砂土应力-应变包络线的唯一性初探

土体循环加卸载外包络线是否具有唯一性在认识土体固有属性上具有重要意义。基于土样全表面变形数字图像测量系统,选用硅微粉和福建标准砂为研究对象,开展了一系列三轴剪切试验和三轴循环加卸载试验,探索等应力幅值、阶梯应力幅值和随机应力幅值循环加卸载下应力-应变外包络线与相应的单调加载应力-应变曲线的一致性。试验结果表明土样在相同密度和围压条件下,单调加载的应力-应变曲线与经历不同循环应力历程的加卸载应力-应变外包络线近似一致,提出了砂土应力-应变外包络线的唯一性;讨论了循环应力历史和应力水平对曲线回归速度的影响以及应力-应变包络线唯一性在建立轴向应变累积模型中的应用。

水泥基灌浆料及其混合料的单轴受压应力-应变研究

掺入30%、50%比例的Ⅲ类水泥基灌浆料制备了混合料,采用普通混凝土力学性能试验方法和工程岩体试验方法研究了Ⅲ类、Ⅳ类水泥基灌浆料及其混合料的力学性能与单轴受压应力-应变关系,建立了立方体抗压强度与轴心抗压强度转化、弹性模量、峰值应变等的计算公式,并基于过镇海模型应力-应变曲线公式,提出了适用于水泥基灌浆料及其混合料的单轴受压本构模型。结果表明:Ⅲ类水泥基灌浆料的韧性高于Ⅳ类水泥基灌浆料;随着Ⅲ类水泥基灌浆料掺量的提高,50%混合料的韧性也得到了一定的提高;过镇海模型拟合曲线与试验曲线总体上吻合较好。

单轴受压下钢纤维再生混凝土应力-应变曲线关系研究

为了研究单轴受压下钢纤维的掺量对再生混凝土的影响,制作了48个100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件(钢纤维体积掺量分别为0、0.6%、0.9%、1.2%,再生骨料取代率分别为0、25%、50%、100%),分析了钢纤维再生混凝土应力-应变曲线的变化趋势。结果表明:随着钢纤维掺量的增加,钢纤维再生混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量逐步增加;但是,随着再生骨料取代率的增加钢纤维再生混凝土的峰值应力和弹性模量均会下降,峰值应变增加。同时基础试验数据的分析,提出钢纤维再生混凝土单轴受压下应力-应变曲线关系的模型。

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展:采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。

基于BP神经网络的胶结砂砾石应力-应变关系预测

在前期宏观试验基础之上,采用离散元模拟和BP神经网络相结合的方法获取不同胶凝材料掺量和围压下胶结砂砾石的应力-应变关系。根据前期胶凝材料掺量分别为20、40、60、80、100 kg/m3的胶结砂砾石三轴排水剪切试验结果,开展离散元数值模拟。以试验数据为学习样本,开展BP神经网络模型训练,预测胶凝材料掺量分别为30、50、70、90 kg/m3的胶结砂砾石应力-应变关系,并将预测结果和离散元模拟结果进行对比。研究结果表明,BP神经网络能够实现胶结砂砾石应力-应变关系的预测,并在较低围压下具有较好的精度。

超高性能海水海砂混凝土单轴受压应力-应变关系

为研究超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,UHPSSC)轴压应力-应变关系,探究钢纤维体积掺量对UHPSSC轴压力学性能和轴压应力-应变全曲线的影响,使用Instron 1346万能材料试验机测得UHPSSC应力-应变全曲线,借助Pycharm曲线拟合程序与已有混凝土应力-应变全曲线模型进行拟合与修正.结果表明:钢纤维掺量越高,轴压作用下UHPSSC的破坏程度越小,抗压强度和峰值应变也随之增加;已有模型拟合的UHPSSC应力-应变全曲线上升段与试验曲线比较相近,下降段后期差距较大;通过修正下降段形状参数,得到了更适用于描述UHPSSC应力-应变全曲线的修正模型,并验证该修正模型的适用范围.

RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究

为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。

复杂应力状态下玻璃纤维再生混凝土损伤演变及应力-应变本构关系研究

本工作旨在通过常规三轴受压试验探究玻璃纤维再生混凝土(GFRAC)在三轴受压力学方面的性能,为此以玻璃纤维体积掺量V、再生粗骨料取代率γ和侧向围压σw为参数,共设计了168个100 mm(直径)×200 mm(高度)的玻璃纤维再生混凝土圆柱体试件并进行试验。通过试验获得了GFRAC的破坏特征并分析了不同参数对峰值应力、峰值应变及弹性模量的影响规律。由试验结果分析可得,随着侧向围压的增大,GFRAC的破坏形态由纵向劈裂破坏逐步转为斜向剪切破坏,网格状裂缝逐渐增多并布满试件,在试件的中部或端部出现“腰鼓”变形现象;通过施加侧向围压可以有效地增加GFRAC的峰值应力、应变和弹性模量;玻璃纤维提高了试件的峰值应力,且提高幅度在20%以内;增加再生粗骨料的取代率会导致峰值应力和弹性模量减小,最大下降幅度分别约为19.17%和34.91%,而峰值应变会增大,最大增幅可达76.77%;侧向围压和玻璃纤维均有效延缓了试件的损伤过程;最后,基于试验数据建立了玻璃纤维再生混凝土在三轴受压状态下的应力-应变本构关系。

再生微粉活性粉末混凝土单轴受压应力-应变曲线研究

为了进一步了解再生微粉活性粉末混凝土(RPC)的受压性能,通过试验分析并结合有限元模拟,研究了不同配比再生微粉RPC的单轴受压应力-应变曲线。利用有限元软件Ansys在细观层次上建立了随机分布钢纤维模型,建立的随机钢纤维模型能较好地反映实际情况。进而采用数值模拟的方法分析了钢纤维体积掺量对RPC受压应力-应变曲线的影响。研究结果表明,随着再生微粉对水泥替代率的增加,峰值应力减小,峰值应变和弹性模量略有降低但变化不显著。钢纤维的加入提高了再生微粉RPC的峰值应力、峰值应变和弹性模量,且随着钢纤维掺量增加,峰值应力增长,弹性模量有一定增长,峰值应变变化不明显。

人工冻土分数阶导数应力-应变指数模型参数确定及验证

人工冻土可看成是理想固体和理想流体以某种比例进行的勾兑,其力学特性既不符合胡克定律,也不遵守牛顿黏性定律,而是遵守介于它们之间的某种关系,分数阶导数能够很好地描述这种勾兑效应。对合肥膨胀土在不同冻结温度下进行单轴压缩试验,得到冻结温度对应力-应变的影响规律。将分数阶导数引入指数模型,将它改进为人工冻土单轴压缩下应力-应变分数阶指数模型。通过对建立的模型两边取自然对数,得到不同温度下应力-应变线性方程组,求解建立方程组确定出分数阶导数模型参数。为进一步验证所建立模型的适用性,引用一组南京冻结粉质黏土三轴剪切试验,在分数阶系数中考虑围压的影响,将它改进为能考虑围压影响的应力-应变分数阶指数模型。将改进的人工冻土应力-应变分数阶指数模型的计算结果与试验结果进行比较,结果表明:计算结果与试验结果吻合度较高,能准确地预测单轴压缩、三轴压缩剪切应力-应变曲线的变化趋势。改进后的分数阶导数模型参数较少且有明确的物理意义,便于工程应用。当前的模型仅仅适用于应变硬化型,为了能进一步描述应变软化型的力学特性,下一步将在模型中考虑损伤进而建立应变软化型分数阶指数模型。同时,如何在模型中反映冻土的结构性与各向异性对应力-应变的影响也将是下一步的研究内容。

橡胶粗细集料含量对FRP约束橡胶混凝土应力-应变关系的影响

为研究橡胶粗细集料体积分数对纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)约束橡胶混凝土应力-应变关系的影响,提出了橡胶粗细集料体积替换率的概念,并通过收集已发表文献的110组应力-应变关系试验曲线,分析了橡胶粗细集料体积替换率对FRP约束不同截面橡胶混凝土柱应力-应变关系关键参数的影响,基于分析结果建立了FRP约束橡胶混凝土的应力-应变关系模型和抗压强度模型,两个模型中均考虑了橡胶粗细集料体积替换率和橡胶混凝土截面形状的影响.模型评估结果表明:随着橡胶粗细集料体积替换率、FRP约束应力比和截面倒角半径比的增加,FRP约束橡胶混凝土的抗压强度均呈增大的趋势;建立的抗压强度模型可准确预测橡胶颗粒取代部分细集料或粗细集料的FRP约束橡胶混凝土抗压强度,平均误差仅为1.03;建立的应力-应变关系模型能够较好预测FRP约束橡胶混凝土的应力-应变关系曲线变化.

基于广义波阻抗理论的SHPB试验中弹性压缩阶段试件应力-应变曲线的应力波效应及其影响机理

定量研究分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验中弹性压缩阶段试件中的应力波效应是解耦准确材料弹性曲线的基础。在满足平面波假设的基础上,基于广义波阻抗理论,对杆与试件面积不匹配时试件弹性压缩阶段应力波演化造成的结构效应开展了定量理论研究,分析了不同情况下弹性阶段内试件唯象工程及实际材料应力-应变曲线的偏差特征与主要因素,并揭示了影响这种偏差的影响规律及其机理。研究表明:对于线性入射加载波,当无量纲时间为0.5的倍数时,即使其他参数改变,试件唯象与材料实际的应力-应变曲线仍对应相等;试件两端的应力差较大时,若应力差的变化趋于稳定,则试件唯象与材料实际的应力-应变曲线差异较小。计算了不同波动区间内试件的最大应力偏离值及其变化趋势和对应的无量纲时间,研究了入射波是双线性组合波时试件的应力-应变曲线。研究表明:双线性波入射时,2个线性区间可以独立分析,无论如何组合线性区间或应力差如何变化,只要试件两端应力差为近似恒定曲线,对应的试件唯象工程应力-应变曲线都是相对准确的。

碱渣-电石渣激发混凝土的基本力学性能与应力-应变关系

碱渣、电石渣等碱性工业固废的大面积堆置引发了严重的环境污染问题,亟需拓展资源化利用渠道。本工作以先前开发的碱渣-电石渣协同激发矿渣-粉煤灰胶凝材料替代水泥制备了新型混凝土,研究了其抗压、抗拉、抗折等基本力学性能与单轴受压应力-应变关系。结果表明:新型混凝土的早期抗压强度相比水泥混凝土发展缓慢,可通过适宜的热养护(60~75℃@12 h)进行改善,且对后期强度不会产生不利影响。新型混凝土拉压比和折压比分别为0.102±0.006、0.137±0.007,均高于同等级的水泥混凝土。新型混凝土在单轴受压下具有比水泥混凝土更短的弹性上升段,更长的塑性上升段,峰值应力后延性略差。通过统计回归分别建立了标准抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、抗折强度的预测模型以及单轴受压应力-应变关系,均与试验值吻合性较好,为这类新型混凝土的配合比设计、强度预测及工程应用奠定了理论基础。

压缩浇筑混凝土的应力-应变关系

压缩浇筑可以显著提高混凝土的强度和耐久性,无需添加任何化学添加剂和矿物掺料.采用压缩浇筑方法制作压缩浇筑混凝土试件,并开展单轴受压试验.试验结果表明,相比于普通混凝土,压缩浇筑混凝土的抗压强度和弹性模量显著提高,而峰值应力对应的应变稍有减小.基于现有混凝土应力-应变模型对试验结果进行回归分析,得到压缩浇筑混凝土的应力-应变关系模型.在此基础上,利用受弯定理推导了压缩浇筑混凝土受弯构件的等效矩形应力块参数模型.研究成果可为压缩浇筑混凝土构件的抗弯设计和分析提供理论依据.

仿木材料抗拉强度与应力-应变曲线试验研究

仿木材料是以氯氧镁水泥为基体,植物纤维为增强体,并添加柠檬酸、酒石酸、六偏磷酸钠搅拌均匀后经高压静置固化成型的无机胶凝材料,为研究其抗拉强度和抗拉本构关系,制作了30个试件进行轴心受拉试验,共采集到22个试件的有效数据。结果表明:仿木材料的轴心抗拉强度为7.98 MPa,变异系数为0.121,抗拉弹性模量为3600 MPa,变异系数为0.089,轴心拉力作用下,材料达到峰值应力后应力迅速下降,试件脆性破坏;根据应力、应变测试结果,拟合得到了材料的轴心抗拉本构关系,可供材料非弹性应用时参考。

高强度螺栓材料全过程真实应力-应变关系研究

对极限状态下螺栓杆会发生较大变形的高强度螺栓连接节点进行模拟分析时,需考虑螺栓材料的真实应力-应变关系。为此,以10.9级M20,M24,M30高强度螺栓为研究对象,探讨单轴拉伸状态下高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。首先制作高强度螺栓材料拉伸试件并通过开展单轴拉伸试验获得材料的全过程工程应力-应变曲线。然后采用有限元方法对单轴拉伸试验进行模拟,通过比较有限元分析和实测工程应力-应变曲线,讨论描述材料真实应力-应变关系的Ludwik,Hollomon,Voce,Swift表达式的适用性。最后基于归一化的颈缩前真实应力-应变关系以及归一化的硬化阶段真实应力-应变关系,提出两种改进的Ramberg-Osgood表达式描述螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。结果表明:基于颈缩前硬化阶段真实应力-应变曲线拟合的Ludwik,Hollomon,Voce,Swift表达式中,Ludwik,Hollomon,Swift表达式会高估螺栓材料颈缩后的真实应力,而Voce表达式会低估螺栓材料颈缩后的真实应力;本研究提出基于归一化颈缩前真实应力-应变关系的Ramberg-Osgood表达式可较为准确地描述高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系,其在强化阶段会略高估螺栓材料的真实应力;提出的基于归一化硬化阶段真实应力-应变关系的Ramberg-Osgood表达式可更准确地描述高强度螺栓材料的全过程真实应力-应变关系。

废玻璃砂混凝土力学性能与应力-应变关系研究

为有效解决河砂短缺与废玻璃回收再利用问题,将废玻璃制品研磨成砂,取代混凝土中的河砂,制备废玻璃砂混凝土。对废玻璃砂混凝土进行抗压强度测试、弹性模量测试与单轴受压应力-应变曲线测试,分析不同的废玻璃砂取代率对混凝土力学性能的影响规律,利用分段式本构模型描述废玻璃砂混凝土的应力-应变关系,采用ABAQUS有限元软件模拟分析废玻璃砂混凝土的受压力学行为。结果表明:随着取代率的提高,废玻璃砂混凝土的力学性能先增强后减弱,当取代率为15%时废玻璃砂混凝土的性能最佳;掺入废玻璃砂对混凝土应力-应变曲线的形态无明显影响;有限元模型能够清晰地反映各试件受压过程中内部损伤的演化规律。

石粉-钢渣混凝土单轴受压应力-应变全曲线实验研究

为了探究单轴受压下石粉-钢渣混凝土的本构关系,根据正交试验方案配制了不同掺量钢渣砂(30%、40%、50%)、钢渣石(30%、40%、50%)、石粉(0%、7.5%、15%)的石粉-钢渣混凝土,对石粉-钢渣混凝土的应力-应变关系进行了实验研究,建立了单轴受压下石粉-钢渣混凝土的本构关系模型。实验结果表明:当受到单轴压力时,石粉-钢渣混凝土的破坏模式与普通混凝土相似,表现出斜剪切的特征。石粉-钢渣混凝土峰值应力、峰值应变及弹性模量随着钢渣骨料掺量的增加而提高。为了更好地模拟无量纲应力-应变曲线,本工作采用了Carreira and Chu模型的上升段和过镇海模型的下降段进行了分段拟合。结果表明,实验曲线与分段模型曲线吻合较好。

基于长短期记忆网络的FRP约束混凝土圆柱循环轴压应力-应变预测模型

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于FRP在实际工程中的应用具有重要意义。该文提出了一种用于建模循环轴压下FRP约束混凝土柱应力-应变特性的神经网络预测模型,该模型采用长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)单元对循环应力-应变曲线中的滞回特性进行建模,构件的物理参数被有效地集成在网络的输入中。该模型能以端到端的方式进行高效的训练且不依赖任何专家经验。制作了一个包含166个FRP约束普通混凝土柱的循环轴压数据库,在该数据库上对模型的准确性和鲁棒性进行了充分的评估,结果表明测试集平均预测误差仅为0.32 MPa。此外,对网络结构和超参数的影响进行了详细的讨论,结果表明该模型具有出色的预测性能。

Corvis ST新参数应力-应变指数的研究进展

可视化角膜生物力学分析仪(Corvis ST)是目前评估在体角膜生物力学最常用的临床设备。新参数应力-应变指数(SSI)是近年来临床研究的热点,其不仅可以直接反映角膜生物材料刚度,而且与某些疾病的进展密切相关。SSI是基于使用有限元(FE)数值建模模拟眼内压和Corvis ST喷气效果的角膜行为预测生成的。SSI算法不随着本身中央角膜厚度(CCT)、眼内压以及生物力学矫正眼压(BIOP)的变化而变化,但明显与角巩膜中的胶原纤维改变有关。本文将从SSI的原理、年龄与SSI的关系、眼轴与SSI的关系、近视程度与SSI的关系、SSI的应用等方面进行归纳和总结。