高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能

利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性'. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.      

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

利用?74mmSHPB实验装置对钢纤维活性粉末混凝土(RPC)进行动态压缩实验和动态劈裂拉 伸实验。获得了钢纤维RPC在1~102s-1应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数 值模拟,验证了动态实验的有效性。结果表明,钢纤维RPC的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出 显著的应变率效应。随着应变率的增加,钢纤维RPC冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态 劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加,动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150 MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。     

基于S准则发展的混凝土动态多轴强度准则

通过对经典强度理论或准则的强度参数分析,将强度参数转化为由混凝土的单轴压缩和单轴拉伸强度表示,结合S准则给出的混凝土单轴强度的率效应规律,得出了强度参数受应变率影响的率效应函数,进而将常用的静态多轴强度准则摩尔-库伦强度理论、松岗-中井强度理论、德鲁克-普拉格强度理论、拉得-邓肯强度准则和胡克-布朗强度准则发展为动态多轴强度准则.利用混凝土动态单轴压缩和动态单轴拉伸试验结果统计分析给出的S准则率效应参数,分析了5种强度准则中强度参数随应变率的变化规律以及取值范围.基于混凝土单轴压缩和单轴拉伸强度,分别给出了5种强度准则在子午面、偏平面和平面应力条件下的强度曲线与主应力空间中的强度曲面,对比分析了5种强度准则间的异同,以及每种强度准则随应变率的变化规律.利用混凝土材料的动态双轴和动态真三轴强度试验结果,分析评价了5种动态多轴强度准则,并且阐述了各动态多轴强度准则的应变率适用范围.德鲁克-普拉格强度理论与试验结果相差甚远,不适于描述混凝土材料的强度规律.动态双轴加载时,在拉压区各强度准则差别不大,都可较好地描述试验规律;在压压区各强度准则差别较大,松岗-中井强度理论与试验结果吻合最好.在动态真三轴比例加载时,摩尔-库伦强度理论和胡克-布朗强度准则无法考虑中主应力的影响;松岗-中井强度理论和拉得-邓肯强度准则都可较好地描述试验规律.      

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

双向受压状态下的混凝土率效应试验研究

利用三峡大学自行研制的大型多功能三轴材料试验机,完成了4种侧应力等级和3个数量级加载速率的C30混凝土立方体试件双向受压试验,系统地探讨了不同侧应力和不同加载速率下混凝土的强度特性及变形特性。研究表明,侧应力和应变速率都能提高混凝土的应变峰值,但侧应力对混凝土的应变峰值的影响较应变速率的影响大;随着侧应力的增加,混凝土的率敏感性逐渐降低;在有侧应力的情况下,随应变速率的增加,混凝土弹性模量变化逐渐减小;随应变速率的增加,应力应变曲线上升段更加陡峭,曲线更加饱满,混凝土剩余强度越来越高;双轴受压情况下,混凝土的应力应变曲线下降段趋势比无侧应力状态下较平缓,随侧应力的增加下降段曲线越来越平缓,混凝土的应力应变曲线更加饱满,峰值点无明显尖峰出现,混凝土剩余强度越来越高。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

Influence of lateral confinement on dynamic damage evolution during uniaxial compressive response of brittle solids

A dynamic damage growth model applicable to brittle solids subjected to biaxial compressive loading is developed. The model incorporates a dynamic fracture criterion based on wing-crack growth model with a damage evolution theory based on a distribution of pre-existing microcracks in a solid. Influences of lateral confinement pressure (dynamic or static) as well as frictional coefficient on the rate dependence of fracture strength of basalt-rock are investigated systematically. It is found that the failure strength, damage accumulation and wing-crack growth rate are strongly influenced by the nature and the magnitude of confinement pressure. It is also verified that the effect of strain rate on fracture strength of brittle solids is independent of confinement pressure in a certain range of strain rate.     

STRENGTH CRITERION FOR PLAIN CONCRETE UNDER MULTIAXIAL STRESS BASED ON DAMAGE POISSON’S RATIO

A new unified strength criterion in the principal stress space has been proposedfor use with normal strength concrete (NC) and high strength concrete (HSC) in compression-compression-tension, compression-tension-tension, triaxial tension, and biaxial stress states. Thestudy covers concrete with strengths ranging from 20 to 130 MPa. The conception of damagePoisson's ratio is defined and the expression for damage Poisson's ratio is determined basically.The failure mechanism of concrete is illustrated, which points out that damage Poisson's ratiois the key to determining the failure of concrete. Furthermore, for the concrete under biaxialstress conditions, the unified strength criterion is simplified and a simplified strength criterion inthe form of curves is also proposed. The strength criterion is physically meaningful and easy tocalculate, which can be applied to analytic solution and numerical solution of concrete structures.     

STRENGTH CRITERION FOR PLAIN CONCRETE UNDER MULTIAXIAL STRESS BASED ON DAMAGE POISSON＇S RATIO

A new unified strength criterion in the principal stress space has been proposed for use with normal strength concrete （NC） and high strength concrete （HSC） in compressioncompression-tension, compression-tension-tension, triaxial tension, and biaxial stress states. The study covers concrete with strengths ranging from 20 to 130 MPa. The conception of damage Poisson＇s ratio is defined and the expression for damage Poisson＇s ratio is determined basically. The failure mechanism of concrete is illustrated, which points out that damage Poisson＇s ratio is the key to determining the failure of concrete. Furthermore, for the concrete under biaxial stress conditions, the unified strength criterion is simplified and a simplified strength criterion in the form of curves is also proposed. The strength criterion is physically meaningful and easy to calculate, which can be applied to analytic solution and numerical solution of concrete structures.     

STRENGTH CRITERION FOR PLAIN CONCRETE UNDER MULTIAXIAL STRESS BASED ON DAMAGE POISSON''S RATIO

A new unified strength criterion in the principal stress space has been proposed for use with normal strength concrete (NC) and high strength concrete (HSC) in compressioncompression-tension, compression-tension-tension, triaxial tension, and biaxial stress states. The study covers concrete with strengths ranging from 20 to 130 Mpa. The conception of damage Poisson's ratio is defined and the expression for damage Poisson's ratio is determined basically.The failure mechanism of concrete is illustrated, which points out that damage Poisson's ratio is the key to determining the failure of concrete. Furthermore, for the concrete under biaxial stress conditions, the unified strength criterion is simplified and a simplified strength criterion in the form of curves is also proposed. The strength criterion is physically meaningful and easy to calculate, which can be applied to analytic solution and numerical solution of concrete structures.     

Influence of strain rate on mechanical properties of 6061-T6 aluminum under uniaxial and biaxial states of stress

A technique is presented for determining mechanical properties of materials under dynamic tensile loads. A Dynapak metalworking machine was modified into a test fixture capable of producing the required dynamic loads for uniaxial and certain biaxial tensile tests. Results from uniaxial dynamic tests on 6061-T6 aluminum alloy are presented and compared to “static” data obtained from a universal testing machine. The dependence of tensile strength on strain rate and the augmenting effect of temperature on this dependence can be seen. The results of biaxial tests are described in terms of a modified form of the distortion-energy failure theory.     

High-rate deformation and fracture of fiber reinforced concrete

This paper presents the results of dynamic compression and splitting-tensile tests of cardiff fiber reinforced concrete (CARDIFRC) composite using the Kolsky technique and its modification. The strength and deformation characteristics of fiber-reinforced concrete were determined experimentally at high strain rates. The mechanical characteristics were found to depend on the strain rate and stress rate. A uniform interpretation of the rate effects of fracture of the tested fiber-reinforced concrete is given on the basis of a structural-temporal approach. It is shown that the time dependences of both the compressive and tensile strengths of fiber reinforced concrete are well calculated using the incubation time criterion.     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.