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。     

混凝土三维参数化骨料模型的创建方法

在混凝土细观结构试件的模拟中,为了降低骨料之间的相互排斥性,缩小骨料之间的空隙、提高骨料的含量、加快试件的创建速度,提出混凝土三维参数化骨料模型的创建方法。该方法充分利用骨料的参数方程,给出了骨料内外的判别方法,以及点到骨料的距离的快速计算方法和误差估计,可以有效地控制骨料之间的空隙,从而提高试件中骨料的含量。实验表明这是一个有效的方法,可以按二级配生成含不规则骨料体积达55%以上的试件,完全达到了实际混凝土的骨料含量要求,为对混凝土进行细观力学分析提供了创建数值模型的方法。     

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。     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

混凝土受拉性能多尺度均匀化数值模拟研究

为研究混凝土的细观结构对其受拉性能的影响,本文首先采用蒙特卡罗方法生成了多组混凝土随机骨料模型;然后划分有限元网格并映射到所建立的混凝土随机骨料数值模型上,采用复合材料均匀化方法建立了混凝土多尺度均匀化数值模型。考虑骨料随机分布和骨料形状,通过数值分析得到了在单轴拉伸情况下混凝土损伤分布特性及宏观应力-应变关系,在考虑随机性与非均质性的同时得到了较为理想的结果。运用多尺度均匀化的建模方法不仅能反应混凝土细观结构的影响,而且等效化模型的模拟计算时间大大减少,节约计算资源,提高了计算效率,具有优越性。     

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.     

大坝混凝土三维细观力学数值模型研究

在细观结构层次上将大坝混凝土作为骨料、固化水泥砂浆及其粘结界面组成的复合材料,建立了大坝混凝土三维细观力学数值模型。该模型既能够反映混凝土及其细观各相材料在荷载作用下的损伤演化过程,又考虑了动载作用的应变率强化效应。给出了该数值模型求解方法,并编制出能够在普通PC机上运行的串行程序。加载过程既可按荷载控制又可按位移控制。同时,为了减少求解自由度应用了分尺度方法以使最小骨料和固化水泥砂浆混合后其力学性能与一种复合介质等效。通过混凝土湿筛和三级配试件的静、动(冲击)弯拉数值计算验证了本文计算方法和程序正确有效。另外,在串行程序的基础上,优化了刚度矩阵的存储方式,采用双门槛不完全Cholesky分解(ICT)预条件的共轭梯度法(CG),完成了能够在Sun Fire 6800服务器实现并行计算的并行程序改造,从而大大提高了计算效率。     

具有大量椭圆随机分布区域的数值模拟及应用

利用椭圆的参数方程,首先给出平面上的点位于椭圆内部与外部的判别条件,再把计算点到椭圆距离问题,化为一个求最值问题,使得可以用搜索法较快地得到有效的近似解,从而得到一个新的产生具有大量椭圆随机分布区域的方法,基本思想是：（1） 对于模拟区域内随机生成的点,先判断该点是否在所有已生成椭圆的外部,若是,计算它与所有已生成椭圆边界的距离;（2） 如果所求的距离大于或等于欲生成的椭圆的长半轴,则以该点为中心,生成一个新的椭圆。这样,不必用一个多边形覆盖来判别椭圆之间是否相交或重叠,可以使生成的椭圆与椭圆之间的距离更小一些（甚至可以是零）,从而提高了模拟区域中椭圆的密度。试验表明,针对混凝土,可以在比较短的时间内,按3级配生成骨料含量可高达70%以上的模拟试件,按2级配生成骨料含量可高达60%以上的模拟试件。对所生成的混凝土试件,做了简单的加载力学实验。计算结果表明,该方法生成的模型能够满足力学分析的需要;进一步,基于椭圆随机分布区域,使用椭圆作为覆盖,建立了高含量的参数化不规则骨料模型试件。     

反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱恢复力模型研究

为建立圆钢管型钢再生混凝土组合柱的恢复力模型,对11根圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验研究,考虑了再生骨料取代率、配钢率及钢管径厚比等不同设计参数的影响,分析了组合柱的地震破坏形态及滞回性能。基于组合柱的力学特征及曲线形状,提出了圆钢管型钢再生混凝土组合柱骨架曲线的三折线参数模型,采用理论推导与数据拟合的方法确定了组合柱骨架曲线的模型参数。在此基础上,给出了组合柱的滞回规则和卸载规律,构建了组合柱的恢复力模型,计算滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,表明该恢复力模型较好地反映了反复荷载下组合柱的受力特征点及滞回性能,可为此类组合柱的推广提供技术参考。     

混凝土圆形骨料周边应力集中系数的解析法1）

由于骨料与砂浆材料力学特性的不同,混凝土内部存在应力集中现象.又由于混凝土内部骨料众多且分布复杂,采用细观力学方法分析混凝土各处应力会遇到计算量大、划分单元困难的难题.因此,针对二维模型推导出了计算混凝土圆形单骨料周边应力集中系数的解析解.根据此解析解,应用叠加方法可通过均匀介质模型近似计算非均匀的混凝土各处应力,使计算模型非常简单.通过对单骨料和四骨料模型进行计算,并与有限元计算结果比较证明本文所给解析方法能够满足精度要求.     

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提出了一种采用有限元法计算钢管混凝土受剪时等效剪切模量的方法,并对该方法 的正确性进行了验证;在分析了各种因素对等效剪切模量影响的基础上,给出了圆形和方形 钢管混凝土受剪时等效剪切模量的简化计算公式;与其他得到钢管混凝土剪切模量的方法进 行比较,分析了结果不同的原因,表明对钢管混凝土采用有限元计算研究其等效剪切模量的 方法更为合理.     

基于混凝土裂纹数字图像的有限元网格生成

通过结合数字图像处理技术、边界矢量化技术与有限元网格自动生成技术,提出了基于数字图像的混凝土构件裂纹有限元分析方法。本文以混凝土裂纹为研究对象,先采用Canny算子提取裂纹边缘,对中断的边缘和伪边缘利用顺序边缘连接算法进行连接和剔除;然后,通过矢量化技术将裂纹边界拟合成小线段;最后在矢量化边界的基础上,利用自动生成技术生成裂纹结构的有限元网格,实现对裂纹区域受力情况的分析。实验结果表明:本文提出的方法可实现混凝土结构裂纹的图像监测与力学分析的一体化,能够大幅提高现役结构的评估速度和效率。     

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法（XFEM）是分析不连续力学问题（特别是断裂问题）的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中,基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强,从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及WinklerL-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。研究表明：扩展有限元法通过特定的位移模式,使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分,能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。     

Numerical solution of Poisson equation with wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval

A new wavelet-based finite element method is proposed for solving the Poisson equation. The wavelet bases of Hermite cubic splines on the interval are employed as the multi-scale interpolation basis in the finite element analysis. The lifting scheme of the wavelet-based finite element method is discussed in detail. For the orthogonal characteristics of the wavelet bases with respect to the given inner product, the corresponding multi-scale finite element equation can be decoupled across scales, totally or partially, and suited for nesting approximation. Numerical examples indicate that the proposed method has the higher efficiency and precision in solving the Poisson equation.     

Study on spline wavelet finite-element method in multi-scale analysis for foundation

A new finite element method （FEM） of B-spline wavelet on the interval （BSWI） is proposed. Through analyzing the scaling functions of BSWI in one dimension, the basic formula for 2D FEM of BSWI is deduced. The 2D FEM of 7 nodes and 10 nodes are constructed based on the basic formula. Using these proposed elements, the multiscale numerical model for foundation subjected to harmonic periodic load, the foundation model excited by external and internal dynamic load are studied. The results show the pro- posed finite elements have higher precision than the tradi- tional elements with 4 nodes. The proposed finite elements can describe the propagation of stress waves well whenever the foundation model excited by extemal or intemal dynamic load. The proposed finite elements can be also used to con- nect the multi-scale elements. And the proposed finite elements also have high precision to make multi-scale analysis for structure.     

预应力混凝土箱梁横向框架效应有限元分析

以预应力混凝土箱梁桥顶板纵向开裂为工程背景,以箱梁顶板与腹板交接处两个角点的转角为基本未知量,基于箱梁纵向一维单元,利用最小势能原理推导出箱梁横向框架效应有限单元法的单元刚度矩阵,及相应的单元等效节点力,对比计算表明,该有限单元法计算精度与理论分析基本一致。实桥分析表明：现行规范计算箱梁角点弯矩相对安全,对于中点弯矩相对偏于不安全,设计过程不充分考虑混凝土箱梁横向框架效应可能导致顶板的纵向开裂。本文提出的有限单元法具有概念简单、运算速度快等优点,弥补了目前商业程序的不足,对工程设计具有一定的参考意义和推广价值。     

计及剪切影响的RC梁的非线性分析

为提高钢筋混凝土RC梁的计算效率和精度,提出了一种基于梁截面弯矩-曲率关系的宏观有限元方法,可用于各种跨高比RC梁的材料非线性分析。首先假定了混凝土和钢筋的非线性应力-应变关系,然后引入经过修正的Rodriguez截面模型,根据边界顶点把截面划分成若干梯形单元,利用quasi-Newton法求解由两个变量耦合而成的截面非线性平衡方程,由此建立RC截面的弯矩-曲率关系。在此基础上利用Timoshenko梁弯曲理论建立考虑横向剪切变形影响的RC梁的有限元分析模型。通过对试验梁的分析对比验证了所提出的分析方法的适用性。     

预应力混凝土平面杆系结构的有限元方法

建立了基于有限元方法的考虑材料和几何非线性的任意截面预应力混凝土平面杆系结构的数值分析模型,可用于模拟预应力混凝土大跨度梁、单向偏压细长柱等的非线性全过程结构响应。引入修正的Rodriguez截面模型确定截面切线刚度,其中混凝土的贡献通过截面边界顶点定义的梯形单元来实现;在此基础上利用传统的平面非线性杆单元导出了标准有限元公式。通过两个算例验证了该模型的可靠性和适用性。     

钢筋凝混土壳体的非线性分析

本文采用有限元数值方法,分析计算了大型钢筋混凝土壳的几何、物理非线性静力问题。对非线性方程组的求解,文中提出了一种将载荷增量和位移增量相结合的合理方法,保证了在临界点附近迭代法的收敛性。最后,文中通过对实际双曲冷却塔壳的分析,得到了一些对实际工程设计具有指导意义的有益结论。