基于率相关内聚力本构模型的混凝土细观单轴受拉性能

混凝土宏观率相关效应研究已经取得了十分丰富的成果,其细观结构和材料参数显著影响混凝土宏观力学性能,因此,从细观尺度研究混凝土动态性能是揭示混凝土宏观率相关效应的重要途径.本文引入应变率影响,修正界面内聚力本构模型,从细观尺度研究了不同骨料含量和骨料形状的混凝土在不同加载速率下的单轴抗拉破坏模式和力学特性.分析结果表明:随着加载速率增加,混凝土破坏裂缝分布更加均匀;混凝土抗拉强度的增量与应变率的对数呈线性关系;混凝土抗拉强度随骨料含量增加近似线性减小,但骨料形状对其影响很小.

Mesoscale Mechanical Properties and Influencing Factors of Concrete under Uniaxial Tension

Monte Carlo simulations were carried out to generate a mesoscale model of concrete with randomly packed aggregates with different shapes and sizes.The mechanical properties of concrete specimens under uniaxial tensile loads were studied using statistical results.The results indicated that the entire process of damage and failure of specimens exhibited mainly two failure types:fracture patternsⅠandⅡ.Furthermore,the influences of the aggregate content ratio,aggregate shape,aggregate size,interfacial transition zone(ITZ)strength,and porosity ratio on the concrete specimens were analyzed.The numerical simulation results showed that the elastic modulus of the concrete specimens increased approximately linearly with the aggregate volume ratio but decreased linearly with the porosity and was not affected by the ITZ strength.The tensile strength decreased with the increases in the aggregate content and porosity of the sample,but increased linearly with the ITZ strength.In addition,the aggregate shape led to a difference in the tensile strength of the concrete.

应变率对混凝土抗拉特性影响

在 MTS伺服疲劳机上对混凝土进行动态受拉试验 ,分析试验结果 ,发现混凝土的抗拉强度与应变率的对数近似成线性关系 ;混凝土的弹性模量、吸能能力均随着应变率的增加而增加 ;泊松比不随应变率的变化而变化 .在此基础上 ,推导出了混凝土的抗拉强度与应变率的近似关系 ,并与文献中的结果进行了比较 .

Drucker-Prager材料一致率型本构模型

根据一致粘塑性模型理论,结合所做的混凝土单轴动力特性试验,对常用的混凝土本构模型Drucker-Prager模型进行改进,引入应变率的影响,推导了Drucker-Prager材料的一致率型本构模型;并与试验的应力应变曲线进行比较,结果表明本文模型能够较好地反映混凝土的动力特性;最后,通过对一平面梁进行计算,并与线弹性及率无关塑性结果进行比较,结果表明考虑了应变率的影响后梁的动力特性发生了较大的变化。

山区乡村房屋模型洪水冲击试验研究

洪水对山区乡村房屋冲击作用的试验研究成果,可为山区乡村房屋的抗洪设计和抗洪能力评价提供依据。试验主要研究到溃口不同距离处的乡村房屋所受的洪水冲击作用。采用3种开洞率模型进行试验,研究洪水在不同距离、不同开洞率的情况下对房屋结构的冲击荷载分布、冲击力大小以及冲击弯矩的影响,得出了荷载分布规律和冲击力、冲击弯矩的变化规律。研究结果表明,迎水面冲击荷载沿水平方向的变化无明显规律,沿竖直方向随着高度的增大而逐渐减小;冲击力随着房屋到溃口距离的增大而增大,而开洞率对其影响不明显;冲击弯矩、冲击作用力随着距离的增大而增大,随着开洞率的增大而减小。

不同应变率下混凝土受压损伤试验研究

通过在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室的大型静动态电液伺服试验系统上对普通混凝土受压试件在应变率为10-5/s～10-2/s范围内进行动态单轴直接抗压试验,分析了动态荷载下混凝土的抗压强度、弹性模量以及临界应变随应变率的变化规律,结果表明,混凝土的弹性模量随应变的增加而增加,混凝土的抗压强度和临界应变与应变率之间呈线性关系,并给出了抗压强度、临界应变受应变率影响的经验公式;以切线模量的退化来量度损伤,从损伤的角度分别在应力和应变空间分析了混凝土动态损伤槛值随应变率的变化规律和混凝土的动态损伤演化规律。研究表明,随着应变率的增大,混凝土损伤应力槛值增加,但损伤应力槛值与最大应力的比值变化不大,损伤应变槛值及其与临界应变的比值随着应变率的变化影响不大;在相同的应力比或应变比条件下,混凝土损伤值随着应变率的增加而减小。

荷载历史对混凝土动态受压损伤特性影响试验研究

为了研究荷载历史对混凝土应力应变全曲线、动态抗压强度及应力和应变空间动态损伤特性的影响,在应变速率10-5/s～10-2/s范围内,对历经了0%、30%、50%和75%极限抗压强度荷载历史后的普通混凝土受压试件进行了单轴动态抗压试验。试验结果表明,不同应变速率下历经荷载历史后,混凝土应力应变全曲线发生明显的变化;混凝土动态抗压强度随着应变速率的增加而增加,荷载历史超过某一槛值后,混凝土抗压极限强度明显降低;混凝土损伤应力槛值随着应变速率的增加而增加,历经超过损伤槛值的荷载历史后,混凝土的损伤应力槛值随着荷载历史的增加而减小,且损伤值随着荷载历史的增加而增加;混凝土损伤应变槛值受应变速率的影响不大,但随着荷载历史的增加而减小,且损伤值随着荷载历史的增加而增加。

混凝土WW三参数率相关动态本构模型

根据一致粘塑性模型理论,结合所做的混凝土单轴动力特性试验,对常用的混凝土本构模型Willam-Warnke三参数模型进行改进,引入应变率的影响,推导了Willam-Warnke材料的动态率相关本构模型;并与试验的应力应变曲线进行比较,结果表明本文模型能够较好地反应混凝土的动力特性;最后,通过对一受冲击荷载的简支梁进行计算,并与线弹性及率无关塑性结果进行比较,结果表明考虑了应变率的影响后梁的动力特性发生了较大的变化。

混凝土单轴动态受拉损伤试验研究

混凝土结构在使用过程中,都要遭受地震、爆炸、冲击等动态荷载作用,在动态荷载作用下,混凝土的动态特性及损伤特性将发生很大改变。通过在MTS试验机上对普通混凝土受拉试件在应变率10-5/s～10-1/s范围内进行动态单轴直接拉伸试验,以切线模量的退化来量度损伤,从损伤的角度把混凝土受拉应力-应变上升段曲线分为3个阶段,即初始损伤未发展阶段、损伤稳定发展阶段、损伤不稳定阶段。研究表明,随着应变率的变化,损伤未发展阶段的最大应力水平也随之增加。同时分析了动态荷载下混凝土的抗拉强度、弹性模量、临界应变及泊松比的变化,结果表明混凝土的弹性模量和泊松比随着应变率的增加变化不大;混凝土的抗拉强度、临界应变与应变率之间呈线性关系,并给出了抗拉强度、临界应变受应变率影响的经验公式。

应变率对混凝土抗压特性的影响

在MTS伺服疲劳机上对混凝土试件进行动态受压试验,系统地分析和研究了混凝土屈服强度与内变量及混凝土极限抗压强度与内变量变化率之间的关系,混凝土抗压强度及变形特性与应变率之间的关系.试验结果表明:随着塑性应变的增加,混凝土屈服强度增加,达到极限抗压强度后,屈服强度开始降低;随着塑性应变率的增加,混凝土极限抗压强度发生了明显的增加,但随着塑性应变速率的增加,强度的增加值变小;随着应变率的增加,混凝土的弹性模量增加;但混凝土泊松比随着应变率的增加没有明显的改变.

不同水头高度洪水冲击乡村建筑模型试验研究

洪水的冲击会对建筑结构造成极大的危害,甚至会引起建筑物的损毁,尤其是在山区的村镇.通过模型试验,研究了洪水对建筑结构的冲击作用.试验中模拟洪水选用的水头高度为0.6、0.9、1.2m,模型距溃口的距离为6m,坡度为2°,模型比尺为1/6,选用3种开洞率.通过对不同水头高度、开洞率的试验结果进行分析,研究了村镇建筑结构表面洪水冲击压力特性及其分布规律,结果表明:洪水冲击压力峰值是稳流水压力的1.5～2.0倍且均随着水头高度的增加而增加;冲击压力在建筑物表面从底部到顶部逐渐减小;冲击压力合力和弯矩随着水头高度的增加而增加,随着开洞率的增加而减小.

孔隙对混凝土宏观力学性质的影响

目的研究混凝土孔隙结构参数对混凝土弹性模量、单轴强度等宏观力学性能及破坏规律的影响,建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,为以后改善混凝土的力学性质打下基础.方法将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,通过数值试验研究孔径、孔隙率对混凝土强度和弹性模量的影响规律.结果混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;抗拉抗压强度在同一孔径(孔隙率)下随着孔隙率(孔径)的增长呈对数下降;初始孔隙率越大,材料达到峰值应力时新破坏的面积越小;多孔径作用下的宏观力学性质是单一孔径力学性质的积分.结论混凝土中孔径分布和孔隙率对其弹性模量和强度均有较大影响.孔隙率相同时,多种孔径作用下的混凝土宏观力学性质是单一孔径作用下的宏观力学性质的加权平均值.

混凝土四参数动态本构模型

在混凝土动力抗拉抗压试验的基础上,根据一致黏塑性本构模型的概念,考虑静水压力和应变率的影响,推导了改进的一致率型HTC四参数模型,并与试验的应力应变曲线进行比较,结果表明模型能够较好地反应混凝土的动力特性;最后,用此模型对混凝土简支梁进行非线性动力反应分析,并与线弹性模型和率无关HTC四参数模型进行比较,探讨应变率对其动力特性的影响.结果表明考虑应变率的影响后,梁的位移、应力大小都发生了较大的变化.

拱坝非线性地震反应分析

本文根据一致粘塑性模型的概念 ,引入应变率的影响 ,将混凝土静态William -Warnke三参数模型改造成一致粘塑性William -Warnke三参数本构模型 ,并用这个模型对某高拱坝进行了非线性地震响应分析 ,与线弹性模型和应变率无关的William -Warnke三参数模型的结果进行了比较 。

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.

历经荷载历史混凝土动态受压试验研究

在应变率10-5～10-2 s-1,混凝土立方体试件历经0、30%、50%和75%极限抗压强度的荷载历史,在静动态三轴试验系统上进行相同应变率动态抗压试验,研究了不同荷载历史对混凝土在不同应变率时的动态抗压强度、初始弹性模量、临界应变以及应力应变全曲线等动态特性以及应变率的影响.试验结果表明不同应变率下历经荷载历史后,混凝土应力应变全曲线变化明显;随着应变率的增加,动态单轴抗压强度显著增加,但当荷载历史超过某一槛值后,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土初始弹性模量随着应变率的增加明显地提高,但随着荷载历史的变化并没有明显的变化;混凝土的临界应变随着应变率和荷载历史的增加而减小,且荷载历史对临界应变的影响远远大于应变率对临界应变的影响.

不同开洞率乡村建筑洪水水流荷载试验

目的研究洪水对山区乡村房屋水流作用,为山区乡村建筑的抗洪设计和抗洪能力评价提供依据.方法采用和山区乡村房屋模型洪水冲击试验研究完全相同的试验模型、试验仪器、试验设备和试验方案,采用不同开洞率对房屋模型进行洪水水流作用试验,研究洪水对村镇建筑的影响.结果开洞率对模型水流压力的分布规律影响并不大,但是随着开洞率的增加,模型水流压力稍微增加,开洞率从0.26增加到0.298和0.337时,最大水流压力从6.65 kPa增加到6.79 kPa和6.88 kPa,变化最大不超过5%.结论模型洞口处的水流压力随着开洞率的增加明显降低,而在其他位置处开洞率对水流压力的影响规律并不明确;迎流面上水流压力产生的合力和弯矩随开洞率的增加明显减小,模型的外侧面,水流压力产生的合力和弯矩随着开洞率的增加而增加,而在模型内部的各个面,水流压力产生的合力和弯矩随着开洞率的增加而有所降低.

混凝土等效弹性模量细观影响因素

目的研究混凝土等效弹性模量细观影响因素及细观损伤特性.方法将混凝土简化为两级二相复合材料的叠加,基于Eshelby和Mori-Tanaka方法,在砂浆和界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)引入微孔洞,建立混凝土等效弹性模量和三组相体积分数、弹性模量之间的关系,用混凝土等效弹性模量的退化来表征混凝土的损伤,推导混凝土初始损伤与孔隙率之间的关系.结果混凝土等效弹性模量随着界面过渡区厚度的增加而降低,随着孔隙率特别是界面过渡区孔隙率的增加而降低,针片状粗骨料颗粒使得混凝土等效弹性模量分布不均匀;混凝土损伤变量与砂浆内孔隙率呈线性关系,与界面过渡区内孔隙率呈指数关系.结论界面过渡区厚度、粗骨料形状和孔隙率对混凝土等效弹性模量有明显影响,微缺陷会降低混凝土弹性模量,尤其是界面过渡区上的微孔洞对混凝土损伤的影响较为显著.

应变率效应对钢筋混凝土柱的影响

根据混凝土单轴动力特性试验,引入了应变率的影响,对规范给出的混凝土应力—应变关系表达式进行了修正;针对只考虑混凝土的动态特性和既考虑混凝土的动态特性、也考虑钢筋的动态特性这两种情况,利用修正的表达式对钢筋混凝土柱的动态特性进行了数值分析。结果表明,混凝土的动态特性对于大偏心柱的承载力影响很小,但对于小偏心柱的极限承载力影响显著;钢筋的动态特性对大、小偏心柱的极限弯矩和极限曲率都有明显的影响。本文还分析了柱的极限弯矩、极限曲率和极限轴力随偏心距变化的规律。

应变率对拱坝地震反应的影响

根据混凝土动力抗拉抗压试验成果和一致黏塑性模型的概念,考虑应变率和静水压力的影响,将混凝土静态HTC四参数模型改造成一致黏塑性HTC四参数本构模型,并用这个模型对某高拱坝进行了非线性地震反应分析,并与线弹性模型和率无关HTC四参数模型的结果进行比较,探讨应变率对拱坝地震反应的影响,结果表明考虑应变率的影响后,拱坝的应力和塑性应变都发生了较大的变化。