冲击荷载作用下混凝土动态力学性能数值模拟研究

利用直锥变截面式Φ74 mm SHPB对混凝土和水泥砂浆材料进行了三种不同冲击速度下的动态力学性能实验,分析了其冲击速度对混凝土力学性能的影响规律。应用刚性板冲击加载的方式进行了混凝土动力响应的数值模拟研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。数值模拟表明：混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,混凝土是一种率敏感材料;随着粗骨料体积含量增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积含量为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑     

基于3D细观模型的混凝土动态压缩行为分析

通过建立混凝土的3D细观模型,在细观尺度上分析动态压缩荷载作用下混凝土材料内部裂缝的产生和发展、损伤演化和动态强度及其影响因素。首先,基于传统的“生成-投放”法生成粒径、形状和空间分布均随机的凸多面体粗骨料模型,并通过骨料沉降和粒径缩放实现粗骨料的大体积率（达50%）和可调控;使用四面体网格划分骨料和砂浆表征其真实物理形状;使用界面粘结接触表征界面过渡区（ITZ）提升计算效率。进一步通过对比不同粗骨料粒径混凝土的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验数据与模拟结果,如杆上应变时程、试件动态应力-应变曲线和试件损伤破坏模式,验证了建立的混凝土3D细观有限元模型、参数确定方法和数值仿真方法的准确性。最后,分析了30～100 s-1应变率范围内骨料粒径（4～8、10～14和22～26 mm）、体积率（20%、30%和40%）和类型（石灰岩、花岗岩和玄武岩）对混凝土动态压缩强度的影响。结果表明：粗骨料粒径增大,混凝土动态压缩强度先增大后减小;粗骨料体积率越高,混凝土动态压缩强度越大;混凝土动态压缩强度随粗骨料强度的增加而提高。     

基于随机骨料模型混凝土动态性能数值模拟

将混凝土看作水泥砂浆与粗骨料组成的非均质复合材料。编写二级配圆形骨料混凝土随机投放程序对混凝土动态破坏过程进行数值模拟,分析粗骨料颗粒中间粒径和最大粒径对二级配混凝土动态特性的影响。数值模拟结果表明:随着粗骨料颗粒中间粒径的增加,混凝土在动荷载作用下峰值应力先增大,然后逐渐减小,粗骨料颗粒中间粒径为15mm时,峰值应力达到最大;随着二级配混凝土粗骨料颗粒粒径最大值的增加,混凝土在动荷载下峰值应力逐渐减小。     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响,本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量,借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型,通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明,在相同试件尺寸下,轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响,受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现,轻骨料混凝土尺寸效应明显,单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小,且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外,细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

粗骨料取代下的高性能再生混凝土率敏性研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法对粗骨料取代率为0%、30%、50%和100%的再生混凝土进行冲击试验,研究了应力-应变关系曲线、动态抗压强度、动态弹性模量以及破坏形态受应变率影响的变化规律。试验表明,应力-应变关系曲线开始段呈线性关系,随应变率的增大,线性段斜率增大,持续范围扩大,峰值应力变大;峰值应力具有率敏性,随应变率增大,峰值应力不断增加,取代率对峰值应力的影响差别不明显;动态弹性模量也具有率敏性,呈正相关关系,取代率不同,其率敏性程度有所差异;随着应变率增大,试件破坏程度随之加剧,从完整无裂缝到瞬间崩裂成碎块。     

聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响

为研究聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响,采用?74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对掺杂不同质量分数的聚酯纤维透水沥青混凝土进行冲击压缩实验。在静态和4个应变率下的实验结果表明,透水聚酯纤维沥青混凝土是应变率敏感性材料,具有较强应变率效应。透水聚酯纤维沥青混凝土具有较好的延展性,动态应力应变曲线分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。当应变率相同时,随着掺杂聚酯纤维质量分数的增大,透水沥青混凝土的冲击抗压强度呈现出先升高后降低的变化规律,掺杂聚酯纤维的质量分数为0.40%时,冲击抗压强度达到最大。冲击抗压强度约为静态抗压强度的8~13倍。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料，其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中，发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响，讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

骨料类型对再生混凝土力学特性的影响研究

为了研究骨料类型对再生混凝土力学性能的影响,以再生粗骨料种类和取代率为变化参数,设计了198个再生混凝土试块,分别进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能试验,获取了试件受力破坏全过程的应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等特征参数。基于试验数据,从位移延性、能量耗散、损伤过程、本构关系等方面分析了骨料类型对其破坏机理和力学性能的影响。试验结果表明:再生卵石混凝土的延性系数与耗能系数均值都比再生碎石混凝土大5%,前者的力学性能指标略好,变形性能更优,损伤过程也更为缓慢,而骨料类型对再生混凝土的能量耗散能力无明显影响。最后提出了不同骨料类型再生混凝土应力-应变本构方程,研究结果可供再生混凝土的进一步科学研究和工程应用提供参考。     

两种再生粗骨料混凝土单轴受压性能研究

为研究影响再生混凝土力学性能的因素,将建筑结构中使用最为广泛的C30与C40两种强度等级的废混凝土破碎成再生粗骨料RCA(recycled coarse aggregate),根据实测RCA吸水率调整了配合比。以RCA来源和RCA取代率为变量,设计了9组再生混凝土试件,进行立方体抗压强度及棱柱体单轴受压试验。基于试验数据,得到了两种不同来源RCA的再生混凝土弹性模量、峰值应变等重要力学性能参数,绘制了再生混凝土应力-应变曲线。结果表明,随着RCA取代率的增加,两种不同来源RCA再生混凝土弹性模量和立方体抗压强度均表现为下降,RCA强度对再生混凝土各项力学性能均有影响。     

震后建筑再生混凝土及其钢管短柱受压性能研究

为了研究震后建筑废弃物再生混凝土及其钢管柱的基本物理和力学性能,以设计强度为C30的废弃混凝土为再生粗骨料,分析了5种再生骨料取代率(0%、25%、50%、75%、100%)对再生混凝土材料的抗压强度和劈裂强度的影响,以及对钢管再生混凝土的失效模式、承载力、变形、应变关系的影响;给出了钢管再生混凝土柱力学性能随取代率变化的关键值,建立了再生混凝土的应力-应变关系。结果表明:随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土的受压性能和抗拉强度逐渐降低,钢管试件的承载力水平逐渐降低,但其破坏失效模式和变形曲线与普通钢管混凝土无显著差别。根据钢管和再生混凝土的应力-应变关系计算了钢管再生混凝土柱的极限承载力,所得计算结果与试验结果符合较好,其误差约为10%,符合工程计算要求。     

Modelling of compressive behaviour of concrete-like materials at high strain rate

Uniaxial compression tests are the most common tests for characterizing the strength of concrete-like materials. The dynamic compression strength of concrete-like material is typically obtained by Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests. The increase in material strength under dynamic loading is usually attributed to the strain rate effect and modelled with a dynamic increase factor (DIF). However, it was observed by some researchers that the radial inertial confinement caused apparent increase of dynamic strength of concrete-like specimen in SHPB tests. They attributed the material strength increase to this inertial effect, instead of the strain rate effect. In the present study, numerical analyses are performed to investigate the compressive behaviour of concrete-like material at high strain rates. A homogeneous macroscale model and a heterogeneous mesoscale model are developed in the study. In the macroscale model, the material is assumed to be homogeneous and isotropic. In the mesoscale model, the test sample is modelled as a three-phase composite consisting of aggregate, mortar matrix and interfacial transaction zone (ITZ) between the aggregate and the mortar matrix. The aggregate is assumed to be circular and the ITZ is modelled as a thin boundary around the aggregate. In the both models, the materials are assumed to be insensitive to the strain rate first. Therefore, the obtained strength enhancement is only due to the inertial confinement. Strain rate sensitive material properties are then used in the two models in the calculations. Numerical simulations of the concrete samples under compression at different strain rates are carried out. The relative contribution of the inertial effect and the strain rate effect on the compressive strength DIF is examined based on the numerical results. The failure process of concrete specimen is also studied.     

Specimen Size and Strain Rate Effects on the Compressive Behavior of Concrete

Three high-performance concrete (HPC) materials with different specimen geometries were characterized using Kolsky compression bar techniques to study the strain rate and specimen size effects on their uniaxial compressive strength. A large-diameter Kolsky bar and recently established annular pulse shaping technique were used to achieve dynamic stress equilibrium and constant strain-rate deformation in the experiments. A complimentary effort was conducted using a 19-mm-diameter Kolsky compression bar to understand the strain rate and specimen size effects on failure strength and dynamic increase factor (DIF) for concrete. It was found that, for all three concrete materials investigated, the failure strength is highly dependent on the specimen geometry, however such a relationship is not apparent for the DIF. The DIF observed in this study shows significantly lower values compared to historical data, which may indicate the importance of well-controlled dynamic testing conditions on the accuracy and validity of experimental results for concrete materials.     

基于强度表征的混凝土脆性指标影响因素研究

借鉴岩石脆性指标的评价方法，依据峰值抗压强度和残余抗压强度对混凝土脆性指标进行了计算．讨论了粗骨料粒径和试样形状对混凝土脆性指标的影响，分析了抗压强度、峰值应变、单位体积吸收能、破碎分形维数与脆性指标的关联．结果表明：棱柱体试样的脆性指标均比同粒径的圆柱体试样脆性指标高；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随粗骨料粒径的增大、抗压强度的降低而呈增大趋势；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随峰值应变的减小、单位体积吸收能的减小和破碎分形维数的减小而增大．     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用?100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明:高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。     

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。