速随混凝土的破坏程度不断增大而减小,由此表示可采用超声波测试的方法确定混凝土的动态破坏过程。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟

通过大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,充分考虑钢筋和混凝土在结构倒塌时各自的受力状态和强度差异,运用分离式共节点模型模拟钢筋混凝土结构建筑物的爆破拆除倒塌过程.通过对倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程分析研究,对数值模拟效果与实际爆破效果对比分析得出:分离式共结点模型...     

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推导出综合考虑混凝土塑性性能及混凝土与钢筋界面裂 隙等因素的混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式，验证了计算公式的可行性，探 讨了影响混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的相关因素，可用于钢筋混凝土结构耐久性评 估及寿命预测.     

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。     

混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分

在细观层次上,混凝土被认为是一种由粗骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所组成三相非均质复合材料。本文首先基于蒙特卡罗随机抽样原理,用“取和放”方法在计算机上产生形状、尺寸和骨料颗粒分布与真实混凝土相似的随机骨料结构,再使用有限元分析软件ANSYS对骨料区域及砂浆区域分别划分网格,并编程在骨料和砂浆之间生成三角形三结点可控制厚度粘结单元,从而使三相网格缝合为一个整体,为混凝土非线性有限元分析提供可靠的细观计算模型。最后利用建立的模型进行混凝土轴心受拉和轴心受压的仿真模拟,在细观层次研究的基础上揭示出混凝土的宏观力学性能。     

基于离散模型的混凝土构件破坏过程研究

刚体-弹簧元模型是一种离散化分析模型,可以反映连续体从开裂到破坏不连续过程的真实裂缝形态。本文在总结既有相关研究的基础上,引入并程序化刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究,特别是有关混凝土构件开裂后直至破坏的裂缝真实形态研究。首先确定了三维刚体-弹簧元模型中刚体单元的划分、弹簧元的特性（混凝土材料本构关系施加于弹簧元）、刚体单元与弹簧元装配方式、钢筋本构关系及其与混凝土相互作用,然后实现了刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究的程序化,并以剪切破坏的钢筋混凝土构件进行实例验证。结果表明,基于刚体-弹簧元模型的程序可以较为准确地反映该钢筋混凝土构件从开裂到破坏真实裂缝形态。     

混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展

混凝土仿生自修复是根据生物体损伤修复的原理, 在混凝土传统组分中复 合特殊组分使其具有自修复功能, 当混凝土材料出现损伤或裂缝时, 自动触发修复反应使其 愈合, 恢复甚至提高开裂部分的强度, 从而提高整个结构的性能. 混凝土自修复系 统将免去有效的监听和外部修补所需的高额费用, 节省建筑结构运行费用, 且大大有利于建筑结构的 安全性和耐久性. 本文在简要介绍生物体损伤修复原理的基础上, 总结了两种混凝土自 修复技术与方法; 综述了国内外有关裂缝自修复混凝土的研究现状; 分析了仿 生自修复方法中所存在的问题及其实用价值, 展望了其发展趋势和应用前景; 最后, 指出需 进一步研究的方向.     

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

Cohesive fracture simulation and failure modes of FRP–concrete bonded interfaces

A work-of-fracture method using three-point bend beam (3PBB) specimen, commonly employed to determine the fracture energy of concrete, is adapted to evaluate the mode-I cohesive fracture of fiber reinforced plastic (FRP) composite–concrete adhesively bonded interfaces. In this study, a bilinear damage cohesive zone model (CZM) is used to simulate cohesive fracture of FRP–concrete bonded interfaces. The interface cohesive process damage model is proposed to simulate the adhesive–concrete interface debonding; while a tensile plastic damage model is used to account for the cohesive cracking of concrete near the bond line. The influences of the important interface parameters, such as the interface cohesive strength, concrete tensile strength, critical interface energy, and concrete fracture energy, on the interface failure modes and load-carrying capacity are discussed in detail through a numerical finite element parametric study. The results of numerical simulations indicate that there is a transition of the failure modes controlling the interface fracture process. Three failure modes in the mode-I fracture of FRP–concrete interface bond are identified: (1) complete adhesive–concrete interface debonding (a weak bond), (2) complete concrete cohesive cracking near the bond line (a strong bond), and (3) a combined failure of interface debonding and concrete cohesive cracking. With the change of interface parameters, the transition of failure modes from interface debonding to concrete cohesive cracking is captured, and such a transition cannot be revealed by using a conventional fracture mechanics-based approach, in which only an energy criterion for fracture is employed. The proposed cohesive damage models for the interface and concrete combined with the numerical finite element simulation can be used to analyze the interface fracture process, predict the load-carrying capacity and ductility, and optimize the interface design, and they can further shed new light on the interface failure modes and transition mechanism which emulate the practical application.     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

Failure mechanisms of concrete slab–soil double-layer structure subjected to underground explosion

The failure mechanism of a concrete slab–soil double-layer structure subjected to an underground explosion was investigated by experimental and numerical methods in this paper. Two underground explosion depths of 150 and 350 mm were tested. The typical failure modes such as the conoid spall of concrete, the bulge of the concrete slab and the cavity in the soil were obtained experimentally. Numerical simulations of the experiments were performed using a hydrodynamic code to analyze the effects of both the stress wave and the expansion of the blast products. Based on the experimental and numerical results, the effects of explosive depth, blast wave front and expansion of the blast products on the failure modes and failure mechanisms were discussed. The underground explosion process at different explosion depths was also analyzed. The results show that attenuation of the stress wave in the soil is significant. The blast wave front and the expansion of the blast products play different roles at different explosion depths. At the explosion depth of 150 mm, the failure mode is mainly caused by a point load induced by the blast wave front, whereas at the depth of 350 mm a sphere-shaped load resulting from the expansion of the blast products is a key factor for failure.     

Potential failure mechanisms of bonded composite repairs for metal and concrete

The objective of the present paper is to clarify the potential failure mechanisms of composite repairs and thereby assist in the development of a certification methodology for both civil and aircraft structures. In this context it is shown that interlaminar failure, in the case of composite repairs to aircraft structures, and shear failure in the concrete, in the case of repairs to degraded concrete structures, can often drive the design process. This phenomena is highlighted by considering a range of recent failures associated with the repairs to civil structures, i.e. bridges, concrete structures and chimney's, etc., and also to aeronautical structural components.     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

大体积混凝土拆模后表层温度的Fourier震荡

将大体积混凝土拆模后很快予以保护的过程简化为大气温度的线性脉冲。研究了脉冲时间对Fourier震荡的影响。成果可以解释混凝土温度在边界层的不合理现象,指出了修正Fourier震荡的途径。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone,POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能,对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响,观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征,研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑,背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时,在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏,涂层的其他区域保持完好,从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间,吸收较大冲击波能量,从而约束混凝土震塌碎片,提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加,板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强,临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。