黄煜镔[1]2002年在《混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相互关系的研究》文中指出力学参数的尺寸效应是混凝土材料的固有特征，不研究尺寸效应现象，就不能明确试验室的小尺寸试件的性能与真实试件性能的相关性，也就不能肯定这种性能改善是否真实反映材料的实际性能。另一方面，混凝土力学参数的尺寸效应与混凝土脆性有关，而高强化作为水泥混凝土材料的发展方向，与之相关的脆性问题越来越突出，因此导致尺寸效应现象更为显着。 本文通过混凝土强度及力学参数尺寸效应及其与脆性关系的研究，克服了长期以来对混凝土脆性认识的局限，为水泥混凝土材料的高强化提供参考，同时也有利于促进混凝土断裂力学的发展。深入探讨了混凝土脆性及脆性指标，分析了现有的强度尺寸效应理论及断裂参数尺寸效应现象，并通过试验确定了不同类型混凝土的强度尺寸效应以及与脆性的关系，研究了断裂参数的尺寸效应现象，确立了一种确定混凝土强度尺寸效应及脆性指标的简单方便的小尺寸试件研究方法，并据此由脆性与力学参数尺寸效应关系试验研究了影响混凝土脆性的各种因素。 通过对现有的强度尺寸效应理论及断裂参数尺寸效应的分析认为，强度尺寸效应与材料脆性有关，并且不同的理论都有不足之处，而且有特定的适用范围：混凝土断裂过程区的长度与宽度随试件尺寸的变化发生变化，可能引起断裂参数的尺寸效应；断裂能尺寸效应的另一主要原因在于断裂面附近的变形是非线性分布并且断裂能在断裂面内的分布也不均匀。 对混凝土脆性及脆性指标分析的结果表明，混凝土作为微观真脆性的材料，其脆性大小最终应归结为塑性区尺寸的大小；由于试件的尺寸显着影响混凝土的脆性行为，脆性指标必须不包含尺寸因素，即不随试件尺寸发生改变，现有的绝大多数脆性指标由于所含参数具有尺寸效应而不确切；可以Bazant尺寸效应曲线形式定性地反映脆性大小，定量可以交点d_0为脆性指标，d_0与塑性区尺寸成正比，d_0越大，脆性越小，d_0可在任何实验室采用以评定不同增韧措施的实际效果，简单可靠。 对高强、超高强、引气以及钢纤维混凝土，试验研究了切口与无切口试件的抗弯强度、抗压强度、劈拉强度随试件尺寸的变化情况，测定了P-δ、P-CMOD曲线以及断裂韧性、断裂能随试件尺寸的变化关系，确定了脆性与力学参数尺寸效应之间的关系，进一步明确了强度尺寸效应各种理论的适用范围，并结合各种理论，对试验结果所反映的规律进行解释。随混凝土强度提高，脆性增大，切口试件抗弯强度尺寸效应更为显着，无切口试件抗弯强度尺寸效应更快趋于缓和，抗压强度随试件尺寸增大也更快稳定，劈拉强度也表现出脆性越大尺寸效应现象越快减弱的特点。同时，断裂韧性与断裂能的尺寸效应具有相同的变化趋势。混凝土脆性越大，断裂 重庆大学博士学位论文韧性越快接近稳定。引气增大了混凝土的脆性，而钢纤维对混凝土的增强增韧作用，随强度提高、试件尺寸增大而减弱。 在理论分析的基础上，提出采用两种几何形状的小尺寸试件组合来确定强度尺寸效应的新方法，试验结果表明该方法有比较高的精度，反映的规律性很强，由于不需要采用大尺寸试件，该方法与标准方法相比，操作简单易行，并且在任何试验室、施工现场均易于实现，为确定混凝土真实性能提供了一种新途径。 试验研究了材料组成（包括水胶比、砂率、集料品种、胶凝材料组成等）以及龄期、养护制度对混凝土材料脆性及相关力学参数尺寸效应的影响，强调了采用高强高韧集料对混凝土增韧的特殊作用，由于本研究充分考虑到尺寸效应的影响，试验结果显示出不同的规律性，研究结果将为混凝土脆性改善以及相关力学性能的提高提供更为可靠的依据。
郭向勇[2]2005年在《高强混凝土脆性评价方法及其增韧措施的研究》文中研究说明混凝土的高强化具有一系列的优点,使得高强混凝土得到了广泛的应用,因此高强化是水泥混凝土材料的发展方向,但是混凝土是公认的准脆性材料,而当其结构尺度很大时则可认为是完全脆性材料,混凝土材料在破坏时表现为明显的脆性破坏。随着混凝土强度的提高,与之相关的脆性问题就越来越突出。为了实现真正意义上的混凝土高强化——工程中结构承载能力的高强化,就必须了解脆性破坏的原因。另一方面,混凝土脆性与混凝土强度的尺寸效应有关,不研究尺寸效应现象,就不能明确试验室的小尺寸试件的脆性与真实试件脆性的相关性,也就不能肯定脆性改善是否真实反映材料的实际性能。 (1) 本文通过混凝土脆性与强度尺寸效应关系的研究,克服了长期以来对混凝土脆性认识的局限,为水泥混凝土材料的高强化提供参考,同时也有利于促进混凝土断裂力学的发展。深入探讨了混凝土脆性及脆性指标,分析了现有的强度尺寸效应理论及断裂参数尺寸效应现象,并通过试验确定了混凝土脆性与不同类型混凝土的强度尺寸效应的关系;研究了断裂参数的尺寸效应现象,并由脆性与强度尺寸效应关系试验研究了影响高强混凝土脆性的各种因素;研究了高强混凝土的增韧减脆措施,重点研究了骨料在高强混凝土中的增韧机理;通过对混凝土断裂能测试方法的试验对比研究认为,楔入劈拉试件值得推广。 (2) 对混凝土脆性指标及评价方法分析的结果表明,混凝土作为微观真脆性的材料,其脆性大小最终应归结为塑性区尺寸的大小;由于试件的尺寸显着影响材料的脆性行为,脆性指标不应包含尺寸因素,即不随试件尺寸发生改变,现有的绝大多数脆性指标由于所含参数具有尺寸效应而不确切;以Bazant尺寸效应曲线形式定性的反映脆性大小,定量可以曲线上交点η为脆性指标,η与塑性区尺寸成正比,η越大,脆性越小,因此,作为明确的定量化的脆性指标,η可在任何实验室采用以评定不同增韧措施的实际效果,简单可靠。 (3) 通过对现有混凝土脆性指标和评价方法进行比较和系统地分析认为:混凝土材料的脆性与混凝土强度尺寸效应有关,并且不同的理论都有不足之处,应该有特定的适用范围;断裂能是材料脆性断裂的基本性能参数,而断裂能与断裂过程区特征紧
李冬[3]2016年在《混凝土及钢筋混凝土柱尺寸效应分析》文中进行了进一步梳理随着建筑结构尺寸不断变大,混凝土材料及钢筋混凝土构件尺寸效应已成为当今热点问题。尺寸效应,是指随着结构尺寸的增大,以强度为代表的力学性能指标不再为常数。目前,对混凝土结构尺寸效应问题的研究主要归结于两个重要研究方向,即1)混凝土材料层次尺寸效应,以及2)钢筋混凝土构件层次尺寸效应。混凝土材料层次尺寸效应实际上是一个复杂的材料科学问题,主要受到骨料粒径、骨料分布、混凝土强度等级、初始缺陷等因素的影响;钢筋混凝土构件层次尺寸效应,实际上是一个结构力学问题,主要受到1)混凝土材料本身的非均质性及力学非线性,以及2)钢筋/混凝土相互作用的高度复杂性这两方面的影响,两者共同导致了钢筋混凝土构件层次的尺寸效应行为。本文从理论分析角度入手,总结了有关混凝土结构尺寸效应的试验研究成果,并结合有限元分析及数值模拟手段开展了钢筋混凝土构件尺寸效应的数值试验,主要研究内容概括如下:一、混凝土材料尺寸效应理论分析混凝土结构的尺寸效应行为受到诸多因素影响,如材料强度随机性、混凝土断裂破坏行为、裂缝扩展的分形特性以及边界效应等。各类影响因素在不同条件下对混凝土结构尺寸效应行为的影响程度也不同,如何在断裂力学尺寸效应理论框架基础上,结合材料强度随机性以及裂缝分形特性等因素,建立适用于全尺寸的混凝土全局尺寸效应律是本文研究的第一个目标。首先,对混凝土力学基本理论进行了分析与探讨,分别介绍了混凝土断裂力学理论和混凝土损伤力学理论的基本原理,在此基础上结合这两类理论的优缺点对其进行了评述,并提出了细观尺度混凝土损伤-断裂力学分析的基本观点;其次,从细观角度对混凝土材料的断裂破坏过程进行了模拟与分析,分别对混凝土单轴拉压和双轴压缩特性进行了数值研究,从混凝土断裂破坏模式、裂缝扩展行为等方面对混凝土材料的尺寸效应行为建立了宏观认识;进而,基于对混凝土材料失效模式、影响因素等方面的认识,探讨了骨料级配对混凝土宏观力学性能的影响,建立了裂缝扩展路径长度以及混凝土强度随骨料级配变化的理论公式,针对高应变率下混凝土断裂破坏过程中裂缝穿越骨料的现象,则从细观层次建立了用于裂缝尖端应力分析的虚拟应力模型,并基于建立的虚拟应力模型对混凝土材料的细观破坏行为进行了分析;最后,根据混凝土材料内部初始缺陷的统计分布规律,基于混凝土损伤力学和断裂力学理论的基本框架,尝试推导了应用于全尺寸的混凝土损伤-断裂全局尺寸效应律公式。二、钢筋混凝土构件尺寸效应试验及数值研究本文另一研究目标在于,基于试验和数值研究成果,对更大尺寸钢筋混凝土构件的尺寸效应行为进行深入分析,为建立钢筋混凝土构件层次的尺寸效应理论奠定基础。针对目前钢筋混凝土构件的尺寸效应试验研究主要集中在小尺寸的缩尺模型试验的现状,开展了大尺寸钢筋混凝土构件的尺寸效应试验研究。本文以钢筋混凝土柱为例,对影响钢筋混凝土构件层次尺寸效应的影响因素进行了系统分析,在更大尺寸范围内对钢筋混凝土构件的尺寸效应行为进行了探讨。首先,对普通强度钢筋混凝土柱尺寸效应的影响因素进行了分析,包括长细比、纵筋配筋率、配箍率、混凝土强度等级以及荷载偏心率等;其次,对高强钢筋混凝土柱的尺寸效应行为进行了分析,主要探讨了箍筋约束作用和加载模式对高强钢筋混凝土柱尺寸效应行为的影响。此外,为了更好的了解其他因素对大尺寸钢筋混凝土构件尺寸效应行为的影响,在试验研究成果的基础上,采用数值试验方法对钢筋混凝土构件层次的尺寸效应行为也进行了探讨。首先,建立了钢筋混凝土柱的2D细观力学分析模型,对其在轴心受压和偏心受压加载下的尺寸效应行为进行了数值研究;进而,又建立了钢筋混凝土柱的3D细观力学分析模型,探讨了长细比效应对钢筋混凝土柱受力力学性能的影响。
金浏[4]2014年在《细观混凝土分析模型与方法研究》文中研究表明混凝土结构是工程建设中应用极为广泛的一类结构，其中混凝土材料是主要的组成部分，因此混凝土结构的安全性与工作性能与之密切关联。混凝土材料的物理力学特性相对于钢材而言更为复杂，迄今仍然有许多问题悬而未决，故而是混凝土结构研究的重中之重。混凝土是一种典型的复合材料，其物理及力学特性取决于两种主要组成材料，即粗骨料和硬化水泥砂浆的成分、性质、配比以及两者间的粘结作用。换句话说，需要从其微/细观角度来把握混凝土材料的宏观物理力学性质。本文工作就是从细观角度出发，研究混凝土静、动态力学特性，以及混凝土中氯离子扩散诱发应力锈蚀的物理行为。主要内容简要概括如下：一、细观单元等效化方法及其应用。本质上来说，混凝土宏观非线性力学行为及尺寸效应源于其细观非均质性。鉴于此，为反映混凝土材料非均质性的这个本质特征，本文依据概率统计学理论，以单元材料弹性模量的变异系数作为材料非均匀性量度指标，提出了一种具有高计算效率的细观单元等效化分析模型与方法。对细观单元等效化模型与方法中的两个核心问题，即网格划分的单元尺寸以及细观单元力学行为的等效化问题进行了系统的研究，并在此基础上开展了混凝土破坏过程及宏观力学特性的数值模拟研究。具体的工作如下：1.基于概率统计理论，在Weibull分布假定下，对混凝土细观单元等效弹性模量的随机特性进行了概率统计分析，研究了细观单元弹性模量的分布规律，提出了混凝土材料特征单元尺度的概念，并据此建立了混凝土材料细观单元网格尺寸确定方法。2.基于复合材料等效化及均匀化理论对“骨料/砂浆”、“混凝土基质/初始缺陷”、“混凝土基质/孔隙水”以及“骨料/砂浆/界面”四种细观单元组成形式下单元的等效静态本构关系进行了理论推导与分析；考虑到细观组分率效应的影响，进一步建立了混凝土细观单元的等效动态本构关系；通过相关试验数据验证了细观单元等效本构关系的有效性。此外，初步探讨了复杂多轴加载条件下细观单元强度准则的选取问题。3.基于提出的细观单元等效化方法，研究了单轴拉伸、压缩以及弯拉荷载作用下混凝土试件二维及叁维静、动态破坏过程及宏观力学性能，分析了混凝土材料静、动态损伤破坏机理；模拟了钢筋混凝土柱在轴向压缩作用下的细观损伤破坏行为，初步探讨了混凝土构件层次的尺寸效应行为，实现了细观力学方法在钢筋混凝土构件破坏研究中的应用；与扩展有限元法结合，实现了混凝土叁维静态拉伸断裂过程的模拟。上述研究成果表明细观单元等效化模型及方法能很好地模拟混凝土材料及构件的损伤破坏行为。二、氯盐环境下混凝土结构应力腐蚀效应的细观尺度方法研究。1.考虑混凝土细观结构非均质性对氯离子扩散行为的影响，提出了氯离子扩散行为模拟的细观尺度数值研究方法；理论推导并获得了饱和浆体中氯离子表观有效扩散系数与初始孔隙率及外荷载之间的定量关系，揭示了外荷载作用对氯离子扩散特性的影响规律；数值研究了压缩荷载作用下氯离子在饱和混凝土中的扩散行为，探讨了压缩应力水平对氯离子宏观扩散特性的影响。2.基于细观力学模型模拟了钢筋锈蚀膨胀引发的保护层混凝土开裂破坏行为，阐述了钢筋均匀及非均匀锈蚀对混凝土保护层开裂破坏模式及保护层开裂时临界锈蚀率的影响规律。
周甲佳[5]2015年在《高强高性能混凝土多轴应力状态下力学性能试验和理论研究》文中研究指明混凝土是土木工程中应用最为广泛的建筑材料之一。随着工程技术的快速发展,高层建筑、海洋平台、大跨度桥梁及其他特种结构等大型复杂构筑物不断涌现,这对混凝土材料的强度和耐久性提出了更高的要求。普通混凝土由于强度低、耐久性较差等缺点已不能满足大型复杂构筑物的要求。高强高性能混凝土的出现,弥补了普通混凝土的不足,能够满足现代工程结构的强度、刚度及耐久性的要求,已逐渐在大型复杂结构中得到应用。混凝土结构中,混凝土采用一般处于多轴应力状态,研究混凝土在多轴应力状态下的力学响应及本构关系,是对复杂结构进行计算分析和设计的基础。目前,高强高性能混凝土多轴力学性能方面的研究较为有限,开展对高强高性能混凝土复杂应力状态下力学性能的研究显得尤为重要。本文从试验研究、理论分析、数值模拟叁方面出发,研究了高强高性能混凝土的多轴力学性能。主要研究成果如下：1.通过劈裂抗拉试验和压剪试验研究,获得了粗骨料与硬化水泥净浆之间界面的劈裂抗拉强度和抗剪强度,分析了粗骨料类型、水灰比及粗骨料尺寸等参数对界面粘结性能的影响。结果表明,粗骨料的性能对界面过渡区的粘结性能有较大的影响,界面的粘结强度随着粗骨料尺寸的增大而减小；水灰比越低,界面的粘结性能越好；粗骨料类型对界面过渡区的粘结性能也有较大的影响。2.对高强高性能混凝土进行了双轴压试验研究。研究结果表明,双轴压应力状态下,单轴压强度、应力比及所处的应力状态对双轴强度结果有较大的影响。此时,高强高性能混凝土的最大主应力方向的峰值强度均大于其单轴压强度,且随应力比呈先增加后减小的趋势。从破坏模式来看,双轴压应力状态下,剪切破坏和受拉破坏共同作用,试件呈片状破坏,裂纹面与加载方向呈一定的夹角,并垂直于自由面方向。随着应力比的增加,裂纹面与主轴方向的夹角逐渐减小。从应力应变响应来看,双轴压应力状态下,侧向约束的施加对高强高性能混凝土的受压性能和延性性能均有一定的改善。3.对高强高性能混凝土进行了双轴拉压试验研究。研究结果表明,双轴拉压应力状态下,最大主应力方向的极限强度均小于单轴压强度,且随着应力比的增加而逐渐减小。从双轴拉压应力状态下,试件发生受拉破坏,试件中部产生一条明显的贯穿主裂纹。从应力应变响应来看,双轴拉压应力状态下,混凝土最大主应力方向的弹性模量随着应力比的增大而逐渐减小,并且呈现出明显的脆性行为。4.对高强高性能混凝土进行了双轴拉试验研究。研究结果表明,双轴拉应力状态下,最大主应力方向的极限强度与应力比无关,可认为与单轴拉伸强度相等。双轴拉应力状态下,试件亦发生受拉破坏。随着应力比的增加,试件主裂纹的方向与最大主拉应力方向的夹角逐渐减小。双轴拉应力状态下,应力应变曲线呈现更加明显的线性行为。而且,随着应力比的增加,最大主拉应力方向的弹性模量逐渐增加。5.对高强高性能混凝土进行了叁轴压试验研究。研究结果表明,叁轴压应力状态下,混凝土单轴压强度、应力比及所处的应力状态对叁轴压强度影响更加明显。此种应力状态下,由于最小主压应力方向提供的约束,叁种混凝土最大主应力方向的强度均较双轴压应力状态得到了明显的提高。当最大主应力方向与最小主应力方向的应力比恒定时,由于中间主应力效应,高强高性能混凝土仍在应力比为0.5时获得最大极限强度。高强高性能混凝土叁轴压应力状态下的破坏为局部剪切破坏。剪切面形成于最大主应力与最小主应力构成的平面内。通过应力应变关系曲线可以发现,叁轴压应力状态下,高强高性能混凝土的强度和延性较单轴压应力状态下有明显的改善。6.对高强高性能混凝土进行了叁轴拉压压试验研究。研究结果表明,叁轴拉压压应力状态下,叁种混凝土最大主应力方向的强度均远小于其单轴压强度。随着拉应力的增加,最大主应力方向的强度减小程度十分显着。与叁轴压应力状态相比,叁轴拉压压应力状态下,高强高性能混凝土的中间主应力效应并不明显。与双轴强度规律相似,随着单轴压强度的增加,叁轴压相对强度逐渐减小。叁轴拉压压应力状态下,高强高性能混凝土呈受拉破坏模式,试件中部出现一条垂直于拉应力方向的宏观主裂纹。同时,在叁轴拉压压应力状态下,由于拉应力的存在,混凝土的刚度和延性均明显降低,表现出明显的脆性特性。7.基于试验数据的回归分析获得了双轴应力状态下的强度准则。通过对Ottosen强度准则的修正,获得了适用于高强高性能混凝土多轴应力状态下的强度准则,并与已有模型进行对比,发现新提出的强度准则与试验结果的符合程度最好。8.通过对适用于普通混凝土的正交各向异性增量本构模型的修正,得到了适用于高强高性能混凝土的多轴本构模型。通过编制程序计算发现,理论模型与试验结果较为一致,具有较好的适用性。9.采用大型离散元软件PFC3D对高强高性能混凝土多轴应力状态下的力学响应进行细观数值模拟,获得了混凝土多轴压应力状态下的裂纹扩展机理及基本力学响应,并与试验结果进行对比分析。
苏捷[6]2012年在《混凝土受压与受拉性能的尺寸效应研究》文中进行了进一步梳理混凝土的力学性能与其几何尺寸密切相关，为准确描述不同混凝土力学性能上的差异，系统研究混凝土的尺寸效应显得尤为必要。目前，国内外在混凝土受压变形性能尺寸效应、骨料组分和配筋情况对混凝土力学性能尺寸效应的影响等方面的研究较少。此外，在对混凝土力学性能进行数值模拟时，通常将硬化水泥砂浆基体的力学性能假定为一常数进行分析，忽略其自身的尺寸效应，该假定的有效性尚未得到试验证实。受各种因素的限制，尺寸效应的试验研究往往只能在一个较小的尺度范围内进行，采用数值模拟的方法可有效解决试验研究的不足之处，为尺寸效应的研究提供另外一种研究手段。采用试验研究与数值分析相结合的方法，对混凝土的受压与弯拉性能尺寸效应进行了较系统研究。主要研究内容如下：1.对162个立方体试件的抗压强度尺寸效应进行了试验研究，结果表明：混凝土抗压强度具有尺寸效应，边长150mm和200mm试件的抗压强度约为边长100mm试件的94%和88%；混凝土、砂浆和净浆抗压强度的尺寸效应依次减弱，砂浆与净浆的尺寸效应仅为混凝土的1/3和30%左右；混凝土抗压强度的尺寸效应随着强度等级的提高而增强，C60混凝土的尺寸效应约为C20混凝土的1.8倍。2.对216个棱柱体试件单轴受压性能尺寸效应进行了试验研究，结果表明：混凝土单轴受压性能具有较明显的尺寸效应，边长200mm试件的峰值应力、应变及极限应变分别为100mm试件的85%、104%和110%。边长150mm试件的峰值应力、应变及极限应变分别为100mm试件的92%、102%与105%；强度等级越高，尺寸效应越明显，C20混凝土的尺寸效应仅为C60混凝土的1/2；尺寸效应受骨料组分影响较大，混凝土的尺寸效应分别约为砂浆和净浆的2.7倍和2.8倍；配筋混凝土的尺寸效应明显弱于混凝土试件，对于配筋率约1%时的钢筋混凝土，其内混凝土的尺寸效应约为未配筋混凝土的28%左右。3.对162个棱柱体试件弯拉性能试验研究结果表明：弯拉强度具有尺寸效应，边长70mm和100mm混凝土试件的弯拉强度分别为150mm试件的1.15倍和1.1倍；混凝土弯拉强度的尺寸效应强于砂浆和净浆，砂浆和净浆的尺寸效应分别为混凝土的30%和24%；强度等级对弯拉强度尺寸效应影响较大，C60混凝土弯拉强度的尺寸效应约为C20混凝土的2倍。4.对统计尺寸效应理论、基于能量释放准则的尺寸效应理论及基于裂纹分形特征的尺寸效应理论进行了比较分析，基于试验数据，给出了各尺寸效应率中相关参数的建议值，提出了不同强度等级混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度以及弯拉强度尺寸效应率中各参数的计算公式。定义临界尺寸和临界强度为：当试件几何尺寸大于某一尺寸后，抗压和抗拉强度的变化率分别小于0.01和0.001，则该尺寸为临界尺寸，相应的强度为临界强度。混凝土各力学性能参数的临界尺寸均随强度等级的提高而增大，C40和C60混凝土的临界尺寸分别约为C20混凝土的1.7倍和2.1倍。5.编写了随机骨料的投放程序，建立了二维与叁维混凝土随机骨料模型。基于试验数据和随机骨料模型，得到了各强度等级混凝土中粘结界面层的力学性能参数，建立了粘结界面层力学性能与混凝土宏观力学性能间的关系。6.采用均质弹脆性、非均质弹脆性和均质弹塑性模型对混凝土的单轴受压性能进行了数值模拟，得到了破坏过程和宏观应力-应变全曲线，结果表明：非均质弹脆性模型得到的上升段和均质弹塑性模型得到的全曲线与试验结果吻合较好。7.采用随机骨料模型分析了混凝土的受压和受拉性能，研究了各力学性能参数的尺寸效应，提出了相应的尺寸效应率，得到了临界尺寸和临界强度。结果表明：临界尺寸随强度等级的提高而增大，C40与C60混凝土的临界尺寸分别约为C20混凝土的1.8倍和2.4倍；配筋混凝土中混凝土强度的临界尺寸明显低于未配筋混凝土，临界强度高于未配筋混凝土，当配筋率为1%时，其临界尺寸和临界强度分别为未配筋混凝土的45%和1.3倍左右。
梁正召[7]2005年在《叁维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》文中研究表明岩石破裂是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。研究岩土工程材料的破裂过程，对揭示材料破裂过程的宏观非线性力学行为，评价岩石以及岩石工程的安全状态，了解岩土工程结构的稳定性以及采取合理的支护措施，都具有重要的理论意义和工程价值。 岩石力学与工程问题本身就是叁维的力学问题。除了少数的岩石力学问题可以简化为平面问题或者轴对称问题来进行处理外，二维模型的应用都是很有限的。由于岩石和岩体中非均匀性的存在，很容易产生不对称破坏。一旦涉及到不对称性的破坏，几乎所有的二维破坏问题都变成了叁维破坏问题。 一方面，岩石介质是非透明材料，给岩石内部叁维裂纹扩展和试件破坏观测带来非常大的困难。即使对于均质材料，经典断裂力学在叁维破裂中遇到数学的困难，而对于极不均匀性的岩石介质的破裂问题还更难通过解析理论进行准确的描述。另一方面，在实验室的叁轴试验中，因为试件制作以及加载条件的困难，往往采用伪叁轴试验代替真叁轴试验。数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制，都给岩石叁维破裂过程的研究带来很大的困难。有限元方法仍然是解决这些问题的强有力的工具之一。以往数值模拟分析的目的往往是为了得到一个满意的初始应力场变形场或者最终受力结果，随着计算环境的改善和实际问题的客观要求的发展，岩石破裂过程分析正在转向整个结构和一个发展过程的全程模拟。 本文的研究工作可以总结为以下几个方面： 1、岩石叁维破裂过程分析模型研究：采用Weibull等各种随机分布函数描述岩石材料的细观非均匀性，并通过Monte-Carlo方法实现单元力学属性的随机赋值。在考虑细观单元非均匀性的基础上，建立叁维弹性损伤演化本构模型，通过非均匀介质变形过程中微破裂积累造成的力学性质弱化来反映岩石宏观变形非线性的本质特征。 2、分析系统开发：采用数值计算速度较快的Fortran语言在PowerStation平台开发RFPA~(3D)系统的应力分析模块，并在Linux Redhat 9.0平台下开发并行有限元计算模块，采用功能强大的Microsoft Visual C++语言开发RFPA~(3D)系统的独特的叁维破坏分析模块，并利用Microsoft Visual C++语言开发RFPA~(3D)和RFPA~3D-Parallel系统方便友好高效的前后处理界面及其接口，采用SGL公司跨平台强大图形库模块OpenGL来实现软件模拟结果的图形图像的显示。 3、基本力学试验及其机理模拟分析：分析岩石不同非均匀性、压拉比和残余强度下的变形破坏行为，模拟分析试件尺寸效应、试件形状效应、加载端部刚度效应，以及不同的加载方式以及采用不同的破坏准则、细观单元不同的随机分布类型、不同的损伤模型对岩石破裂过程的影响，分析了围压效应和真叁轴试验下的中间主应力效应。 4、断裂力学试验模拟：研究空间叁维裂纹的萌生、扩展、相互作用和贯通的机理，以及裂纹角度、裂纹长度和裂纹深度对表面裂纹扩展和贯通的影响。模拟岩石在单轴压缩破坏、单轴拉伸断裂、剪切断裂以及复合断裂破坏过程，综合分析试验结果和声发射空间分布图像、数值试验图像以及这些图像与各自应力应变曲线之间的关系，研究岩石破裂过程中应力场、位移场和微破裂空间演化的基本规律以及非线性行为(包括自组织临界现象、分形和逾渗行为)。 5、高性能并行计算：编制大规模并行计算软件，通过物理实验和数值试验对比分析了含
白卫峰[8]2008年在《混凝土损伤机理及饱和混凝土力学性能研究》文中进行了进一步梳理与混凝土工程应用繁荣兴旺的背景相比较,关于混凝土科学、尤其是混凝土本构关系研究明显赶不上发展的需要。正确合理的揭示材料损伤破坏机理,已成为混凝土损伤力学能否进一步发展的关键。围绕着我国西部大开发、西电东送及南水北调等战略需求,我国西部地区正在或即将兴建一大批重力坝和拱坝等高坝水电项目。我国西部地区属于地震高发区,同时高坝混凝土结构大部分处于深水高压饱和状态,因此针对孔隙水压对混凝土材料静动态力学性能的研究具有重要的现实意义。本文结合国家自然科学基金重点项目(90510018)和国家自然科学基金面上项目(50679006),针对混凝土材料细观损伤演化机制以及湿态混凝土力学特性进行了系统深入的研究。1.通过对连续损伤力学与细观统计损伤力学的基本理论进行比较,指出现有损伤力学模型的缺陷和不足,将混凝土材料细观损伤对宏观力学性能的影响重新概括为断裂损伤和屈服损伤两种模式。基于平行杆模型PBS,并结合现代非线性科学中协同学、突变论、混沌学的有关原理以及声发射试验的有关成果,确定了细观两种损伤模式演化过程的特征参数,建立了描述混凝土等准脆性材料单轴拉伸变形破坏全过程的细观统计损伤模型。将材料整个拉伸破坏过程分为两个损伤阶段,均匀损伤阶段和局部破坏阶段;区分了峰值名义应力状态和临界状态,解释了两状态对应的物理含义,强调了临界状态在整个拉伸破坏过程中所起的关键性作用。假设了局部破坏阶段断裂过程区内的变形机制,并建议临界状态作为本构模型的最终破坏点。2.固体的破坏过程是力学家与固体物理学家为之奋斗了叁个半世纪的跨层次难题,揭示材料的损伤破坏机理,是数十年来众多国内外研究者矢志不渝的目标和方向。基于所建立的细观统计损伤模型描述的混凝土单轴拉伸损伤演化过程,本文提出了新的准脆性材料破坏理论——材料内在力学性能发挥机制理论。结合协同学的观点,将混凝土等准脆性材料看作是能动的、具有自组织行为特性的复杂系统;认为材料变形破坏过程本质上是材料以“损伤”为代价,通过自身潜在的力学性能不断发展和释放以适应外界荷载环境变化的能动的自组织行为过程;而这个自组织行为赖以进行所遵循的内在动力学机制由材料内在力学性能发挥机制控制。采用类比的科学分析方法,通过将材料损伤演化、生物进化、社会发展这叁类客观世界中典型的非线性运动形式进行比较,证明本文提出的材料破坏理论的正确性和合理性。3.混凝土材料的动态力学性能和静态相比有显着的不同,一般认为混凝土动态应变率效应包括惯性效应和孔隙水粘性效应两部分。传统唯象的宏观损伤本构模型无法反映材料复杂的细观损伤演化机制,因此更无法描述动态应变率效应对材料细观损伤演化机制的影响。本文针对干燥混凝土建立了考虑惯性效应的单轴拉伸动态统计损伤模型,针对饱和混凝土建立了综合考虑惯性效应和粘性效应的单轴拉伸动态统计损伤模型。材料自身的惯性效应引起材料破坏形态以及细观损伤演化过程的改变,模型中通过调整两种细观损伤模式演化过程的特征参数来模拟;水的粘性效应则调整了混凝土基体的受力状态,模型中通过并联一个阻尼元件来模拟。所建议模型物理意义直观、明确,形象的呈现出了干燥及饱和混凝土动态拉伸破坏过程的物理图景;从宏细观相结合的角度进一步揭示了混凝土等准脆性材料损伤破坏的力学机制。4.混凝土的压缩破坏过程实质上是由于泊松效应在细观产生局部拉应变从而引起微裂纹萌生、扩展、成核的连续损伤演化过程。传统唯象的宏观压缩本构模型无法反映材料的细观损伤演化机制。本文根据混凝土材料单轴压缩破坏过程的细观损伤机理,在单轴拉伸统计损伤模型的基础之上,进一步建立了混凝土单轴压缩统计损伤模型。根据柏松效应引起的横向拉损伤的演化过程,确定受压方向的损伤演化规律并建立相应的压应力-应变本构关系。通过理论预测和试验结果进行比较,初步说明采用本文建议的统计损伤模型描述混凝土材料单轴受压过程损伤破坏机理的可行性和适用性。5.大部分针对湿态或饱和混凝土力学性能的研究均是在试验的基础上给出宏观现象的描述,而很少有从理论层面上探讨影响机理。本文采用复合材料等效夹杂理论,将细观孔隙分为活性孔隙和非活性孔隙,建立了双类孔隙夹杂模型,预测不同饱和度情况下孔隙及孔隙水对混凝土材料弹性模量的影响。将两类孔隙和水泥砂浆作为等效基体,粗骨料作为硬化夹杂,建立了双重夹杂模型,并结合细观断裂力学方法,建立了综合考虑多种因素统一的混凝土单轴压缩强度公式,探讨细观各种组分不同体分比、不同孔隙率以及不同饱和度情况对湿态混凝土抗压强度的影响。将太沙基有效应力原理引入到饱和混凝土力学性质的研究中,建立了符合混凝土材料自身微结构特点的有效应力原理表达式,探讨复杂受力环境中孔隙水压力对混凝土抗压强度的影响机制。根据大量的试验结果研究了湿态混凝土强度、初始弹模与饱和度、加载应变率之间的关系。考虑含水率对混凝土强度和初始弹性模量的影响,结合现有规范建议的混凝土本构模型,建立了湿态混凝土静、动态工况单轴拉伸、压缩应力-应变全过程曲线实用经验表达式。
曹亮[9]2006年在《考虑过程区的混凝土断裂韧度尺寸效应研究》文中研究表明混凝土断裂韧度的尺寸效应问题一直困扰着理论界和工程界。许多学者在实验和理论分析方面作了大量研究,其中以Weibull脆性破坏统计理论和Bazant强度尺寸效应理论最为典型。 本文试图从另一种角度分析混凝土断裂韧度尺寸效应产生和发展的根源,即在断裂韧度尺寸效应的研究中,考虑裂缝的扩展量△a。混凝土结构断裂与金属结构的弹塑性断裂特性不同,由于微裂隙的扩展在混凝土结构宏观裂缝前缘存在一定范围的微裂缝区,也称断裂过程区,因而在混凝土断裂力学的分析中应该考虑断裂过程区的影响。在以往混凝土断裂韧度的研究中,采用的是最大荷载和初始缝长a_0,也没有考虑断裂过程区的影响。如果考虑到断裂过程区的影响,则裂缝失稳扩展时的临界缝长已不是a_0,而是与最大荷载对应的等效临界缝长a_c。 首先,本文从试验的角度,考虑断裂过程区,对基于Weibull脆性破坏统计理论和基于Bazant强度尺寸效应理论的断裂韧度尺寸效应公式进行了修正,并对考虑断裂过程区的临界缝长a_c的计算,以及形函数的选择进行了比较研究。 其次,通过理论分析,总结出以下结论:Weibull脆性破坏统计理论和Bazant强度尺寸效应的理论均属于幂尺度律,两者是幂尺度律在不同情况下的反映;Weibull脆性破坏统计理论和Bazant强度尺寸效应理论都是关于强度的尺寸效应理论,两者在一定条件下,可以相互转化,互为补充:断裂韧度的尺寸效应与强度的尺寸效应具有一定的统一性。 最后,利用有限元进行了断裂韧度计算。选取平面八节点单元,利用ANSYS中的PLANE82单元,根据试验结果的最大荷载,最大裂缝口张开位移,分别计算了叁点弯曲与楔入劈拉试件的断裂韧度K_(IC),计算了a为初始缝长a_0和a为临界缝长a_c两种情况下的断裂韧度,从计算结果可以看出,考虑断裂过程区影响即缝长为临界缝长的有限元计算值更接近试验结果,且规律性也与前面得到的修正公式的规律比较一致。 通过试验归纳,理论分析和有限元验证,综合研究表明,考虑断裂过程区的断裂韧度尺寸效应修正公式更为合理,更符合混凝土断裂破坏的过程。对此进行的研究不仅具有理论意义,而且具有工程应用价值。
刘智光[10]2012年在《混凝土破坏过程细观数值模拟与动态力学特性机理研究》文中认为混凝土在细观层次上由骨料、砂浆及其之间的界面过渡区组成,各细观组分对其宏观力学性能均有直接影响。采用宏观与细／微观相结合的研究方法,可以在物理机制上给予混凝土宏观力学行为合理的解释,细观数值技术已成为该领域重要的发展方向之一。有鉴于此,本文基于材料细观物理特征的考察,开展混凝土破坏过程的细观数值模拟研究以及混凝土动态力学特性的机理研究。1.采用一维统计细观损伤力学模型,考虑损伤耗能与应变能释放之间的平衡,对混凝土材料的静态轴拉破坏过程进行了稳定性分析,解析表达了材料由均匀损伤过渡到局部损伤的临界状态、失稳破坏导致的应力跌落现象和临界状态的尺寸效应律,为混凝土破坏过程细观数值模型研究提供了参考。2.从概率体元建模和界面过渡区模拟两方面对细观数值模型展开研究。在更低的尺度上,分属于骨料、砂浆和界面过渡区的细观单元本身也是由复合材料组成,应用复合材料力学中的Voigt近似和Reuss近似,讨论了细观单元弹性模量和抗拉强度的分布特征；与可靠度理论中抗力考虑成多个随机变量的乘积类似,以强度和弹性模量的乘积作为细观单元的一种综合性能参数,提出了基于综合性能参数的概率体元建模方法,且该方法可以反映前述弹性模量与抗拉强度的分布特征。对细观单元材质组成的单一化假定进行改进,视内嵌界面过渡区的细观单元为一种广义复合材料单元,将修正的Vogit-Reuss模型运用到复合材料单元并形成等效均质单元,单元的损伤通过各组成材料的损伤体现,建立了复合型界面损伤模型。3.应用上述细观数值模型,仅考虑细观介质的惯性效应,对混凝土材料的动态破坏过程进行了数值模拟研究,表明材料非均质性和应力波传播是与混凝土动态力学特性有关的两个基本要素。以一维非均质杆的动态破坏为原型对此进行了理论论证,进一步探讨了混凝土动态力学特性的物理机理：应力波传播的时空性使材料中的应力非均匀性异于静态加载时仅由材料非均匀性决定的应力非均匀性,故动态加载混凝土的破坏形态及其演化过程不同于静态加载；在动态加载情形下,大多数材料单元的应力水平比静态加载高,材料单元发生破坏的概率更大,以致混凝土的动态破坏形成更多的裂纹；应力波传播引起的应力非均匀性和材料性能的非均匀性,造成了动力强度与静力强度的不同,推导了动力增强系数关于应变率的表达式,该式给出的动力增强系数表现形式及其特征规律与试验资料和相关经验公式符合。
参考文献：
[1]. 混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相互关系的研究[D]. 黄煜镔. 重庆大学. 2002
[2]. 高强混凝土脆性评价方法及其增韧措施的研究[D]. 郭向勇. 武汉大学. 2005
[3]. 混凝土及钢筋混凝土柱尺寸效应分析[D]. 李冬. 北京工业大学. 2016
[4]. 细观混凝土分析模型与方法研究[D]. 金浏. 北京工业大学. 2014
[5]. 高强高性能混凝土多轴应力状态下力学性能试验和理论研究[D]. 周甲佳. 东南大学. 2015
[6]. 混凝土受压与受拉性能的尺寸效应研究[D]. 苏捷. 湖南大学. 2012
[7]. 叁维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究[D]. 梁正召. 东北大学. 2005
[8]. 混凝土损伤机理及饱和混凝土力学性能研究[D]. 白卫峰. 大连理工大学. 2008
[9]. 考虑过程区的混凝土断裂韧度尺寸效应研究[D]. 曹亮. 河海大学. 2006
[10]. 混凝土破坏过程细观数值模拟与动态力学特性机理研究[D]. 刘智光. 大连理工大学. 2012
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