考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法

混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝, 导致结构刚度降低、构件承载性能衰退, 而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提, 也是保障结构安全的重要手段. 连续损伤力学方法(continuou damage method, CDM)能够描述微裂缝的扩展过程, 但不能表示离散的开裂面, 且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端, 扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method, XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程, 但不能反映微裂缝的动态扩展, 两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大. 现有的CDM-XFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程, 但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变, CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性. 因此, 本文重点考虑能量转化时的塑性耗散, 选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式, 基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程. 采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数, 确定能量转化时的临界位移, 并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程. 以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例, 采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比. 结果表明, 采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小, 说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.      

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.     

考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究

混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.      

钢管混凝土拱桥界面脱空光纤传感研究

基于光时域反射技术，进行了分布式传感光纤检测拱桥钢管混凝土交界面脱空的研究。通过试验确定了光纤在钢管内的布置型式和保护型式，使得光纤能在钢管内准确定位并有效保护，实际工程中存活率达到80％；构建全自动力-光耦合试验系统，进行了交界面脱空传感试验和预应变大比尺钢管混凝土界面脱空仿真试验，建立了力-光耦合本构关系，试验中脱空初始感知开度达到0．1mm，动态范围达到4．8mm，脱空定位达到0．2m。在首次布设光纤传感监测系统的拱桥工程中，检测到大面积脱空，并确定了脱空开度、位置及范围，对于提升大型桥梁工程无损检测水平具有实用意义。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

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．     

混凝土内部应变光纤测量结果及分析

本文采用迈克尔逊（Michelson)光纤白光应变测量干涉系统,利用新型光纤传感探头,对混凝土内部的一维和二维应变状态进行了测量,给出了混凝土试件单轴和两轴的力学实验结果并与Instron8505液压伺服材料实验机得到的结果进行了比较和分析。     

基于OFDR分布式光纤传感器的应变测试试验研究

利用光频域反射技术(OFDR)测试应变时在空间分辨率、灵敏度、传感精度、响应度和测量距离上的显著优势,以铝合金梁三点弯曲试验为载体,开展了基于OFDR分布式光纤传感器的应变测试,并通过与电阻式应变片测试结果、梁三点弯曲试验有限元模拟结果进行对比分析,论证了分布式光纤传感器应变测试的可行性和准确性.试验揭示了铝合金梁在三...     

分布式光纤传感测试系统(BOTDA)用于H型钢梁变形监测的实验研究

介绍了分布式光纤传感测试系统(BOTDA)的应变测量原理,并应用BOTDA技术对H型钢梁加载后的应变分布进行了测量。试验表明,BOTDA的应变测量结果与电阻应变片的测量结果及理论值具有良好的一致性。光纤测量的数据是连续的,因而更加适用于那些需要测试连续变形的结构。由BOTDA的实测应变分布推算出的H型钢梁的弯矩和挠度,与理论分析结果高度吻合。作为先进的监测技术手段,分布式光纤传感测试系统应用于SMW工法桩施工监测是完全可行的。     

分布式光纤传感器测量数据可靠性分析方法

分析了分布式光纤传感器测量结果的可靠性,提出从应变系数和温度系数标定到分布式光纤传感器物理量测量以及结果评价的方法,设计了分布式光纤传感器的应变系数和温度系数标定装置,同时分析了应变标定装置的不确定度来源,采用基于光频域反射技术的分布式光纤解调仪进行了实验验证。应变标定范围为-5000με~5000με,温度标定范围为20℃~50℃,第一次测量得到应变系数和温度系数分别为:-6.6775με/GHz和-0.5921℃/GHz。使用获得的应变系数和温度系数再次测量,得到在测量范围内,应变测量相对误差为1%,温度测量相对误差为2%,满足工程应用要求。上述结果表明,设计、发展的数据标定及分析方法可用于分布式光纤传感器应变系数和温度系数的标定。     

光纤传感器测量FRP加固结构的损伤

A distributed fiber optic sensor is developed for condition monitoring of civil infrastructure sys-tems. The fiber optic sensor is especially useful in applications involving structures strengthened by fiberreinforced polymer (FRP) composites. The sensor principles are simple and therefore, practical for detec-tion of cracks, debonding and deformation measurements. Structural monitoring capability of the sensor     

Model for measurement of thermal expansion coefficient of concrete by fiber optic sensor

The existence of a coating on an optical fiber results in a difference between the strain of the matrix concrete and that sensed by the embedded fiber optic sensor. This paper deals with the theoretical model for measurement of thermal expansion coefficient of concrete by embedded fiber optic sensor. The fiber core, the coating of the optical fiber, and the matrix concrete were all supposed to be elastic. And the bonding surfaces were supposed to be intact, that is to say, there is no relative slip deformation at the interface between the matrix concrete and the coating of the optical fiber, and that between the coating and the fiber core. Based on these assumptions, a theoretical model was developed for measurement of thermal expansion coefficient of concrete. Some experiments were done to verify the validation of the theoretical model. And the comparison indicates a good agreement between the experimental and theoretical results.     

Residual Strains using Integrated Continuous Fiber Optic Sensing in Thermoplastic Composites and Structural Health Monitoring

The evolution of spatially resolved internal strain/stress during the manufacturing of thermoplastic composites and subsequent relaxation from water intake are evaluated using an in-situ fiber optic sensor corresponding to a coated optical glass fiber with a nominal diameter of 160 μm. Unidirectional carbon fiber-polyamide 6 composites are produced using compression molding with an embedded fiber optic for strain measurement. The distributed fiber optic based strain sensor is placed in an arrangement to capture 0, 45, and 90° strains in the composite to resolve in-plane strain tensor. Strains are monitored in the direction of fiber optic sensor along its length at high resolution during the various stages of compression molding process. Results indicate considerable internal strains leading to residual stress at the end of processing step along the off-axis (45°) and transverse (90°) directions, and small strains in the carbon fiber pre-preg (0°) direction. At the end of compression molding process, an average of 7000 and 10,000 compressive micro-strains are obtained for residual state of strain in the off-axis and transverse direction. Since water/moisture infusion affects the mechanical properties of polyamide-6 matrix resin, these composite panels with embedded sensors targeted for marine applications are monitored in a water bath at 40 °C simulating accelerated testing conditions. Using the same fiber optic sensor based technique, the strain relaxation was observed during water uptake demonstrating in-situ strain monitoring during both manufacturing and subsequent composite implementation/application environment. The technique presented in this paper shows the potential of optimizing time-temperature-pressure protocols typically utilized in thermoplastic manufacturing, and continuous life-cycle monitoring of composite materials using a small diameter and inexpensive distributed fiber optic sensing.     

Penny-shaped crack in a fiber-reinforced matrix

Using the slender inclusion model developed earlier the elastostatic interaction problem between a penny-shaped crack and elastic fibers in an elastic matrix is formulated. For a single set and for multiple sets of fibers oriented perpendicularly to the plane of the crack and distributed symmetrically on concentric circles the problem is reduced to a system of singular integral equations. Techniques for the regularization and for the numerical solution of the system are outlined. For various fiber geometries numerical examples are given and distribution of the stress intensity factor along the crack border is obtained. Sample results showing the distribution of the fiber stress and a measure of the fiber-matrix interface shear are also included.     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

光纤光栅传感器在大体积混凝土基础温度监测中的应用

光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输频带较宽、易于进行分布式测量等诸多其他传感器所不具备的优点,更适用于现场的长期健康监测。大体积混凝土在施工过程中的温度问题如处理不当将会引起混凝土开裂。利用温度计、热电耦等作为传感器的传统的检测手段已经大大的制约了数据的准确性与精度。寻求一种高精度温度检测手段已经成为用于现场结构监测的前提。本文结合具体的工程实例介绍了光纤光栅传感器在基础混凝土温度监测中的应用,介绍了监测系统的组成,传感器的构造和标定,并利用实测温度预测基础混凝土底板中温度应力,及时采取措施防止混凝土的开裂。     

Circumferential strain measurement for a concrete cylinder in uniaxial compression by a fiber optic sensor

This paper deals with circumferential strain measurement for concrete in uniaxial compression by using a fiber optic sensing system. A fiber optic sensing system was employed to measure the elongation of the optical fiber for a cylindrical concrete specimen in uniaxial compression by using white light interferometry. A theoretical model describing the relationship between the elongation of the fiber glass and the circumferential strain of cylindrical concrete specimen in uniaxial compression is proposed. Some tests were performed to verify the measurement method. The results indicate that the proposed method is valid.     

混凝土断裂过程区的虚拟裂纹粘聚力奇异性

混凝土断裂过程区视为具有粘聚阻力作用的虚拟裂纹，其非线性断裂和尺寸效应特性是与该虚拟裂纹粘聚力分布规律密切相关的。通过得到的粘聚应力分布函数解析结果，对该粘聚力分布特征的分析得知，在基于断裂过程区之外用线弹性场的力学模型上，该粘聚力随距离虚拟裂纹尖点的靠近，仍具有平方根奇异性。从而本文提出一个能够反映裂纹发展状态的粘聚应力奇异性强度参数，它是无粘聚力的线弹性裂纹应力强度因子和表征裂纹张开位移分布多项式参数的函数；因此，该参数可以作为混凝土非线性断裂的一个参量。文中就已有断裂试验测试结果进行了算例分析和相应的讨论。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

光弹性贴片法研究钢纤维活性粉末混凝土断裂性能

采用预制裂缝的三点弯曲试件,应用光弹性贴片法研究了不同纤维掺量活性粉末混凝土RPC200的断裂性能.实验获取了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,由光弹性条纹分析了不同纤维掺量试件的初裂荷载及临界有效裂缝长度的变化规律.实验表明,利用光弹性贴片法可以有效的获取钢纤维混凝土裂缝扩展的全过程;随着钢纤维掺量的增加,试件的初裂荷载和峰值荷载得到相应提高,且峰值荷载呈近似线性的增加;当纤维掺量为1%时,临界有效裂缝长度值最大;纤维掺量继续增加,其分布均匀性下降,试件的韧性降低,临界有效裂缝长度减少.