混凝土断裂能尺寸效应的细观方法

本文提出了混凝土断裂能尺寸效应的细观方法 .首先 ,根据混凝土细观结构的边界效应确定主宏观裂缝的分形维数 ,发现此分形维数随着离边界距离的不同而变化 .为了计算这一变分形维数主宏观裂缝的长度 ,通过延伸分形曲线长度的定义 ,提出了分形长度与欧几里得长度的微分关系 .其次 ,应用能量等价原理 ,将混凝土名义断裂能表示成分形断裂能、分形维数、细观结构参数和混凝土试件尺寸的函数 .进一步的理论分析表明该名义断裂能的基本力学特征与混凝土宏观实验现象一致 .最后 ,本文的理论预测与一些混凝土实验结果进行了比较 ,证实了该方法的有效性 .

非饱和混凝土宏观力学特性及细观分析方法研究综述

非饱和混凝土宏观力学参数对港工混凝土结构设计至关重要。文章对非饱和混凝土宏观力学特性的试验研究、细观力学分析理论及细观力学有限元法的研究现状进行了综述。总结了目前针对非饱和混凝土宏观力学特性的试验研究成果以及现有的混凝土细观力学分析理论和细观力学有限元方法的特征及适用性,阐述了影响非饱和混凝土宏观力学特性的影响因素,基于此对非饱和混凝土宏观力学特性在力学试验、细观分析理论及细观力学有限元法方面的发展趋势及需要解决的问题进行了总结与展望。

弯-剪-扭复合受力CFRP布加固RC梁抗扭性能细观数值分析

为了研究弯-剪-扭复合受力条件下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗扭性能,建立体现混凝土材料非均质性、钢筋-混凝土黏结滑移关系和CFRP布-混凝土相互作用关系的细观数值分析模型。由于缺乏CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下失效破坏的典型物理试验,采用复合对比验证法对数值模型的合理性进行验证,即分别与单独受剪、单独受扭以及受弯-扭复合作用下RC梁和CFRP布加固RC梁的试验结果进行对比验证。进而,基于建立的细观数值分析模型探究了配纤率和扭弯比对CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下抗扭力学性能的影响。结果表明:1)采用CFRP布加固能够显著提高RC梁的峰值扭矩;2)随配纤率增加,RC梁损伤分布范围逐渐变大,CFRP布应变逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,但其增大幅度减小;3)随扭弯比增加,RC梁裂缝分布愈加集中,裂缝与水平方向夹角逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,CFRP布应变减小。建立的考虑弯-剪-扭复合受力作用的数值模拟方法可为后续研究复杂应力状态下CFRP布加固RC梁尺寸效应行为等奠定基础。

基于多尺度细观力学方法计算水泥基材料的导热系数

基于Eshelby等效夹杂理论和水泥基材料微观结构多尺度特征,从细观力学的角度,研究了水泥基复合材料的热力学性能,推导出了水泥基复合材料的导热系数细观力学一般表达式.借助Mori-Tanaka均质化方法,计算了不同化学组分、水灰比和养护龄期的水泥基复合材料导热系数,并研究了孔隙饱和度的影响.将研究结果与参考文献中的测量值进行综合对比后发现,基于多尺度细观力学的计算方法适用于不同饱和度水泥基复合材料导热系数的评估和计算;所得结果可进一步用于不同原材料和养护条件下水泥基复合材料导热系数及其他热力学参数的精确计算.

压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟

将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变,来研究其对混凝土中氯离子扩散特性的影响,提出了压缩荷载作用下非均质混凝土氯离子扩散行为的细观模型.首先对混凝土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析;然后,将荷载作用后的"结果输出"作为氯离子扩散模拟的"初始输入"条件,以单轴压缩荷载为例,将混凝土看作由骨料、水泥浆体基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土在力学与物理耦合作用下的细观模型,研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响,得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式,揭示了压缩应力水平的影响规律.

砂土宏观力学特性与细观结构的相关性试验研究

通过无标点变形量测系统分析桩周土变形场,确定剪切破坏区和显微细观观测点.应用MiVnt系统分析加荷过程中土细观参数变化,细观参数(1+e)/e3、颗粒偏心度与基础位移的相关性最强;随荷载增大,1#,2#点孔隙比下降呈负相关关系,引起剪缩特征,3#点呈正相关关系而剪胀应力松弛;1,2,3#点颗粒定向性均增高呈正相关性,表明颗粒分布有序性减弱,土体具有非稳定性的承载形式.

中低围压下细观非均匀性岩石本构关系研究

研究了中低围压条件下细观非均匀性岩石的变形局部化问题和全过程应力应变关系。研究表明,全过程应力应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的重要区别。通过和实验对比分析验证了模型的正确性和有效性。

基于细观数值试验的非饱和土石混合体力学特性研究

从土石混合体细观结构出发,融合细观结构模型生成技术、主-从接触面模型及非饱和土渗流与强度理论,建立非饱和土石混合体的细观数值模拟方法。通过与非饱和土石混合体室内试验结果进行对比,验证所建立的细观数值模拟方法的可行性和合理性。利用该细观模拟方法,分析土-石界面接触特性、含石量及饱和度等因素对非饱和土石混合体力学特性与破坏机制的影响。结果表明:(1)非饱和土石混合体在低围压下表现出明显的剪胀性,且受含石量和饱和度影响显著;在较高围压下基本上表现为剪缩变形,随含石量的增大其剪缩变形减小,饱和度对剪缩性的影响较小。(2)土石混合体的峰值强度和变形模量随土-石界面摩擦因数的增大呈非线性增长,在界面摩擦因数大于0.6以后,两者基本趋于稳定值。(3)含石量越大,非饱和土石混合体的峰值强度和变形模量越大,应变硬化特征更为显著,在含石量增加到58%后峰值强度和变形模量趋于稳定值。在低围压下剪胀变形随含石量的增加而增大;在较高围压时,剪缩变形随含石量的增大而减小。(4)饱和度越大,基质吸力越小,非饱和土石混合体的峰值强度越低,但变形模量变化不大。

沥青混凝土细观结构特性基因组研究综述

沥青混凝土材料的细观结构基因组研究是沥青路面服役性能描述及耐久性提升的关键。首先,调研现阶段主流的沥青混凝土细观结构特征的探测方法,对比分析CCD数字图像技术、X-ray CT无损检测技术以及3D激光扫描技术在沥青混凝土材料细观结构特征提取中的适用性和局限性;其次,从骨料和空隙两个方面对现阶段沥青混凝土细观结构特性的研究进行详细介绍,汇总分析材料细观结构特征的表征方法;最后,指明沥青混凝土的细观基因特性,并阐述现阶段材料细观基因组研究的不足以及研究前景。

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。

卵石倾角对砂卵石地层隧道开挖影响的细观力学研究

在实际工程中,椭圆形或亚圆形的卵石以不同角度在地层中层状分布。针对卵石倾角对砂卵石地层施工力学行为的影响,将地层材料视为由卵石和土体基质组成的混合材料,建立砂卵石地层二维细观有限元模型,开展不同卵石倾角下的隧道开挖数值计算。通过围岩应力模拟值和理论值的对比,对细观分析模型的适用性进行了验证。在此基础上,从围岩应力和围岩变形两个角度,对不同倾角下的隧道开挖围岩反应进行了分析。结果表明:当卵石倾角从0°增大至90°时,围岩塑性区的形态和范围均发生变化,且拱腰处的围岩竖向应力不断增大。在给定的计算条件下,地表沉降最大值以每10°相对增幅5.17%的速度线性增加,地表沉降槽宽度系数呈现出先增加后减小的趋势,在卵石倾角为30°时取得最大值;地中沉降最大值和地中沉降槽宽度系数随深度的变化关系均可以采用幂函数形式的公式进行描述。

块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究

作为一种非均质材料,土石混合体的宏观力学性能与其内部块石细观结构密切相关。在外荷载作用下,土石混合体中存在块石骨架结构和非结构性土体两种荷载传递体系。该文从荷载传递路径和剪切路径发展两个角度,对块石的结构效应进行了分析,明确了块石长轴倾角这一细观因素对土石混合体抗剪强度的影响机理。将土石混合体视为由块石和土体基质组成的两相复合材料,采用椭圆形描述块石,建立土石混合体细观分析模型,并开展了300组双轴压缩试验。进而从主应力差值、内摩擦角及黏聚力三个角度,针对块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响规律进行了分析。结果表明:当块石长轴倾角在0°~90°变化时,土石混合体的主应力差值及强度参数均呈现出先减小后增大的趋势;当块石长轴倾角为45°+φs/2时,主应力差值及强度参数均取得最小值;主应力差值及强度参数随块石长轴倾角的变化规律均可采用抛物线方程描述。

基于细观力学方法的混杂纤维复合材料抗拉强度预测模型

基于含夹杂的弹性体内部应变场积分方程,推导了三相复合材料中夹杂的变形协调张量。与传统的Mori-Tanaka方法(M-T方法)相比,此变形协调张量从细观力学角度考虑了复合材料夹杂的分布特征和相互作用,得到了预测复合材料有效弹性性能的修正M-T法,再结合两步均匀化模型得到预测混杂纤维复合材料有效性能的方法。采用损伤力学理论,建立了混杂纤维复合材料拉伸强度的预测模型。采用该方法对文献中椰壳纤维/玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料有效弹性性能和抗拉强度进行预测,并将预测结果与现有文献的试验值进行对比。结果表明:修正M-T方法较传统M-T具有更好的预测能力,其预测结果和试验值的误差基本保持在10.485%以内。用该方法定量分析了椰壳纤维和玻璃纤维掺量对混杂纤维复合材料有效弹性性能和拉伸强度的影响。混杂纤维复合材料有效弹性性能和抗拉强度随玻璃纤维的增大而增大。

混凝土单轴动态拉伸强度随机性的统计特性分析

混凝土拉伸破坏行为是混凝土试件及结构力学行为的重要组成部分,其与加载速率密切关联。针对混凝土材料静、动态拉伸强度的随机性和离散性,探讨了骨料分布形式的影响规律。从细观角度出发,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑各相材料动态加载下力学特性的应变率效应,建立了混凝土动态力学行为研究的细观尺度力学模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对5组不同应变率下64个具有不同骨料分布形式的混凝土试件的单轴动态拉伸力学行为进行了数值试验。基于概率统计分析理论,对不同应变率下混凝土动态抗拉强度的离散性进行了统计分析,包括均值、方差及分布形式等概率统计特性。研究表明:混凝土动态抗拉强度服从双参数Weibull分布;随着应变率的增大,混凝土抗拉强度离散性逐渐减小。

六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G13相对于材料体分比v、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G--A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性.结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果.此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.

冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析

根据 Carrol-Holt 假定,将脆性孔洞材料崩塌分析模型简化为中空的球体。采用基于细观动力学的三维离散元方法初步分析了不同孔洞率此模型的崩塌过程,并发现孔洞率控制材料的崩塌行为。考虑到脆性材料的内部缺陷主要为孔洞和裂纹,对总缺陷率为 10.5%,而孔洞和裂纹含量不同的情况进行分析,研究这 2 种缺陷在脆性材料崩塌中的作用。研究结果表明,裂纹的含量影响材料发生崩塌的临界荷载,材料在崩塌过程中的体积压缩主要源于孔洞。

砂土介质中土压力盒的力学响应特性

砂土介质是典型的颗粒物质,介质的有效应力和变形都与骨架上的颗粒特性直接相关,而颗粒性状的改变进而影响着测试过程中土压力盒的力学响应。但宏观力学理论和连续介质方法无法准确解释介质颗粒间的力学行为,为了对实际工程进行更准确的测试,基于细观分析方法研究了荷载作用下的砂土颗粒接触形成的力链网络,模拟了力传递过程,并分析了加卸载时的力-应变曲线和土压力盒力学响应与理想曲线的关系,验证了文章提出的砂土介质土压力盒力学响应数值模型。同时,基于建立的颗粒流数值模型研究加载模式、颗粒排列、颗粒间摩擦系数以及压力盒刚度等对压力盒测试的影响,其结果显示压力盒力学响应曲线具有明显的迟滞性和应变不可逆性,其监测值对上述因素很敏感。因此,研究力链结构及其演变规律为认识砂土介质的细观结构提供了科学的理论依据和新的研究手段,各因素对压力盒力学特性的影响研究对压力盒标定和获得更准确的土压力值具有重要的实践价值。

细观分析方法在混凝土物理/力学性质研究方面的应用

混凝土是典型的准脆性复合材料,其物理及力学性质取决于两种主要组成材料,即粗骨料和硬化水泥砂浆以及两者间的粘结作用。简言之,需要从其微/细观角度来把握混凝土材料的宏观物理及力学性质。本文阐述和讨论了细观尺度分析方法在混凝土静、动态力学性能及破坏机制,混凝土材料及钢筋混凝土构件层次的尺寸效应,以及氯盐环境下混凝土应力腐蚀行为(包括:氯离子传输行为及钢筋锈胀引发的保护层断裂破坏行为)数值研究方面的应用进展。最后对其未来发展的一些方向和有待进一步研究的问题作了总结。

纤维增强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室，沈阳 １１００１５摘 要 纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ简称ＴＭＦ）特性的研究在近年受到高度重视．本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍．对于热机械循环特性，主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型，以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型．对于热机械疲劳性能研究，结合横向性质导出两种热机械疲劳模型，然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响．

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。