高铁防水封闭层沥青混凝土冻融损伤演化模型

为研究高速铁路防水封闭层用沥青混凝土(简称铁路沥青混凝土)的冻融损伤演化,制备了选用不同沥青和不同目标级配的4种聚合物复合改性铁路沥青混凝土,分析重复冻融循环作用下多温域宏观力学性能的劣化规律.构建针对冻融损伤演化模型,并对反复冻融循环作用下的损伤度进行计算.研究发现:4种铁路沥青混凝土在10次冻融循环作用后,各项力学性能指标的残留率均在80%以上;低温断裂能指标对冻融循环次数的增加最为敏感,更能及时反映铁路沥青混凝土的力学性能劣化;基于统计可靠度理论构建的铁路沥青混凝土冻融损伤演化模型的拟合优度值均接近0.99.

混凝土重力坝结构损伤机理及演化规律研究

混凝土重力坝作为水利工程的主要坝型,其结构损伤机理及演化规律研究对确保大坝安全性和稳定性具有重要意义。针对混凝土重力坝在承载作用下可能面临的温度应力损伤、收缩徐变损伤和疲劳损伤等问题,采用理论分析、实验研究和数值模拟等方法,对混凝土重力坝结构损伤机理进行了深入研究。基于损伤力学理论,明确了损伤状态变量,提出了各项异性弹性受损材料的本构模型,分析了混凝土材料的微观损伤机理和性能特点,揭示了混凝土重力坝在不同损伤阶段下的应力应变变化规律。

基于黏弹性损伤模型的水工混凝土破坏过程能量演化特征研究

为研究北江支流连江英德水利枢纽水工混凝土力学特征,采用室内试验方法开展了混凝土力学试验,并结合黏弹性损伤模型进行混凝土加载破坏过程能量演化特征分析。试验结果表明,温度与混凝土承载能力具有正相关,但增长效应在减弱,同时混凝土脆弹性变形能力在增强。研究得到应变速率与混凝土承载能力也为正相关,当应变速率增大1个量级,则峰值应力可提高84.3%,同时混凝土变形破坏作用由延塑性演变至脆弹性。基于损伤模型能量特征计算,获得弹性应变能、耗散能均与温度、应变速率为正相关关系;弹性应变能随温度热作用影响在100℃后减弱,而随应变速率影响节点较峰值应力提前;应变速率愈大,耗散能在屈服变形破坏段更大。研究成果可为探讨水工混凝土力学影响特征及能量演化特征提供参考。

国产C30混凝土考虑率型微损伤演化的改进Johnson-Cook强度模型

采用Instron1342液压伺服试验机和改进的SHPB技术对国产C30混凝土进行了应变率在一定宽广范围的一维应力下力学性能试验,采用Johnson-Cook强度模型的框架,确定适用于大变形、高应变率及高压下混凝土数值计算的等效强度模型的率相关参数及其他材料常数。由对C30混凝土的大量试验表明,混凝土损伤演化是同时依赖于应变与应变率的率相关过程,提出适用于工程应用的率型损伤演化律来描述C30混凝土的损伤演化过程,并确定了损伤演化常数。由于材料参数小于1,对应于材料的冲击韧化的过程,与国产C30混凝土动态试验结果相吻合。

碾压混凝土的动态力学特性分析及损伤演化本构模型建立

为了深入认识碾压混凝土的动态力学特性,参考实际水工混凝土大坝工程制备试样,借助改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置测定碾压混凝土的动态性能,得到不同级配碾压混凝土试样在动态冲击荷载下(应变率为25～80s-1)的应力-应变曲线,分析其强度和变形特性、破坏形态和吸能特性,并建立基于Weibull分布的损伤演化本构模型。研究结果表明:碾压混凝土强度较低,加载过程中应力发展不充分,其应力-应变曲线呈现1个明显的平台阶段;碾压混凝土的峰值应力、峰值应变、单位体积吸能率均随加载应变率的提高而增大,并满足二次多项式关系;建立的统计损伤演化模型可以有效地描述碾压混凝土在动态冲击荷载下的力学行为,理论结果与实验结果吻合较好。

基于再生骨料方位的模型再生混凝土损伤演化分析

制作了正方形模型骨料以及不同放置方位情况下模型再生混凝土,试验研究其受压破坏过程中裂缝发生、发展规律,并利用数字图像相关技术和有限元模拟相结合的方法分析应变分布与发展情况,总结归纳再生骨料方位对再生混凝土损伤演化规律的影响。研究结果显示,骨料水平方向放置时应变集中现象首先出现在骨料两侧的界面区;当骨料放置为22.5°时,试件强度和割线模量均高于其他两种情况,应变集中首先在骨料上下两顶点处孕育并向骨料两侧界面区发展成裂缝;当骨料放置为45°时,骨料上下两顶点处应变集中程度最高。在荷载达到80%峰值荷载之前,模型再生混凝土的应变集中程度相对模型普通混凝土要小,对于3种骨料放置方位,分别小15%、32%和39%,这是因为老砂浆的弹性模量介于天然骨料和新砂浆之间,所以削弱了应变集中程度。根据再生骨料放置方位对其损伤演化规律影响的研究,证明可采用去除骨料尖端和减少针片状骨料含量的方法对再生骨料进行优化改性。

三轴加卸载下混凝土损伤特性及抗渗性能研究

地下跨江隧道混凝土衬砌在其服役期间会承受车辆等循环荷载的作用,导致混凝土衬砌产生不同程度的力学损伤,从而弱化了混凝土衬砌的抗渗性能。为此,针对高性能混凝土开展了三轴循环加卸载试验,研究了三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土变形及力学特性、力学损伤特性及抗渗性能演化规律及机制。研究结果表明:①循环加卸载引起的混凝土力学损伤随循环次数的增加而逐渐增大,并与塑性应变呈现出良好的指数形式演化关系。②循环加卸载下混凝土渗透率演化规律可分为稳定期、迅速增长期、缓慢变化期3个阶段,其中,围压水平对渗透率演化的第一阶段和第三阶段有明显的影响。③Logistic经验模型可以很好地描述混凝土渗透率与力学损伤之间呈现出的3阶段演化规律。研究结果有助于了解三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土抗渗性能及力学损伤演化机制,同时可为确定不同应力水平下混凝土结构物力学损伤及抗渗性能提供参考。

低周反复荷载下再生混凝土柱损伤演化模型研究

通过对现有的两种混凝土损伤评估模型的分析,本文以刚度退化和累积滞回耗能两个指标来描述在低周反复荷载下再生混凝土的损伤累积过程,提出了一种适用于再生混凝土柱的双参数地震损伤模型.通过24组文献数据拟合出模型参数的合理值与耗能因子β同再生混凝土多因素之间关系的表达式.同时对再生混凝土柱的损伤量化标准进行了细分.最后将本文提出的损伤模型同另外两种模型作了比较.对比表明,本文所提出的损伤模型计算出来的损伤值标准差较小,离散性较低,能够更好地反映再生混凝土柱的累积损伤过程.

基于Najar能量法的混凝土分形损伤本构模型研究

混凝土损伤模型的研究,实质上是研究损伤变量对混凝土材料本构关系的影响。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤的发展,最终将产生宏观裂缝直至破坏。在混凝土损伤破坏过程中,"凹凸无序"的断裂面和"杂乱无章"的裂缝是对混凝土宏观力学性能离散化、非线性、随机性的最直接的体现和表征。基于断裂面和裂缝的分形特性,得到了分形应力、分形应变的基本概念,使之能更为准确地描述混凝土的宏观力学性能。通过Najar能量损伤理论,利用分形应力与表观应力、多重分形应变与表观应变之间的关系,推导得出了混凝土分形损伤本构模型,重新定义了Weibull概率分布的混凝土损伤扩展规律,得到了基于压缩变形分形特性的损伤演化方程。

基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型

为了准确地模拟混凝土材料的力学性能,从有效应力的角度出发,基于连续损伤力学基本原理,根据混凝土的应力-应变关系曲线(以改进的Saenz曲线为例),推导出混凝土受压损伤演化方程,建立基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型,并且开发进入ABAQUS中;通过数值模拟与试验结果对比分析,结果表明该本构模型可很好地描述混凝土的塑性变形、刚度退化的力学行为;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验进行模拟,结果表明该模型可较好地模拟地震作用下钢筋混凝土桥墩的损伤演化过程,因此该方法建立的混凝土弹塑性损伤本构模型具有工程应用意义.

高强高性能混凝土损伤的细观数值演化

在细观层次上,混凝土可以被看作由水泥基、分散粒子和界面过渡层组成的三相复合材料。首先,基于骨料分布和形态的随机特性,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形骨料分布,提出圆形骨料模型中以圆骨料的面积为控制参数,以圆内接多边形为基架的凸多边形随机骨料算法。进而以C80高强高性能混凝土为例,对数值试样进行单轴受压的数值模拟,得到相应的应力-应变曲线和损伤演化图。数值模拟结果与物理试验结果对比表明本文提出的数值模型合理可行。

沙漠砂混凝土声发射损伤特性与损伤模型

声发射技术在混凝土材料损伤演化的描述中得到了广泛应用,并取得了较好的效果.为探索沙漠砂混凝土在单轴受压下内部损伤特征与损伤模型,采用声发射技术对不同沙漠砂掺量下沙漠砂混凝土轴心受压全过程进行实时检测,建立不同掺量下的沙漠砂混凝土应力-应变曲线,依据沙漠砂混凝土轴心受压过程中声发射参数(累积振铃计数、累积释放能量),建立沙漠砂混凝土损伤演化模型.结果表明:相较于普通混凝土,沙漠砂混凝土脆性特征明显;当沙漠砂掺量为20%时,其骨架体系最为密实的内部损伤程度较小,且优于普通混凝土;依据声发射参数累积振铃计数与沙漠砂混凝土应力关系推导出的损伤演化模型,能较好反映沙漠砂混凝土在轴心受压过程中的损伤演变规律.

基于Weibull分布的冻融循环下纤维混凝土损伤模型

对聚丙烯纤维混凝土(PFRC)、钢纤维混凝土(SFRC)、普通混凝土(PC)进行冻融循环试验,经过冻融循环后,得到PFRC、SFRC、PC的相对动弹性模量、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度,分析冻融循环过程中PFRC、SFRC、PC的冻融损伤率、强度衰减率的演化规律和冻融损伤机理,提出基于Weibull分布的纤维混凝土冻融损伤演化模型,并与推导出的力学性能衰减模型联立得到PFRC、SFRC、PC的相对抗压强度、相对抗拉强度与冻融损伤度的演化模型。结果表明,纤维的掺入能有效减小混凝土的强度衰减和冻融损伤,基于Weibull分布建立的两种冻融损伤模型,可以分别通过冻融循环次数、相对强度预测PFRC、SFRC、PC的冻融损伤度。

方钢管混凝土柱-不等高钢梁框架节点地震损伤演化过程分析

为研究方钢管混凝土柱-不等高钢梁框架节点在地震作用下的损伤演化过程,基于4个方钢管混凝土柱-不等高钢梁框架节点的抗震性能试验,运用有限元分析软件ABAQUS对梁柱节点进行了数值分析,并选取了适用于此类异型节点的双参数地震损伤模型。通过有限元结果和损伤模型分析了不等高钢梁框架节点在低周反复荷载作用下的损伤发展过程。结果表明:所选取的损伤模型能更好地反映节点从"基本完好"到"完全破坏"的损伤演化规律,且能够定量确定节点不同破坏程度的损伤限值;节点的地震损伤主要集中在高梁上下翼缘螺栓连接处,并随着加载循环次数的增加,损伤累积不断加大,最终破坏模式为高梁端塑性铰破坏。研究结论为该类节点基于损伤的抗震设计方法以及地震损伤评估提供了理论依据。

侵蚀损伤与高温耦合作用下改性煤矸石混凝土的损伤劣化规律

分别研究冻融侵蚀损伤及硫酸盐侵蚀损伤的改性煤矸石混凝土在200、400、600、800℃高温前后的损伤劣化规律,并从质量损失率、劈裂抗拉强度损失率及抗压强度损失率方面进行探讨分析。结果表明:钢纤维和矿物掺合料的加入显著提高了煤矸石混凝土在侵蚀损伤-高温耦合作用后的力学性能,其中粉煤灰-矿粉-钢纤维三者复合作用效果最优。建立了以抗压强度损失率为损伤变量的侵蚀损伤-高温耦合劣化模型,可以较好地表征冻融侵蚀-高温耦合及硫酸盐侵蚀-高温耦合下的改性煤矸石混凝土的损伤劣化规律。

基于混凝土应力-应变关系的正交各向异性损伤模型及其应用

基于混凝土规范推荐的单轴应力应变关系曲线,结合损伤力学,推导了损伤演化方程。结合混凝土材料的五参数破坏准则,采用等效单轴方法可将单轴损伤演化方程推广为三维情况,建立计算模型,最后,采用APDL语言实现了程序化。通过对多种条件下混凝土试块的数值计算,得到了与试验比较一致的结果。对溪洛渡高拱坝进行计算的结果很合理。由于模型所需的计算参数少,同时又能比较准确地反映混凝土材料的损伤程度,因此便于工程应用。

基于疲劳损伤模型的钢筋混凝土梁疲劳可靠度分析

文章基于具有物理机制的混凝土疲劳损伤演化模型,根据物理随机系统的基本观点,确立混凝土随机疲劳损伤本构模型的基本随机参数;通过统计识别1批混凝土单轴受拉和受压疲劳试验数据,给出基本随机参数的概率分布,从而建立完整的混凝土疲劳损伤本构关系;将混凝土疲劳损伤本构关系与钢筋疲劳损伤本构关系相结合,通过设定受压区混凝土损伤破坏阈值,引入吸收边界条件与概率密度演化理论,评估预应力混凝土梁的疲劳可靠度,从而初步建立混凝土疲劳问题的精细化可靠度分析框架。

损伤跨尺度演化导致的混凝土强度尺寸效应

基于直接从混凝土破坏机理出发建立的混凝土材料微裂纹模型,对不同尺寸的混凝土三点弯梁试样进行了多尺度建模,对损伤演化导致的试样破坏进行了数值仿真分析,探讨了混凝土尺寸效应的发生机理.研究结果表明:混凝土材料微裂纹模型能成功模拟混凝土中微裂纹分布式生长、聚合、宏观裂纹形成与扩展、试样破坏的全过程;随着混凝土梁试样尺寸的增大,试样中的微裂纹数目及其分布的随机性也随之增加;这些裂纹在微细观尺度上的无序效应在损伤跨尺度演化过程中被放大,导致混凝土试样的宏观力学行为随之变化,即强度减小,断裂能增大,宏观性能的离散度减小;损伤跨尺度的非线性串级发展是导致混凝土强度尺寸效应的根源;相较于Bazant尺寸效应,模拟结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律.

锂渣再生混凝土声发射特性与损伤模型

为研究锂渣再生混凝土的动态损伤特性,基于声发射技术,对掺有不同再生粗骨料和锂渣的混凝土进行了单轴抗压试验。依据试验中获取的力学特征曲线、声发射能量数、声发射累计事件数等参数,建立混凝土的损伤演化模型,揭示损伤材料与声发射参数之间的关系。研究结果表明:再生粗骨料和锂渣作为混凝土集料是可行的,当再生粗骨料取代率为30%时,其力学性能及声发射效果较好。锂渣水化产生的胶凝物质能够有效地密实混凝土内部的孔隙结构,但锂渣掺量大于20%时,其自身的缺陷导致优势减弱。依据声发射累计事件数与应力的关系,推导出损伤演化模型,能较好地反映材料在单轴受压过程中的损伤演变规律。

水中爆炸作用下混凝土重力坝损伤研究

近一个世纪以来,大坝安全逐渐受到各界关注。大坝在极端荷载作用下的动力响应与损伤演化研究是大坝安全问题的基础,近几十年来,学者们对大坝在地震荷载作用下的响应多有研究,但对于爆炸等小概率荷载,试验与理论等方面的研究还有较大的完善空间。以50 m高混凝土重力坝为原型进行1∶20缩比,设计了2.5 m高混凝土重力坝水中爆炸模型试验,分析了试验中水中压力与坝体的加速度响应,讨论了坝前水中爆炸的压力特征与坝体动力响应,并以坝体损伤试验为例建立水中爆炸作用下混凝土重力坝损伤的数值模型,对坝体损伤演化进行了分析。通过对试验与数值模型计算结果分析:发现水中爆炸作用下坝体的动力响应主要由冲击波作用引起,气泡脉动对坝体的加速度响应作用几乎可以忽略不计,且水中爆炸作用下,目标坝体的加速度响应峰值明显大于相邻坝段,坝段之间分缝对相邻坝体的保护作用明显。