近场动力学框架下的键基对应模型

传统键基近场动力学模型存在泊松比限制的问题,为了解决这一问题发展了态基近场动力学模型。其中非常规态的近场动力学模型通过定义非局部的变形梯度将近场力和传统应力关联起来,方便使用传统本构,但是态基近场动力学计算效率低于键基近场动力学。结合态基模型和键基模型的优势,提出键基对应模型,定义了基于键的变形梯度,参考连续介质力学中变形梯度的极分解过程,将键的变形分为转动部分和伸长部分。从而进一步定义了应变,通过物理方程求应力,进而计算键传递的近场力。键基对应模型解决了键基近场动力学的泊松比限制问题,也不需要进行近场动力学微观材料常数的计算。数值算例和理论推导证明了键变形梯度定义以及近场力计算方式的正确性。     

钢筋混凝土结构改进型分离式数值模型

提出一种考虑粘结滑移效应的钢筋混凝土改进型分离式数值模型。在混合物理论基础上,该模型兼顾混凝土基体和钢筋的力学行为,且基于钢筋混凝土界面粘结滑移模型,获得了钢筋等效模型。改进型分离式数值模型由于对钢筋及其界面无显式离散要求,使得钢筋的运用完全独立于其几何形状,同时对混凝土网格没有约束,并且不增加计算成本,因此该模型可适用于钢筋混凝土宏观结构层面分析。通过钢筋混凝土构件-结构的爆炸实验,对改进型分离式数值模型进行层次化验证。对比结果表明,考虑粘结滑移效应的有限元模型能够更好地预测钢筋混凝土结构的宏观力学行为。     

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。     

钢筋与混凝土粘结本构关系数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹性有限元分析的基础之一.针对这一基本问题,本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路.采用不连续介质力学问题的界面元法,编制了在维问题的界面元分析程序,用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析.通过对两类测量粘结应力及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析,表明计算结果与试验结果吻合良好.     

冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系试验研究

为了研究冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系,对三种强度等级混凝土试件分别开展了快速冻融循环试验及拉拔试验,得到了不同强度等级、不同冻融循环次数下混凝土的抗压强度及其与光圆钢筋的黏结-滑移曲线。试验结果表明,不同强度等级及不同冻融循环次数的混凝土与光圆钢筋黏结-滑移曲线形状类似;对于相同强度等级试件,随着冻融循环次数的增加,峰值黏结强度、残余黏结强度和初始黏结刚度不断降低而峰值滑移不断增大;对于遭受相同冻融循环次数试件,混凝土强度等级越高,峰值黏结强度和残余黏结强度也越高,而峰值滑移变化规律不明显。最后建立了冻融损伤混凝土与光圆钢筋的黏结-滑移本构模型。上述结果对寒冷地区钢筋混凝土结构性能评定有参考价值。     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性的描述,采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,结合混凝土四参数损伤模型,模拟钢筋混凝土结构多轴应力状态下从开始加载到结构破坏的全过程。数值算例不仅体现该方法的有效性,也具有重要的工程实践意义。     

钢筋与混凝土粘结本构关系的数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹塑性有限元分析的基础之一。针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路。采用不连续介质力学问题的界面元法，编制了三维问题的界面元分析程序，用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析。通过对两类测量粘结应力以及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析，表明计算结果与试验结果吻合良好。     

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。     

高强钢筋钢纤维混凝土黏结应力分布计算方法

基于内贴应变片的高强钢筋与混凝土局部黏结试验,研究高强钢筋与钢纤维混凝土的黏结性能。通过分析黏结试件的实测钢筋应变,提出了中点黏结应力插值计算方法,得到了各级荷载下黏结应力沿黏结区段的分布曲线。分析了钢纤维体积率对黏结性能的影响。结果表明:中点黏结应力插值法考虑了分段中点处的黏结应力值和黏结应力分布曲线的导数值,具有较高的精度;随着钢纤维体积率增大,黏结应力极值总体向加载端移动;在高强混凝土中掺入钢纤维后,高强钢筋与混凝土黏结应力沿黏结区段分布的不均匀性增加,二者之间的平均黏结应力得到了有效提升。     

钢筋混凝土开裂角软化薄膜模型

开裂角介于固定角和转动角之间,是裂缝实际的开展方向角.通过建立平衡方程、协调方程、钢筋和混凝土本构方程、泊松比效应系数方程,提出了钢筋混凝土开裂角软化薄膜模型,该模型考虑了拉应变与压应变的相互作用.本文还给出从应力到应变的计算方法,与传统从应变到应力的计算方法相比,该方法无须进行反复试算,计算简便.通过与8块钢筋混凝土薄板试验结果的比较,验证了所提出开裂角软化薄膜模型及其算法的正确性.     

型钢轻骨料混凝土粘结滑移本构关系研究

本文研究了型钢与轻骨料混凝土的局部粘结滑移本构关系. 在型钢表面刻槽贴应变片,并在与型钢应变片对应位置的混凝土表面贴应变片,由试验结果和分析：得到了型钢表面粘结应力沿锚固长度的负指数分布函数;绘制了局部滑移分布曲线;给出了加载端局部粘结滑移本构关系. 局部最大粘结应力主要与混凝土强度、配箍率、混凝土相对保护层厚度有关. 引入粘结滑移本构关系的型钢轻骨料混凝土梁有限元分析结果和试验结果吻合较好.     

表层嵌贴CFRP板条-混凝土界面粘结应力模型的试验与理论研究

为研究寒冷地区饱和砂岩的冻融损伤机理,采用DMA450伺服压机,在静载100N、动载80N、波动频率5～200Hz、温度-40～40℃的条件下,进行了饱和砂岩在不同频率正弦波单轴载荷作用下杨氏模量随温度变化的实验研究,获得滞(粘)弹性的弛豫衰减,以及有衰减引起的砂岩样品微结构变化情况。结果表明：饱和砂岩的杨氏模量和弹性波速度随温度升高而降低,随频率提高而增大; -40～20℃温度范围是冻融损伤最严重的区域。同时,在三种低频条件下(1.6Hz、2.8Hz和5.0Hz)用共振法在0℃获得相变衰减峰,反映了饱和砂岩的冻胀融缩效应,其产生的应力导致了饱和砂岩的损伤。从机理来看,前者是微观缺陷的演变,长期积累会导致破坏;后者是一种物理风化作用造成的宏观损伤。本文结果可为研究寒冷地区饱和岩石冻融损伤的机理及规律提供一定的参考。     

准静态变形破坏的近场动力学分析

基于近场动力学理论,提出新的更能反映非局部长程力特性的物质点间作用力函数,并通过在物质点运动方程中引入局部阻尼、构造分级加载算法和系统失衡判断准则,实现了采用统一的近场动力学模型和算法进行从准静态变形、裂纹萌生和扩展直至结构破坏全过程的连续模拟和准确定量计算。     

Debonding analysis of FRP–concrete interface between two balanced adjacent flexural cracks in plated beams

A cohesive interface modeling approach to debonding analysis of adhesively bonded interface between two balanced adjacent flexural cracks in conventional material (e.g., concrete or wood) beams strengthened with externally bonded FRP plates is presented. Both the strengthened beam and strengthening FRP are modeled as two linearly elastic Euler–Bernoulli beams bonded together through a thin adhesive layer. A bi-linear cohesive model, which is commonly used in the literature, is adopted to characterize the stress-deformation relationship of the FRP–concrete interface. Completely different from the single-lap or double-shear pull models in which only the axial pull force is considered, the present model takes the couple moment and transverse shear forces in both the substrates into account to study the second type of intermediate crack-induced debonding (IC debonding) along the interface. The whole debonding process of the FRP–concrete interface is discussed in detail, and closed-form solutions of bond slip, interface shear stress, and axial force of FRP in different stages are obtained. A rotational spring model is introduced at locations of the two adjacent flexural cracks to model the local flexibility of the cracked concrete beam, with which the relationship between the local bond slip and externally applied load is established and the real bond failure process of the FRP-plated concrete beam with the increasing of the externally applied load is revealed. Parametric studies are further conducted to investigate the effect of the thickness of adhesive layer on the bond behavior of FRP–concrete interface. The present closed-form solution and analysis on the local bond slip versus applied load relationship for the second type of IC debonding along the interface shed light on the bond failure process of structures externally strengthened with FRP composite plates and can be used effectively and efficiently to predict ductility and ultimate load of FRP-strengthened structures.     

既有RC拱肋基于全过程刚度变化规律的承载能力预测

基于结构力学中的矩阵位移法,提出了一种利用节点位移参数来反推拱肋区段刚度的计算方法。算例验证该方法在只利用部分节点位移参数时依然具有较高的精度。然后考虑不同的加载模式和损伤模式,采用该方法对借助非线性有限元分析技术和试验手段获得的既有钢筋混凝土拱肋加载过程中的节点位移值进行了分析,证实了既有拱肋的区段刚度具有较大幅度的波动变化特性。基于拱肋区段的变化规律,研究了既有拱肋破坏过程中节点竖向刚度值的变化趋势。结果表明,既有拱肋的节点竖向刚度变化规律与区段刚度较为一致。在此研究基础上,提出了一种适用于既有钢筋混凝土拱肋的承载能力评估方法。实例分析表明,该评估方法具有较高的精度。     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

A fully-analytical approach for modelling the response of FRP plates bonded to a brittle substrate

Composite materials, such as fiber reinforced polymers (FRP), are more and more common as strengthening solution for existing structures. Adhesion between FRP and the existing substrate generally represents one of the main concerns on the effectiveness of these techniques. The bond behaviour of composite materials on concrete substrates (but also steel, masonry and wooden ones) are generally investigated by means of pull-out tests. The present paper, starting from the most common assumptions of the mechanical behaviour of the various materials, proposes a fully-analytical formulation for determining the response in terms of the relationship between the external force and the corresponding maximum interface slip observed in those tests. The proposed approach emphasises the key behavioural differences between “short” and “long” bonding length. The former are characterised by a softening behaviour of the relationship between the applied force and the maximum slip, while the latter exhibits a numerically challenging snap-back behaviour. All the key points of the relationship between the external force and the maximum interface slip are defined in closed-form for both the above mentioned cases. Finally, a comparison with some experimental results obtained on FRP-to-concrete pull-out tests are proposed.     

基于构型力内变量的界面损伤问题研究

本文基于材料构型力的基本理论和损伤力学中含有内变量的热力学框架,提出了新的损伤变量定义方式,为研究界面损伤问题提供了一种新思路。首先,基于双相弹性体的能量分析,给出界面材料构型力表达式,通过构型力的离散化方法,实现了其在有限元中的数值计算。其次,定义构型力为界面损伤内变量,进而提出一种新的损伤演化模型,并采用刚度劣化的方法,对该界面损伤模型进行数值实现。最后,通过对复合材料界面损伤问题（有裂纹或无裂纹）进行数值模拟,分析了其界面损伤发展趋势,探讨了此模型的合理性和优越性。基于构型力内变量的界面损伤模型,可为研究复合材料的界面损伤失效问题提供一种普适性的方法。     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。