受拉钢筋混凝土构件破坏过程的数值模拟

采用三维材料破坏过程分析MFPA3D系统,对钢筋混凝土构件轴心受拉条件下的受力、变形与内部裂纹萌生、扩展及最终破坏全过程进行了数值试验研究。数值模型中引入统计分布函数反映了混凝土的非均匀性影响,并采用具有残余强度的弹性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,利用位移加载方式对钢筋混凝土构件实施拉伸加载。通过对钢筋、素混凝土方形体以及钢筋混凝土方形柱体构件在拉伸作用下破坏过程的数值试验,分析了钢筋与混凝土两种材料之间的相互作用、约束机理和破坏机理。数值试验成果对于深入了解钢筋和混凝土的联合受力规律和钢筋在开裂前后对整体钢筋混凝土结构的作用机制有参考价值。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

钢筋混凝土柱破坏过程扩展有限元数值模拟

为描述钢筋混凝土柱的破坏过程,分别建立了由三维实体单元和三维杆单元构成的精细化模型以及结合纤维梁单元的纤维梁与实体单元耦合模型。耦合模型中,钢筋混凝土柱下段混凝土和钢筋分别用三维实体单元与三维杆单元建模,通过耦合连接实现精细单元与粗糙单元之间的变形协调。基于混凝土弹塑性本构关系,运用扩展有限元方法模拟钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线以及开裂过程,并进行比较。数值模拟与试验结果的比较表明,模拟得到的裂缝位置以及荷载-位移曲线与试验结果吻合较好。扩展有限元具有无需重划网格、无需预设裂纹的优点,能有效地模拟筋混凝土柱的开裂过程。耦合模型具有计算效率高的优势,且能较好地模拟构件的破坏模式。     

有限弹簧法在钢筋混凝土细观断裂分析中的应用

叙述了依据计算几何学的分割理论划分多边形单元的计算前处理系统，及其有限弹簧法在钢筋混凝土构件细观断裂数值模拟中的应用。该模拟系统的主要特色为：一是利用有限弹簧法的单元形状任意性来考虑混凝土断裂模拟时单元形状的影响；二是利用其变位不连续性模拟构件从微细裂缝到断裂的全过程；三是把钢筋和混凝土分别看成具有不同性质的微小构造单元来考虑其界面性质。数值模拟钢筋混凝土构件在拉伸作用下的断裂全过程，考察钢筋的螺纹抵抗作用及其保护层的约束机理。     

基于离散模型的混凝土构件破坏过程研究

刚体-弹簧元模型是一种离散化分析模型,可以反映连续体从开裂到破坏不连续过程的真实裂缝形态。本文在总结既有相关研究的基础上,引入并程序化刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究,特别是有关混凝土构件开裂后直至破坏的裂缝真实形态研究。首先确定了三维刚体-弹簧元模型中刚体单元的划分、弹簧元的特性（混凝土材料本构关系施加于弹簧元）、刚体单元与弹簧元装配方式、钢筋本构关系及其与混凝土相互作用,然后实现了刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究的程序化,并以剪切破坏的钢筋混凝土构件进行实例验证。结果表明,基于刚体-弹簧元模型的程序可以较为准确地反映该钢筋混凝土构件从开裂到破坏真实裂缝形态。     

集中载荷作用下FRP布加固带裂缝木梁的弯曲

将FRP布视为正交各向异性材料,考虑其拉伸与压缩时的双弹性模量性质,给出了四周粘贴FRP布加固带裂缝木梁四点弯曲的边值问题,得到了FRP布加固木梁挠度的解析解,并验证了其有效性和适用性.参数分析表明:相比于侧面粘贴CFRP布,在木梁受拉侧沿轴向粘贴CFRP布的刚度加固效果更加显著;CFRP布加固木梁的挠度随CFRP加固布厚度和弹性模量的增加而减小,但当侧贴CFRP布厚度增加到某一值时,继续增加厚度对木梁挠度的减少效果已不明显;当受拉侧CFRP布厚度较小时,木梁挠度随CFRP布厚度的增加非线性减小,而当受拉侧CFRP布厚度较大时,木梁挠度随CFRP布厚度几乎呈线性减小.同时,当侧贴CFRP布的剪切模量很大时,此时,CFRP布加固带裂缝木梁的挠度趋于CFRP布加固完整无裂缝木梁的挠度,此时,CFRP加固完全消除了裂缝因素.     

火灾下钢筋混凝土板的热弹塑性有限元分析——基于S-R分解原理(Ⅱ:算例分析)

采用基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法,对火灾下钢筋混凝土板进行了数值模拟.并以标准升温为条件,探讨了不同的钢筋保护层厚度、钢筋及混凝土强度等级、荷载水平、板厚等因素,对钢筋混凝土简支板抗火性能的影响.计算结果表明,构件变形主要是由非线性温度场引起的热变形.为采取一些简单的设计思想来完善钢筋混凝土构件抗火性能提出了建议.     

岩石三维破裂过程分析软件开发及其应用

概述了岩石破裂过程的研究现状和建立三维破坏过程数值模型的研究意义，介绍了 岩石破裂过程分析的数值思想以及软件特点、软件编制的实现方法，针对岩石基本力学 试验和破坏特点、工程混凝土的拉伸裂缝问题做了几个实例模拟分析. 结果表 明RFPA^{3D}可以很好地反映实际岩石破裂的特点和基本规律，为岩石破裂过程分析提供了一个有力的工 具.     

钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型

设计了45片钢筋混凝土(RC)构件,基于RC构件通电加速锈蚀,对该批构件进行腐蚀试验研究,测试了锈胀裂缝宽度及其位置和发生时间。以钢筋锈蚀率、保护层锈胀开裂、锈胀裂缝宽度、相对保护层厚度和混凝土强度为分析参数,结合测试数据,利用加速腐蚀和自然腐蚀的对应关系,通过数理统计回归分析建立了锈胀开裂宽度的预测模型。分析了各参数对锈胀开裂扩展的影响。该模型对RC结构耐久性设计提供一定的参考。使用本文建立的模型以及规范模型对文献试验数据和一座服役近40年的实桥构件的锈蚀率和锈胀裂缝宽度进行了预测,计算结果表明本文模型有较强的适用性,能够用于实桥锈胀损伤分析。     

一个新的钢筋混凝土损伤塑性模型

为了准确、高效地对拆除爆破工程进行数值模拟,考虑钢筋混凝土受拉刚化效应以及配筋率对受拉刚化效应的影响和受压箍筋约束效应,采用组合模量的方法给出了一个简化的钢筋混凝土本构关系,在LS-DYNA有限元软件中的混凝土损伤塑性模型的基础上,通过参数修改建立新的钢筋混凝土损伤塑性模型模拟来钢筋混凝土。在实验验证的基础上,采用钢筋混凝土损伤塑性等效模型对一双切口钢筋混凝土烟囱延时爆破拆除效果进行数值模拟,数值模拟结果表明该模型可以准确反映烟囱倒塌破坏及运动过程。     

Cohesive fracture simulation and failure modes of FRP–concrete bonded interfaces

A work-of-fracture method using three-point bend beam (3PBB) specimen, commonly employed to determine the fracture energy of concrete, is adapted to evaluate the mode-I cohesive fracture of fiber reinforced plastic (FRP) composite–concrete adhesively bonded interfaces. In this study, a bilinear damage cohesive zone model (CZM) is used to simulate cohesive fracture of FRP–concrete bonded interfaces. The interface cohesive process damage model is proposed to simulate the adhesive–concrete interface debonding; while a tensile plastic damage model is used to account for the cohesive cracking of concrete near the bond line. The influences of the important interface parameters, such as the interface cohesive strength, concrete tensile strength, critical interface energy, and concrete fracture energy, on the interface failure modes and load-carrying capacity are discussed in detail through a numerical finite element parametric study. The results of numerical simulations indicate that there is a transition of the failure modes controlling the interface fracture process. Three failure modes in the mode-I fracture of FRP–concrete interface bond are identified: (1) complete adhesive–concrete interface debonding (a weak bond), (2) complete concrete cohesive cracking near the bond line (a strong bond), and (3) a combined failure of interface debonding and concrete cohesive cracking. With the change of interface parameters, the transition of failure modes from interface debonding to concrete cohesive cracking is captured, and such a transition cannot be revealed by using a conventional fracture mechanics-based approach, in which only an energy criterion for fracture is employed. The proposed cohesive damage models for the interface and concrete combined with the numerical finite element simulation can be used to analyze the interface fracture process, predict the load-carrying capacity and ductility, and optimize the interface design, and they can further shed new light on the interface failure modes and transition mechanism which emulate the practical application.     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

脆性材料破坏过程分析的数值试验方法

文中运用作者新近开发的材料破坏过程分析MFPA2D系统,以岩石、混凝土等非均匀脆性材料的破坏过程分析为例,说明了数值模拟方法给脆性材料破坏理论发展所带来的契机,并简述了MFPA2D在煤层移动、地下工程稳定性、地震孕育机制,以及复合材料破坏问题研究中的应用前景．     

Simulation of crack spacing using a reinforced concrete model with an internal length parameter

Summary A gradient-enhanced smeared crack model and bond-slip interface elements are utilized in finite element simulations of reinforced concrete. The crack model is rooted in an enhanced plasticity theory. It uses the Rankine failure surface dependent on an equivalent inelastic strain measure as well as on its Laplacian. As a result, finitely sized fracture process zones and realistic crack spacings are obtained. A reinforced concrete bar in uniaxial tension is analyzed to demonstrate the regularizing influence of the internal length parameter in the model and to evaluate the influence of the model parameters on the energy dissipation in multiple cracks. A comparison of numerical simulations with experimental results for a beam without shear reinforcement in four-point bending concludes the analysis. Received 4 November 1997; accepted for publication 23 April 1998     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求，设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC），开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上，基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟，研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用，分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明，在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下，JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙，形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞；聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果，爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围；墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响；随着墙体厚度增大，背面漏斗坑直径逐渐减小，深度却逐渐增大。     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

A fracture model of reinforced concrete

Analyzed in this work is the failure mechanism of unidirectionally reinforced concrete under general stress state. The fracture process is described analytically by establishing the relation between loading and damage that involves the constitutive parameters of the reinforced concrete. Taken into account are the stiffnesses of mortar and reinforcement, bond strength of interface and mortar fracture toughness. An estimate on the ultimate strength is made with results given to the shear strength of a concrete slab.