基于降阶均匀化理论的混凝土双尺度力学性能分析

混凝土材料细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为进一步分析混凝土细观特性对宏观力学行为的影响规律,将混凝土材料简化为由骨料、砂浆和界面三相组成,编制了随机凸多面体骨料生成、投放和网格剖分算法,建立可用于有限元计算的满足级配要求的随机细观模型。针对直接使用细观力学模型计算量较大的问题,采用降阶均匀化理论,对混凝土细观胞元模型进行预处理并编制了相应的双尺度计算程序。对不同强度混凝土进行了单轴静态压缩双尺度计算,与实验数据和细观力学模拟结果符合较好。研究表明,降阶均匀化理论在加快求解速度的同时具有较高的精度,可以用于混凝土的多尺度力学性能分析。     

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。     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料，在满足骨料级配曲线算法的基础上，采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系，考虑材料的非均质特性，建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型；分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为，并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应，通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比，验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱，在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前，试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置，并沿着界面粘结带扩展、贯通；同时，导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料,在此基础上,采用有限元方法,对混凝土弹性本构关系进行数值模拟,利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程,重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响,得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸,即5～10倍最大骨料粒径.作为例证,对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究,结果表明:基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为.此外,由于骨料、砂浆的相互作用,应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征.     

基于细观力学方法的混凝土热膨胀系数预测

建立混凝土材料的有效性质与微结构参数之间的关系,是混凝土材料优化设计的基础。本文用细观力学方法对复合材料宏观有效热膨胀系数进行研究,得到了含有一球形夹杂物的无限大介质在均匀变温作用下的应力场。假定混凝土为由骨料和砂浆基质组成的二相复合材料,根据混凝土宏观体积热膨胀量与组成混凝土的各相介质细观体积热膨胀量相等的原则,采用基于Mori-Tanaka方法的混凝土宏观有效剪切模量,推导出混凝土有效热膨胀系数的解答。对稀疏解法、自洽方法和有限单元数值试验结果的比较说明,本文提出的基于自洽方法的混凝土宏观有效热膨胀系数的理论公式能够较好的描述混凝土的热学特性,该方法可以推广到多相复合材料宏观有效热膨胀系数的预测中。     

断裂损伤与细观力学

本文从力学发展的角度,对断裂力学、损伤力学与细观力学的主要内容及其发展,作了简要的介绍和评述.指出:固体力学与其它学科的交缘汇合,并深入到细观结构的层次进行研究,这一研究发展的势头已是很明显的了.细观力学、损伤力学与断裂力学构成了从细观尺度直至宏观尺度以描述材料与结构的破坏过程的破环理论的主要内容.它使得作为固体材料的力学的基本内容之一的破坏理论,面临一个新的发展阶段.     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

混凝土微观界面纳米划痕试验表征研究

鉴于混凝土微观结构对宏观性能的重要影响,利用纳米划痕试验方法,对常规水灰比配比的混凝土样品骨料-水泥浆体微观界面及界面过渡区进行了表征研究.基于纳米划痕试验方法和扫描电镜显微技术,对于样品微观情况下的骨料-水泥浆体界面进行了表征分析,并对表征结果经过多个高斯分布拟合的统计学分析方法得到基于界面位置的结构划痕硬度分布情况.通过划痕硬度与骨料-浆体界面的距离变化,定义了骨料和水泥浆体之间的界面过渡区,并得到界面过渡区厚度约为40μm,界面过渡区划痕硬度约为水泥浆料硬度的75%左右.通过比较划痕断裂韧性与宏观试验结果,证明利用纳米划痕试验可以初步分析材料断裂韧性.本研究为更好地研究混凝土微观性能对宏观力学性能的影响提供了可靠的数据支持,也为评价混凝土微观界面力学性能提供了一种新的可行方法.     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。     

胶粒改性陶粒混凝土力学性能试验研究

采用两种改性方案配制胶粒陶粒混凝土,试验研究规定龄期下改性陶粒混凝土的抗折、抗压和劈裂抗拉强度,并分析不同的养护环境对它的力学性能影响.试验结果表明,对胶粒进行改性处理后,能显著改善胶粒与水泥基材料的粘结性能,提高胶粒陶粒混凝土的力学性能;在不同的养护条件下,胶粒陶粒混凝土力学性能的整体变化规律是一致的,养护条件对胶粒陶粒混凝土力学性能的影响不是很大.     

Study of the mechanical properties of plain concrete under dynamic loading

A new testing methodology based on the Hopkinson bar principle is proposed for studying globally and locally the mechanical properties of plain concrete at a high strain rate. A Hopkinson bar bundle measures the local mechanical characteristics over the cross section of a large specimen of plain concrete subjected to impact loading. With this method, more accurate measurements of the stress-strain diagram are obtained, especially during the fracturing phase of the concrete specimen.     

高速公路护栏立柱力学特性室内静载试验分析

通过设计并进行高速公路护栏立柱力学特性室内静载试验,对旧规范护栏立柱、新规范护栏立柱和升级改造后护栏立柱进行了力学特性测试.通过对试验结果进行对比分析,对该升级改造方案的实际效果进行评价,同时对该升级改造中相关参数进行单一变量试验,得出不同阶段影响立柱可受力峰值的控制因素.研究表明,文中所介绍高速公路旧护栏立柱升级改造方案可以使旧护栏的抗剪抗拉性达到甚至超过新规范护栏性能,且可在一定程度内通过控制立柱内混凝土浇筑高度增强护栏立柱的力学性能,当浇筑高度达到地面平齐高度后,护栏立柱的力学性能所受其影响可以忽略.     

NUMERICAL SIMULATION OF CRACK GROWTH OF REINFORCED CONCRETE FLEXURAL MEMBERS BASED ON XFEM1)

基于最大主应力准则，利用扩展有限元法对钢筋混凝土三点弯曲梁的裂纹扩展进行数值模拟。通过与已有模型试验结果的比对，验证了该方法的准确性与有效性。研究发现，带裂纹钢筋混凝土构件的裂纹扩展与力学性能不但受到单裂纹的尺寸、位置、倾角的影响，而且还受多裂纹间位置关系的影响；其中，裂纹横向分布位置和裂纹纵向分布位置是影响带裂纹钢筋混凝土梁裂缝扩展的主要因素。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性，研究了骨料几何形状和空间分布规律，建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型，引入了混凝土细观组份材料的本构模型，分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能，并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型，研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明，本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好，可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

3D打印混凝土各向异性力学性能研究

近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。与模板浇筑工艺不同,3D打印在逐行逐层堆叠的建造过程中引入了一定量的层间弱面和空隙,造成了细观非均质性;而且3D打印过程无法自动嵌入钢筋,制备纤维混凝土作为打印材料可有效改善力学性能。本文首先制备了一种适用于挤出型3D打印工艺的玄武岩纤维增强陶砂混凝土,将水平打印层作为XY平面,然后从三个正交方向加载,实验测试了3D打印混凝土的抗压、抗弯等力学性能,提出了各向异性系数及其评估方法。研究结果表明,对于单轴压缩,X方向强度最高,而对于抗弯性能,Y方向强度最高。纤维对挤出型3D打印材料的各向异性影响较大,纤维掺量越大,各向异性越大。     

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。     

弹塑性力学问题的虚单元法

具有有限差分法特征的虚单元法，可视为是有限元法向任意多边形单元的扩展。在材料细观力学性能表征、非均质材料力学分析等非线性问题方面，传统的弹塑性有限元法具有网格数目多、效率低下等不足之处，而虚单元法使网格划分更加灵活，为材料的弹塑性力学分析等非线性问题提供了新的思路。基于增量法弹塑性力学原理和双线性投影算子，建立了弹塑性力学问题的虚单元法求解技术，提出了弹塑性力学问题虚单元法的应力更新方案，研究了弹性力学问题虚单元法的精度和收敛性，讨论了虚单元法求解弹塑性力学问题的网格依赖性。同时，开展了任意多边形和凹多边形单元的数值试验研究，结果表明，虚单元法无须分割多边形，仅需节点自由度便可求得单元刚度矩阵和应力等效荷载，程序实现简单，计算精度高，改善了传统有限元的网格依赖性和塑性区的网格奇异性。