Study of γ‐Fast Neutron Attenuation and Mechanical Characteristics of Modified Concretes for Shielding and Sheltering Purposes

The study of γ‐neutrons attenuation and mechanical characteristics of modified concrete are vital and crucial parameters for the construction of civilian radiological, nuclear shielding, and/or shelters. In this work, fifteen samples of ordinary concretes with five different additives; steel fibers, polypropylene, silica fume, and fly ash, with variation of cement percentages, were prepared and used for performing the mechanical and radiation attenuation investigations. The compressive strength, tensile strength, slump test, bulk density, and water permeability were also carried out for the prepared concrete mixes. Collimated coherent beams from ⁶⁰Co and Pu‐Be fast neutron sources were used to check the radiation penetrability through the syntheized mixed concrete‐additives. Very sensitive and well calibrated gamma‐neutron pulse shape discriminating spectrometer with its electronic componenets and stilbene organic detector and 3′′ × 3′′ NaI scintillation crystal was used to measure the radiation before and after attenuation and transmission. The integrated fast neutron removal macroscopic cross section (Σ_r) and linear attenuation coefficient of total gamma rays (μ) were calculated for all the analysed concrete mixes. The results of measurements, tests, analyses and calculations are given and explained. The investigated modified concrete mixes show good workability and properties from the view point of mechanical loads and γ‐fast neutrons penetrability and resistance. These results can be used for shielding and sheltering design.     

混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序，基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法，研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应，并且将数值结果与现场实验结果进行比较，由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2 t TNT炸药在距离坝体上游面10 m不同起爆深度的情况下，有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明，无泡沫混凝土保护层时，坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动；当上游表面有泡沫混凝土保护层时，坝体上游表面的损伤明显变小，下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤，在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

组合式十字形钢管混凝土柱偏压力学性能试验研究

设计了一种由槽钢和方形钢管拼焊形成的组合式十字形钢管混凝土柱,将其灵活地布置在框架结构的中节点,可使柱肢与填充墙等厚,有效地提高建筑使用面积。共制作了6根组合式十字形钢管混凝土柱试件,考虑了偏心距和长细比两种变化参数。通过对其进行偏心受压试验研究,考察了试件的破坏形态和荷载-挠度曲线,并分析了其在不同偏心距和长细比下的荷载-应变曲线发展规律。结果表明:组合式十字形钢管混凝土柱中钢管和槽钢对混凝土的约束作用强,表现为较高的延性系数;偏心距或长细比越大,试件的极限承载力及弹性刚度越小,且偏心距越大延性越好,长细比对延性影响不显著;在受拉侧纵向应变基本上符合平截面假定,在受压侧纵向应变不符合平截面假定。     

基于概率加权共轭梯度算法的混凝土超声波层析成像

在混凝土层析成像中,为了提高反演的准确性和计算效率,针对共轭梯度算法提出一种加权算法——概率加权共轭梯度算法.新算法不同于常规的加权算法,权重是加在成像单元上而不是方程上.为取得较好的权重因子和较好的迭代初始值,采用IART算法的权重和迭代初始值的选取方法.模拟算例和混凝土试验均表明这种加权算法的可行性.     

超声动载荷下三维随机骨料混凝土的损伤

混凝土是一种由粗骨料与水泥砂浆组成的非均质复合材料。本研究利用APDL语言程序编写三维水泥混凝土骨料随机投放程序并导入ABAQUS中,同时赋予各相材料塑性损伤本构关系来研究混凝土动态加载下的破坏规律,运用超声波在混凝土破碎中的作用机理对混凝土动态损伤破坏过程进行模拟研究。结果表明:随着超声动态载荷的增大,粗骨料体积分数为40%的混凝土始终能够承受最大应力载荷;随着超声应力波幅值增大,混凝土在动载荷下的损伤值逐渐增大,且粗骨料体积分数为40%时,其抗损伤能力最优;当粗骨料最大粒径逐渐增大,或者当粗骨料最小粒径增大,混凝土级配不合理导致性能不稳定,更易损伤破坏。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

含孔隙混凝土二维细观建模方法研究

根据混凝土的细观组成和结构特点,对传统二维建模方法加以继承与改进,提出了一种高效的分步入侵判定算法.将孔隙直观地反映在模型中,建立了不同的含孔隙混凝土细观模型.对含圆形、椭圆形、多边形骨料与圆形、椭圆形孔隙的混凝土标准试件分别进行了建模研究,结果表明本文的算法具有较强适用性.同时,通过对不同面积率与多种形状骨料/孔隙混凝土的大量建模进一步验证了该算法的效率.模拟了混凝土试件在单轴压缩下的准静态力学性能,分析了混凝土内部孔隙对其裂纹扩展的主要路径、破坏模式以及宏观力学性能的显著影响.     

混凝土轴拉加卸载随机损伤模型的建立与试验验证

为了分析及深入探讨混凝土在受拉加载及卸载情况下的力学特性,基于随机损伤本构关系提出了一种混凝土轴拉加卸载模型,推导出了混凝土加卸载的应力 应变关系表达式.为了印证理论表达式,进行了混凝土轴向拉伸及加卸载的试验研究,测得了混凝土的材料参数及其相应的轴拉加卸载应力-应变曲线.结合模型的计算结果,对混凝土的轴拉加卸载试验结果进行了对比分析,结果表明:混凝土轴拉加卸载模型能够预测混凝土的极限强度,同时能描述混凝土的强度软化、加载过程中的弹模折减及卸载后的塑性变形.     

混凝土破裂过程的三维数值模型

利用混合同余法产生了随机变量,将混凝土中的骨料简化为球体,采用循环比较法将随机变量赋给球心坐标(X,Y,Z),实现了混凝土骨料的空间随机分布,最终建立了三维混凝土数值模型。对模型整体进行单元剖分,将骨料、砂浆、界面层分别投影到该有限元网格中,采用多次网格划分技术完成模型网格划分。通过对算例进行有限元计算,结果表明该模型基本上反映了混凝土骨料分布的实际情况,较好地模拟了混凝土的不均匀性与各向异性,验证了建立该模型的方法是可行的。     

Coupled viscoplasticity damage constitutive model for concrete materials

A coupled viscoplasticity damage constitutive model for concrete materials is developed within the framework of irreversible thermodynamics.Simultaneously the Helmholtz free energy function and a non-associated flow potential function are given, which include the internal variables of kinematic hardening,isotropic hardening and dam- age.Results from the numerical simulation show that the model presented can describe the deformation properties of the concrete without the formal hypotheses of yield criterion and failure criteria,such as the volume dilatancy under the compression,strain-rate sen- sitivity,stiffness degradation and stress-softening behavior beyond the peak stress which are brought by damages and fractures.Moreover,we could benefit from the application of the finite element method based on this model under complex loading because of not having to choose different constitutive models based on the deformation level.