基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

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.     

基于数字图像相关技术的轻骨料混凝土早龄期细观收缩实验研究

利用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,对早龄期轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete, LWAC)在细观层面上的收缩现象开展实验研究,以探索其早龄期的收缩变形规律。具体实验方法为,在3种不同的水灰比条件下,分别比较骨料是否预湿对收缩变形的影响;使用DIC技术对LWAC的收缩变形进行观测,获得LWAC表面早龄期全场应变的演变过程。结果表明,预湿处理能够对轻骨料产生内养护的作用,从而减少混凝土早龄期的收缩变形;随着水灰比的增大,内养护的效果并不会随之增强,而是表现出先升后降的趋势,在水灰比为0.40时内养护效果最佳;在早龄期骨料与砂浆两部分的最小主应变没有表现出始终一致的变化趋势,而是在一定时间段内相互背离。     

粉煤灰及SAP对喷射混凝土早龄期开裂损伤影响

为系统研究粉煤灰、吸水保水剂(SAP)对喷射混凝土早龄期开裂损伤的影响,以掺入了粉煤灰、SAP的喷射混凝土为研究对象,对喷射混凝土的早龄期开裂损伤进行平板法试验研究。完成了各种试件的早龄期开裂损伤测试,研究了粉煤灰对喷射混凝土以及SAP对掺入20%粉煤灰喷射混凝土的早龄期开裂损伤的改善作用。试验结果表明,掺粉煤灰等量取代10%、20%水泥后,喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约7.2%和26.8%。掺0.25%SAP和0.5%SAP可以使20%粉煤灰掺量喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约57.9%和66.50%。因此,掺粉煤灰可有效地降低喷射混凝土早龄期开裂损伤,且在掺加粉煤灰的基础上再掺加适量的SAP效果会更佳。     

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。     

考虑温湿度耦合的水工混凝土抗压强度分数阶模型探讨

养护温度、湿度、龄期对早期抗压强度的发展具有重要影响,综合考虑温度和湿度对水工混凝土的早期抗压强度影响研究偏少。本文结合掺粉煤灰水工混凝土,开展了不同养护条件(标准、包裹、裸露)的早龄期抗压强度发展规律影响试验,进而基于等效龄期理论建立了温湿度耦合作用下的水工混凝土抗压强度分数阶计算模型。试验结果表明,养护温度和湿度对混凝土抗压强度的初期影响较大,后期影响相对较小。不同养护条件下混凝土抗压强度大小规律为:标准养护下的抗压强度最大,包裹养护条件下的抗压强度次之,裸露养护下的抗压强度最小。虽然组合指数式、组合修正对数式、分数阶早期抗压强度计算模型均能较好地反映水工混凝土早期抗压强度的发展规律,但从与试验数据拟合效果来看,分数阶计算模型略优于其它计算模型。     

国外混凝土强度问题研究概况

混凝土强度涉及的内容和方面甚多。目前国外研究主要从下列几个方面进行:1、混凝土微观结构,包括组成及其物理化学作用;2、混凝土内裂缝的形成及其发展过程,借以探讨混凝土的破坏机理;3、不同受力状态下的破坏强度和变形(包括应力应变关系);4、在试验研究分析基础上,进行破坏理论的研究,其中包括各种模型和统计强度理论的探讨。      

三向受压状态下再生混凝土的变形性能及损伤分析

为了研究再生混凝土在多应力状态下的变形行为,设计68个圆柱体试件对再生混凝土的取代率、侧向压力、混凝土的龄期,混凝土的强度进行了三向受力试验。试验给出了试件破坏全过程的应力-应变曲线,并深入分析了三轴受压再生混凝土的初始弹性模量、峰值应变、位移延性、能量耗散、损伤演变等性能参数。研究结果表明:龄期、侧向压力越大以及混凝土强度越高,再生混凝土的弹性模量越大;侧向压力可有效提高再生混凝土的变形性能;取代率对延性性能有一定的影响,但对耗能能力影响不大;龄期越大,再生混凝土强度越低,再生骨料服役年限越短,其延性性能和耗能性能越好;侧向压力越大,损伤曲线斜率越小,表明再生混凝土的损伤时间推迟,再生混凝土的损伤受取代率的影响不大。     

纤维增强聚合物约束混凝土柱轴压本构模型研究新进展

较全面总结了纤维增强聚合物约束混凝土的本构模型最新进展,分析了各类模型的理论基础、特点、存在的问题,探讨了纤维增强聚合物约束混凝土轴压强度与变形规律、破坏机制等,总结了影响本构模型的主要影响因素,如约束应力的计算、纤维增强聚合物实际破坏应变值等,为今后对本构模型比较分析提供了基本框架.     

基于损伤泊松比的混凝土多轴强度准则

基于两个基本假定并提出损伤泊松比的概念,应用损伤力学理论和最小耗能原理,根据混凝土单元体的耗能率应受到强度准则的约束,建立了混凝土在多轴应力状态下强度准则的一般形式并揭示混凝土的破坏机理,指出损伤泊松比是决定混凝土破坏的关键.根据混凝土破坏包络面的特征和已有试验资料,初步确定了损伤泊松比的表达式.通过与国内外633组多轴应力下混凝土强度试验资料的比较,结果表明该强度准则计算结果与试验结果符合较好.针对二轴应力状态下,新混凝土强度准则可进一步简化,其形式更简单,且偏于安全.     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

混凝土拉伸软化曲线折线近似的逆解方法

研究基于Hillerborg的虚拟裂纹模型，利用有限元分析方法，求得折线近似的拉伸软化曲线的逆解方法。对弹性模量，初始开裂应力的决定方法进行了研究。以双直线模型的计算结果为算例进行了逆推分析，算例符合得很好。也较好地从实验得到的荷载位移曲线再现了拉伸软化曲线。这对于研究混凝土的断裂能，尺寸效应等问题很具意义。     

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....     

管道大范围屈服断裂评估的研究现状与进展

高强度、高韧性管材的大量应用, 提出管道大范围屈服断裂问题. 针对现有的断裂力学方法应用于管道大范围屈服断裂评估的局限性, 分别从双参数断裂力学、基于约束校正的断裂韧性测试、基于应变的断裂评估和基于应变的失效评估图4个方面详细地介绍了管道大范围屈服断裂评估的研究现状. 指出目前基于约束校正的管道断裂韧性测试的主要方法是SENT试件方法和表观断裂韧性方法, 评述了基于SENT试件约束校正的断裂评估研究现状及存在的问题. 阐述了基于应变断裂评估的基本原理, 并从驱动力方程和CTOD失效准则两方面介绍了基于应变的断裂评估方法的研究工作成果. 最后提出了需要进一步研究的问题.      

几种金属材料断裂条件的试验研究

考察了几种金属材料在常规破坏试验与拉-扭双轴破坏试验中，随受力条件不同，材料不同形式断裂破坏变化规律和相应的断裂条件；利用几种韧性材料复合型断裂试验结果，分析了随应力三维度变化，材料中孔洞成核形状与聚合方式的变化规律，分析了不同断裂形式时启裂点、启裂方向变化规律及主要影响因素。研究表明，从材料断裂物理机制来看，裂纹体与无裂纹体断裂破坏实质是相同的，随材料塑性因素与应力三维度变化的影响。材料内孔洞成核形状由椭球形逐渐变化为细长形，材料断裂由正拉断转向剪断，裂纹体与无裂体材料的断裂形式、断裂危险点、危险点上断裂方向等宏观量也有着相同的变化规律；区分不同物理机制建立断裂条件，可能适合解决金属材料不同形式的断裂力学问题。     

混凝土黏聚开裂模型若干进展

黏聚模型是用来描述混凝土断裂行为的基本模型, 首先介绍了混凝土的黏聚开裂模型的基本概念,总结了确定黏聚区的本构方程的各种方法,即直接单轴拉伸测试、J积分方法、R曲线法、柔度法和逆推法.然后介绍了黏聚模型在I型和复合型裂纹问题、疲劳断裂问题中的应用以及黏聚模型与混凝土尺寸效应的关系.最后对黏聚开裂模型与桥联模型、带状裂缝模型进行了比较和总结, 指出了该模型存在的问题, 并对其以后的发展方向提出了建议.      

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。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．