混凝土材料的平板撞击实验与数值模拟研究

通过实验和数值模拟研究了混凝土材料在强冲击载荷（平板撞击）下的动态特性.采用内径57mm的一级轻气炮实验结合高阻锰铜压阻计的动态测试技术,得到了C40混凝土试样的原始电压-时间波形曲线,并换算得到相应的应力-时间波形;分析应力波传播速度,得到材料的最大应变率约为55.40×10s-1,压力峰值区间为0.340~2.702GPa.实测结果表明：不同位置处的压力在快速上升至峰值后均随时间衰减,且冲击波峰值随传播距离快速衰减,呈现出明显的粘弹性特征和耗散特性.并利用LS-DYNA程序对混凝土试样的平板撞击实验过程进行了数值模拟,模拟的应力-时间曲线与实测压力波形走势完全一致,峰值很接近,整体吻合较好.     

基于0.2定围压比状态下的约束混凝土性能研究

通过对混凝土施加0.2定围压比,使单轴受压混凝土裂缝发展受到约束,研究了混凝土在接近无裂纹发展状态下的受压力学性能。本文以在MTS815.02岩石电液伺服系统上对不同强度等级的混凝土试件在定围压比为0.2时的单调、循环加卸载受压常规三轴试验为基础,研究分析了0.2定围压比对混凝土受压应力-应变规律的影响和围压对混凝土裂缝发展的限制效果,并根据0.2定围压比下混凝土材料的特殊性能,提出了无裂纹发展状态下混凝土上升段表达式及参数。分析结果表明,0.2定围压比下,各强度混凝土本构关系均表现出了类似金属材料的本构关系,且低强混凝土试件应力-应变的提高幅度优于中强混凝土试件。综上所述,0.2定围压比改善了混凝土在受压时无征兆失效(脆性破坏)的力学性能。     

活性粉末混凝土力学性能及冻融性能研究

活性粉末混凝土具有优异的力学性能和耐久性,本文按照正交设计方法设计了9组不同配合比的活性粉末混凝土,通过试验研究了其基本力学性能及抗冻融性能,分析了水胶比、硅灰水泥比和钢纤维含量等因素对活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能的影响规律。研究表明,水胶比是影响活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能最主要的因素,钢纤维含量对活性粉末混凝土抗折和劈裂强度影响较为显著,对其抗压强度和抗冻融性能的影响不明显。本文根据试件破坏的现象对钢纤维作用的机理做了初步的探讨。     

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。     

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。     

混凝土多边形骨料投放的随机游走算法

提出一种基于随机游走的混凝土多边形骨料投放的数值模拟方法,具有骨料投放效率高,填充率高,能保证骨料一次性投放成功的优点.投放算例验证了该数值模拟方法的有效性,骨料填充率可达到65%～70%,可以满足大体积、全级配、高强度混凝土骨料投放数值模拟的需求.     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150 MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。     

混凝土单轴压缩下细观损伤特性的CT研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文利用CT技术对混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件实时静力压缩CT图像,提取出图像上各点的CT数并根据分区理论定义了一个基于CT数的统计损伤变量.通过对图像和CT数以及损伤变量的分析表明混凝土试件在静力压缩条件下经历了压密阶段、扩容阶段,损伤急剧增大到破坏的细观损伤演化全过程,以此反映了混凝土细观损伤演化的特性.进而通过细观损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索.     

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.     

A micromechanical damage model for rocks and concretes under triaxial compression

Based on analysis of deformation in an infinite isotropic elastic matrix containing an embedded elliptic crack, subject to far field triaxial compressive stress, the energy release rate and a mixed fracture criterion are obtained by using an energy balance approach. The additional compliance tensor induced by a single closed elliptic microcrack in a representative volume element and its in-plane growth is derived. The additional compliance tensor induced by the kinked growth of the elliptic microcrack is also obtained. The effect of the microcracks, randomly distributed both in geometric characteristics and orientations, is analyzed with the Taylor＇s scheme by introducing an appropriate probability density function. A micromechanical damage model for rocks and concretes under triaxial compression is obtained and experimentally verified.