混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析,从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示:(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内;(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性,单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一;(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中,讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟,直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。

细观结构不均匀性对混凝土动弯拉强度的影响

本文在随机骨料模型的基础上,提出了既能反映混凝土骨料分布随机性又能反映混凝土细观各相材料力学特性随机性的随机骨料随机参数模型。利用该模型并考虑材料的细观力学的应变率效应,对湿筛混凝土和全级配混凝土梁进行了三分点冲击弯拉断裂数值模拟,分析了混凝土材料参数的离散性、混凝土级配以及初始静预载水平对其动弯拉强度的影响。研究表明:(1)随混凝土材料的弹性模量和抗拉强度的离散性增大,静弯拉强度和动弯拉强度降低,但动弯拉强度增强系数得到提高;(2)一定条件下全级配的混凝土梁的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土梁的动弯拉强度增强系数;(3)为了更准确地确定动弯拉强度增强系数,应该考虑混凝土级配和初始预静载水平所产生的应变率效应对其的影响。

大坝混凝土试件三维细观力学并行计算研究

基于混凝土材料基本特性及其有关试验研究结果,给出了混凝土材料的损伤演化关系、及其抗拉强度和弹性模量的应变率强化定律,建立了既考虑细观损伤弱化又计及应变率强化效应的混凝土非线性有限元静动力学虚功方程。根据FEPG有限元语言的规则,编写了混凝土试件细观静、动力学方程的描述文件及位移、应力场的算法文件,并基于PFEPG软件平台开发了混凝土试件的三维细观数值并行计算程序。利用三维随机骨料随机参数模型对混凝土试件弯折损伤破坏过程进行了细观数值模拟。其计算结果与试验结果相吻合,显示了该算法及所编并行程序的有效性。

应变率效应对混凝土动弯拉强度的影响

本文基于混凝土材料的应变率效应及有关试验资料,给出了混凝土材料强度和弹性模量强化曲线,根据该关系曲线并考虑初始静预载的情况,建立了混凝土梁动弯加载过程的有限元数值模型。利用该数值模型模拟了不同加载速率和具有不同初始预静载时梁在冲击荷载作用下动弯拉破坏过程,分析了混凝土强度和弹性模量的应变率敏感性对不同初始预静载水平下的混凝土梁动弯拉强度的影响,初步揭示出动载强度随着应变率变化的规律。研究表明,在复杂加载情况下,动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。

混凝土动态损伤的滞后特性

混凝土材料在动载作用下存在应变率敏感效应,其产生机理尚待深入研究。本文总结了混凝土材料动态力学性能的基本规律,并基于混凝土在损伤过程中声发射凯塞效应的观测及相关研究成果,分析研究了惯性效应、预静载和水的黏性等因素对动载作用下混凝土材料的损伤滞后特性的影响,提出了在动载作用下混凝土材料变形滞后所产生的损伤滞后最终表现为应变率强化效应的观点。同时,通过全级配混凝土试件的弯折数值模拟计算,并基于动载作用下的变形滞后的观点,讨论了所引入率效应强化参数的物理意义。

大坝混凝土三维细观力学数值模型研究

在细观结构层次上将大坝混凝土作为骨料、固化水泥砂浆及其粘结界面组成的复合材料,建立了大坝混凝土三维细观力学数值模型。该模型既能够反映混凝土及其细观各相材料在荷载作用下的损伤演化过程,又考虑了动载作用的应变率强化效应。给出了该数值模型求解方法,并编制出能够在普通PC机上运行的串行程序。加载过程既可按荷载控制又可按位移控制。同时,为了减少求解自由度应用了分尺度方法以使最小骨料和固化水泥砂浆混合后其力学性能与一种复合介质等效。通过混凝土湿筛和三级配试件的静、动(冲击)弯拉数值计算验证了本文计算方法和程序正确有效。另外,在串行程序的基础上,优化了刚度矩阵的存储方式,采用双门槛不完全Cholesky分解(ICT)预条件的共轭梯度法(CG),完成了能够在Sun Fire 6800服务器实现并行计算的并行程序改造,从而大大提高了计算效率。

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。

混凝土坝抗震安全评价指标和方法研究

以提出混凝土坝整体抗震性能评价指标体系和方法框架为目标,分析研究了美国水工建筑物设计规范(ER&EM)基于性能目标的抗震评价方法、评价标准、定量化性能指标,同时对国内外相关成果进行了对比分析。针对高混凝土坝的最大设计地震(MDE)的设防水准以及最大可信地震(MCE)的安全目标,为了更好地评价地震动作用下结构性态,应注重定量化评估坝体—地基—库水的整体效应,以及应力和变形响应的累积效应,结合现有的高混凝土坝的抗震评估,进行线弹性评价和非线性响应分析。线弹性评价预测应引入USACE评价程序和判别准则中的结构需求能力比、超线弹性累计时间和性能曲线等定量化指标,再结合现行规范从坝体关键部位、横缝等方面进行非线性响应分析修正分步实施,建立混凝土高坝抗震性能定量化评价框架。研究成果为混凝土坝抗震性能评价提供参考。

基于旁压试验反分析土体本构参数的有限元方法

基于旁压仪试验原理,提出了反分析土体本构参数的有限元分析模型.同时依据在旁压力作用下土体的变形特点给出,并简化了土体有限元的刚度矩阵.利用阻尼最小二乘法非线性优化理论编制了反分析计算程序,并根据土体的线弹性模型和邓肯—张EB模型,进行了模型参数反分析,其结果合理,从而验证本文所提出的方法的可行性.

混凝土细观力学研究进展及评述

本文介绍了混凝土细观力学的研究方法,总结了到目前为止在细观层次上对混凝土实验研究和数值模拟的研究成果,详细分析讨论了格构模型、随机骨料模型和随机力学特性模型3种细观力学数值模型的优缺点。目前混凝土细观力学的研究主要集中对细观数值模型的研究,已建立起来的细观数值模型仍待完善,同时尚缺乏系统的各相材料力学特性参数试验测定成果。用细观力学数值模拟取代部分试验任务还要做很多工作。

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程,分析了骨料分布和形态的随机特性,按照骨料切面几何图形面积等效的原则,将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系,编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。

预静载作用下混凝土梁的动弯拉强度

动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。有关试验发现一定预静载水平对混凝土动弯拉强度有强化作用,因此,对这一试验现象的探究具有工程应用价值。本文基于混凝土细观力学方法,对湿筛和全级配混凝土梁进行三分点冲击弯拉数值模拟,试图在不同随机骨料模型和不同静预载作用下寻求混凝土梁动弯拉强度的变化规律。计算结果显示,不同细观骨料模型具有相似的规律,即随预静载增大,混凝土动弯拉强度上升,至一定峰值后回归到静载强度。取跨中不同细观区域宽度和具有不同变异性的细观界面单元材料参数,对梁进行三分点弯拉数值模拟发现,动弯拉强度受混凝土细观结构不均匀性的影响,不均匀性越强动载增强系数越大。

混凝土高坝系统的地震响应分析研究进展概述

本文从5个方面总结了混凝土高坝体系地震响应分析的最新进展及所存在的问题,其内容包括:(1)坝体伸缩横缝开合的接触非线性研究;(2)坝基远域能量逸散效应的模拟;(3)坝体-库水动力相互作用;(4)坝肩抗震稳定分析研究;(5)坝体及地基非线性分析研究。最后提出了当前高坝系统地震动分析所面临的研究课题。

三维饱和地基人工黏弹性边界

本文针对中低频率工程振动问题,不计流体加速度,基于球面波动方程导出了无限大三维饱和地基人工黏弹性边界及其流量边界条件。在此基础上给出了具有人工黏弹性边界的饱和土体动力固结问题虚位移原理。根据有限元语言编写出算法脚本文件,并基于有限元自动生成系统(FEPG),生成了计算源代码程序。通过在无限大地基表面施加冲击荷载和突加荷载的数值算例,验证了所建立方程和程序的正确性。本文方法可以应用于三维饱和地基的动力固结问题数值模拟。

黏弹性人工边界地震动输入方法及实现

本文对实现黏弹性边界的常用方法进行了总结,对相应于黏弹性边界的地震动输入公式进行了详细推导,把自由场应力的求解也转化为自由场速度的求解,简化了地震动输入公式,并给出了地震动输入的简化方法。基于ABAQUS软件,进行算例分析并和理论解进行对比,验证了各种黏弹性边界实现方式及本文地震动输入方法的合理性和正确性。最后,对大朝山重力坝典型挡水坝段进行地震响应分析,通过施加黏弹性边界并输入相应地震动,评价了无限地基辐射阻尼的影响,并与无质量地基模型的计算结果进行了比较。结果表明,考虑辐射阻尼效应后坝体地震响应明显降低,故在实际工程抗震分析时对其影响应予以适当考虑。

混凝土随机凸多面体骨料模型生成及细观有限元剖分

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文针对全级配大坝混凝土的高骨料含量的要求,给出了一种高效率生成随机球骨料模型的方法。并在随机球骨料模型的基础上,形成随机凸多面体骨料模型。同时,研究了细观单元属性判别方法,编制了对含有凸多面体骨料的细观区域进行结构性有限元网格剖分程序。本文给出的三维随机骨料模型算法不但考虑混凝土的骨料的实际级配和含量,而且计及了骨料的实际形态。

旁压试验反演邓肯-张模型参数方法研究

研究了联合室内模拟试验和现场旁压仪试验综合确定邓肯 -张E-B 模型有关参数的方法。内容包括 :①采用邓肯 -张E-B 模型和有限元方法 ,对旁压试验机理进行数值模拟 ;②研制采用阻尼最小二乘法非线性优化理论 ,依据实测旁压曲线 ,进行土体本构模型参数反演的方法和计算机程序 ;③在对模型各参数敏感性分析基础上 ,以室内试验结果为初值 ,对某工程地基覆盖层现场旁压试验实测曲线进行E-B 模型参数的反演分析。

一般稀疏线性方程组的因子组合型并行预条件研究

基于因子组合给出一般稀疏线性方程组的一种新并行预条件。在该方案中,应用基于邻接图的重叠区域分解,形成一串相互重叠的子区域。对每个子区域,可以采用任何不完全LU分解。之后,利用全局三角因子与全局下三角因子的乘积作为全局的并行预条件,其中全局三角因子利用限制加性Schwarz思想对每个局部上三角因子的逆进行组合得到。分析表明,提出的预条件优于经典加性Schwarz和限制加性Schwarz,且能保持对称正定性。对混凝土细观数值模拟中线性方程组的实验再次表明,新方案优于经典加性Schwarz。

混凝土细观力学分析程序中的快速算法与并行算法设计

针对一套混凝土细观力学分析程序,在分析其计算方法与计算效率的不足之后,提出了采用稀疏矩阵与稀疏向量技术来高效实现有限元刚度矩阵装配过程的算法,并采用双门槛不完全Cholesky分解预条件技术与CG法相结合来高效地求解稀疏线性方程组。之后,从整体上提出了一个将有限单元分布与未知量分布有机结合的并行算法设计方案,并分别针对刚度矩阵装配、双门槛不完全Cholesky分解、稀疏矩阵与稠密向量相乘、稀疏向量相加等核心算法,进行了相应的并行算法设计。最后,在由每节点2 CPU的8个Intel Xeon节点采用千兆以太网连成的机群上,针对两个混凝土数值试样进行了数值实验,第一个试样含44117个网格点与53200个有限单元,第二个试样含71013个网格点与78800个有限单元;对第一个试样,原串行程序进行全程567次加载计算需要984.83小时约41天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到22531秒约6.26小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为3860秒约1.07小时。对第二个试样,原串行程序进行全程94次加载计算需要467.19小时约19.5天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到11453秒约3.18小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为1704秒约28.4分钟。串行算法的改进与并行算法的设计大大缩短了计算时间,对加快混凝土力学性能的分析研究具有重要意义。

考虑多种因素影响的重力坝地震响应分析

综合考虑坝体混凝土和坝基岩体的材料非线性、无限地基辐射阻尼等因素,对Koyna重力坝进行了地震响应分析,解释了实际震害。用传统方法对Koyna坝进行了地震响应分析,可以看出,坝体混凝土采用线弹性模型不能如实反映可能出现的裂缝分布,其结果只能对起裂位置进行一定的预测;考虑材料初始抗拉强度和抗剪强度的预设缝方法预测的开裂范围较大,考虑到实际工程都需要一定的安全储备,因此预设缝方法是合理可行的。