用刚体弹簧元法研究全级配混凝土力学性能

提出了采用刚体弹簧元法在细观层次上对全级配混凝土的力学特性及破坏机理进行数值研究的方法．该方法首先根据全级配混凝土骨料级配曲线和Walraven函数,使用蒙特卡罗随机理论建立起考虑细观各相力学特性分布不均匀性的随机骨料结构,并对其进行三角形或任意多边形的网格剖分;然后应用刚体弹簧元模型,对全级配混凝土在单轴及双轴荷载下的变形和力学性能进行了系统性的数值试验,并探讨了不同骨料级配及试件尺寸对混凝土力学性能的影响．与实际试验结果的比较表明运用该方法数值模拟全级配混凝土的力学性能是可行的．

混凝土细观单元本构关系研究

通过劈裂和剪切试验得到砂浆-骨料复合试件界面的粘结抗拉强度,界面的I型断裂特征通过三点弯曲试验得到。并采用改进的J积分方法,利用试验结果提出了砂浆-骨料界面的拉伸软化曲线模型。另外,将光纤传感器分别埋置于砂浆中和粘贴在骨料表面,测量单轴受压试验中砂浆、骨料的变形过程及二者间的相对滑移值,从而建立了砂浆-骨料界面的粘结滑移本构关系曲线。同时,根据试验及分析结果,提出了砂浆-骨料界面的细观力学本构关系,为数值模拟提供了可靠的分析模型。

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。

混凝土受拉动态破坏过程的细观数值方法研究

混凝土在宏观层次上属于各向同性材料,但在细观层次上可视为由粗骨料、砂浆以及二者界面组成的三相非均质复合材料。混凝土是一种典型的率敏感材料,不同应变率水平下存在不同的强度增长机制。从混凝土细观结构出发,提出了混凝土动态受力分析的刚体弹簧元(Rigid Body Spring Model,RBSM)方法,通过建立混凝土细观各相组成材料的粘弹塑性损伤本构模型,充分考虑Stefan效应在中低应变率水平下对混凝土力学性能的影响,模拟了混凝土的强度增长规律。对砂浆、混凝土试件的单轴受拉动态破坏分析表明,本文建立的动态弹簧元模型能较好地模拟混凝土强度随应变率增长而提高的规律,而且能够跟踪加载过程中混凝土内部的裂缝开展过程和最终破坏形态。