箍筋约束高强混凝土应力-应变本构关系模型

针对箍筋约束高强混凝土,优选6种典型模型对172根方形截面短柱在轴压作用下的峰值强度和延性进行预测.误差分析结果表明:Nagashima模型与Legeron模型的计算精度相对较高.最后,基于大量试验数据对Nagashima模型及Hong模型进行修正,修正模型精度较高且便于应用.

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.

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.

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。

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。

考虑尺寸效应影响的箍筋约束混凝土应力-应变本构关系模型

为了考察约束混凝土轴压力学性能的尺寸效应,对两个系列的圆形箍筋约束混凝土圆柱试件进行了单调轴压试验,主要试验变量为体积配箍率和试件几何尺寸,试件的最大直径为576 mm。试验结果表明,约束混凝土的峰值应力和峰值应力对应应变均随试件尺寸的增大呈下降趋势,而变形能力与试件尺寸的关系不够明确。利用析因分析法对试验数据进行分析,发现体积配箍率对箍筋约束混凝土的峰值应力、峰值应力对应应变和变形能力均有显著影响。试件几何尺寸对峰值应力及对应应变的影响较为显著,但对试件变形能力的影响不明显。体积配箍率与试件几何尺寸的交互作用对峰值应力、峰值应力对应应变和变形能力的影响均不显著。基于试验、分析结果,建立了针对圆形箍筋约束混凝土的应力-应变本构关系模型,模型预测值与本文试验结果吻合较好。

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.

基于折减因子的奥氏体不锈钢螺栓高温应力-应变模型

不锈钢螺栓具有显著的耐久性、延性和耐火性,因此它们被广泛地应用于栓接的半刚性节点中。不锈钢螺栓如同其基材(不锈钢棒材)一样,在常温和高温下都表现出平滑的非线性特征,并且它们的应力-应变曲线中没有明确定义的屈服点。这种材料行为可以用不同的材料模型来表征,其中最常用的是Ramberg-Osgood公式或其修订版。然而,在现存不锈钢的材料模型中,相关力学参数的预测公式并不适用于经受冷作硬化和冷铸工艺的奥氏体和双相体不锈钢螺栓。因此,本工作基于先前研究中高温下不锈钢螺栓的折减因子建立它们的非线性高温材料模型。倘若在五个常温力学参数(杨氏模量、比例极限、屈服强度、极限强度和极限应变)已知的情况下,基于高温折减公式计算某一温度下的五个力学参数,进而评估试验应力-应变曲线与预测曲线之间的相关性。这种预测方法表明预测曲线与试验曲线具有明显的一致性,说明基于折减因子所建立的高温材料模型具有准确的预测精度。因此,联合不锈钢螺栓的高温折减公式,基于常温下的五个力学参数就可以准确预测其在某一温度下的应力-应变曲线。

基于应变补偿的SA508-3钢本构模型修正

在Gleeble1500D热模拟试验机上开展了SA508-3钢的热压缩试验,研究了该材料的热变形行为。试验参数为温度800~1200℃,应变速率0.001~1 s^(-1),变形量45%。根据应力-应变曲线数据,采用应变补偿法建立了SA508-3钢的修正本构模型。该模型是在综合考虑变形温度、应变速率对流变应力影响的Arrhenius本构模型基础上,引入应变对模型中各参数的影响得到的。通过对比修正本构模型的应力预测值与试验真实值之间的相关系数R、平均相对误差AARE,得出R为0.996,AARE为4.89%,证明修正后的模型具有较高的精度。

碱矿渣再生混凝土单轴受压应力-应变关系研究

为获取碱矿渣再生混凝土(AASRAC)的力学性能参数,对18个混凝土试件进行单轴受压试验,分析再生骨料取代率对受压应力-应变全曲线的影响,并建立AASRAC单轴受压应力-应变曲线全曲线方程。研究结果表明,AASRAC试件均呈现明显脆性破坏特征,随着再生骨料取代率增大,混凝土峰值强度、弹性模量呈现先小幅增加后降低的趋势。由于碱性激发基体更为致密的孔隙结构以及再生骨料中未水化水泥颗粒在碱激发剂作用下的二次水化作用,当再生骨料取代率为75%时,AASRAC的抗压强度与未掺组强度基本相同。所建立的应力-应变关系方程的计算结果与试验结果吻合良好,该曲线方程能够较好地预测AASRAC在单轴受压荷载下的力学性能参数。

玄武岩机制砂混凝土应力-应变关系研究

以云南某隧道废弃玄武岩生产的机制砂为骨料,制备标准棱柱体和立方体试件分别进行单轴抗压试验,分析其受力变形及破坏特性,得到其单轴受压状态下的抗压强度和应力-应变全过程曲线,并结合过镇海模型建立应力-应变关系和模量计算方法,通过开展数值模拟研究验证该应力-应变关系的准确性。结果表明:由于机制砂棱角较为明显,故断裂面或裂缝均出现在骨料和水泥砂浆交界处,破坏时混凝土试件两侧边缘位移较大,出现剥落现象,即呈现X型破坏;与常规河砂混凝土相比,受压破坏时玄武岩机制砂混凝土裂缝较多;随着玄武岩机制砂混凝土强度的增大,其脆性也逐渐增大;玄武岩机制砂混凝土立方体抗压强度试验和轴心抗压强度换算系数建议取0.76;结合过镇海模型建立的玄武岩机制砂混凝土应力-应变关系计算方法能够较好地反映其受力变形特性;拟合值和数值模拟结果较为接近,误差较小,计算结果较为合理。

高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

加重微粒混凝土力学性能及应力-应变本构关系研究

针对模型试验用微粒混凝土未充分考虑质量密度相似条件的问题,提出了在基础配合比(大理石粉∶水泥∶重晶石砂∶水=1∶1∶16∶1.6)的基础上,用铁砂和铅丸等质量替代骨料(10%、20%、30%)的加重微粒混凝土配合比设计试验方案,研究其力学性能以及应力-应变本构关系。结果表明:各替代组表观密度均在3000 kg/m3以上,表观密度提升效果明显。两替代组的28 d抗压强度均低于11 MPa,弹性模量在1.11×10^(4)~1.72×10^(4)MPa之间,符合低抗压强度、低弹性模量的相似要求。两替代组的破坏形态以及应力应变全曲线形状与普通混凝土相似,并对比分析两替代组的峰值应力与峰值应变随替代组的变化规律。建立了适用加重微粒混凝土的分段式本构方程以及损伤本构方程,两种方程的预测结果与试验数据具有较好的一致性。试验结果满足模型试验的相似要求,并通过本构关系的研究有利于了解原型混凝土的力学性能与破坏机理,为相关试验人员提供参考和借鉴。

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。

铸态Mg-6Zn合金的半固态压缩变形行为及本构模型的建立

利用Gleeble-3500型热力模拟试验机对铸态Mg-6Zn合金在变形温度500,520,540℃,应变速率0.1,1,5 s^(-1)下进行半固态压缩试验,得到了真应力-真应变曲线;基于真应力和真应变试验数据及Arrhenius模型,建立该合金的半固态压缩本构模型,并进行试验验证。结果表明:Mg-6Zn合金的半固态压缩变形过程主要分为类弹性变形、应变硬化变形和流变黏塑性变形3个阶段;峰值应力随变形温度的升高或应变速率的减小而降低。利用建立的本构模型计算得到的真应力与试验结果之间的相关性很好,相关系数为0.947,平均相对误差为5.57%,说明该本构模型能够较准确地预测铸态Mg-6Zn合金的半固态压缩变形行为。

本构模型对黏性土侧向卸荷路径下应力-应变关系适用性研究

为研究侧向卸荷应力路径对黏性土应力-应变特性的影响,首先介绍了2种典型的修正邓肯-张模型和三参数模型,然后分析比较了这3种模型反映侧向卸荷应力路径条件下土体应力-应变特性的能力。即分别利用这3个模型模拟普通三轴侧向卸荷条件下的试验结果,得到相同条件下各种模型的应力-应变特性曲线。并与试验结果进行对比发现:3种模型均能在不同程度上反映侧向卸荷应力路径对黏性土应力-应变特性的影响,其中修正3的效果更明显一点,3种模型存在一定的联系,即参数值达到特定的情况时3种模型退化成为同一模型。

箍筋约束再生混凝土受压应力-应变本构关系模型

为获得箍筋约束再生混凝土受压应力-应变关系曲线,对17个足尺再生混凝土圆形截面柱进行轴心受压试验,再生粗骨料取代率为50%,加载应变率为(10-6~10-4)/s,主要变化参数为纵筋配筋率和箍筋约束水平。结果表明:箍筋约束再生混凝土的初始弹性模量主要与棱柱体抗压强度有关,棱柱体抗压强度越高,初始弹性模量越大;峰值应力在箍筋侧向约束下显著增大,提高幅度为侧向压应力的4.17~8.77倍,当箍筋提供的侧向压应力较小时,峰值应力增大程度较大,当箍筋提供的侧向压应力较大时,峰值应力增大程度较小;峰值应变随配箍水平增大呈增大趋势。基于试验数据,提出了箍筋约束再生混凝土受压本构关系模型,上升段与Mander模型一致,下降段中引入曲线形状参数,以调整曲线陡峭程度,结果表明,所提出的约束本构关系模型与试验曲线吻合良好,可较好地反映再生混凝土下降段较为陡峭的特点。

K_(0)固结珊瑚砂的应力-应变模型及变形参数研究

珊瑚砂作为岛礁吹填地基的填料,在填筑期的应力路径具有K_(0)固结的特点。利用三轴试验系统对不同初始相对密度的珊瑚砂进行了一系列的K_(0)固结试验,研究了珊瑚砂的应力–应变特性,测试了珊瑚砂的K_(0)系数和颗粒破碎率。基于广义虎克定律,建立了幂函数形式的非线性弹性模型来描述K_(0)固结珊瑚砂的应力–应变关系,提出了变形参数的函数表达式,并将模型计算结果与试验曲线进行了对比。结果表明:K_(0)固结珊瑚砂的应力-应变关系可用幂函数表示。随着轴向有效应力的增加,K_(0)减小,颗粒破碎率增大。在相同的轴向有效应力条件下,珊瑚砂的初始相对密度越小,K_(0)越大,颗粒破碎率越高。在K_(0)状态下,随着轴向有效应力的增加,珊瑚砂的切线模量增加,切线泊松比减小。珊瑚砂的初始相对密度越大,相同轴向有效应力下的切线模量越大,切线泊松比越小。幂函数模型合理地预测了一定应力范围内K_(0)固结珊瑚砂的应力–应变关系,模型及变形参数反映了K_(0)固结的应力路径对应力–应变关系的影响。