细观结构对混凝土动态力学特性的影响研究

混凝土作为非均质复合材料,其力学特性受材料的微细观结构形态影响比较明显,物理试验很难将各因素孤立出来单独考虑其对混凝土力学特性的影响,本文从数值试验入手,把混凝土看作是由骨料、砂浆以及界面组成的三相材料,研究动压和动拉荷载作用下细观结构中诸如骨料位置、单元尺寸、材料强度以及骨料粒径对混凝土动态力学特性的影响,发现混凝土的细观结构对其动态力学特性有影响,不同因素对混凝土动态力学特性影响权重不同,相同因素在不同荷载作用下的影响结果也不同。     

界面过渡区对混凝土动态力学行为影响分析

混凝土宏观力学行为由其细观结构形式决定。考虑细观非均质性的影响,将混凝土看作由骨料、砂浆基质和界面过渡区组成的三相复合材料,其中骨料为弹性体,砂浆基质及界面过渡区的力学性能采用耦合材料应变率效应的塑性损伤本构模型来描述。为探讨界面过渡区对混凝土动态力学行为的影响,对不同加载速率下双边缺口混凝土试件的拉伸力学行为、混凝土梁弯拉破坏行为及混凝土试件单轴压缩力学行为进行了数值研究。数值结果表明:当加载速率较小时,界面过渡区的力学性能对混凝土动态破坏模式和宏观力学性能有显著的影响;而当加载速率(名义应变率50/s,如冲击载荷)很大时,混凝土动态破坏模式基本不受界面过渡区力学性能的影响。     

基于滞回曲线以及结构动力方程的混凝土结构抗震稳定性分析

为准确全面地量化分析研究土木工程建筑中混凝土结构抗震稳定性,提出基于滞回曲线以及结构动力方程的混凝土结构抗震稳定性分析方法。首先采用滞回曲线描述混凝土结构在地震作用下的损伤情况,对滞回曲线模型拐点进行有效操作,确保动力方程对混凝土结构抗震稳定性进行有效分析。其次采用基于混凝土结构动力方程的抗震稳定性分析方法,对地震地面运动模型以及结构分析模型来分析混凝土结构的随机地震反应情况,得到混凝土结构随机反应的汇总量,在此基础上通过双参数的结构破坏模型,基于结构稳定性原理,获取运算混凝土结构抗震稳定性的概率表达式,再基于该表达式分析混凝土结构的抗震稳定性情况。实验结果说明,所提方法能够对土木工程建筑中不同类型混凝土构件抗震稳定性进行有效分析,分析结果准确且全面。     

预静载对全级配混凝土梁动弯拉强度的影响

为了探讨预静载对全级配混凝土梁动弯拉强度的影响,本文从全级配混凝土的细观层次出发,将梁的纯弯段视为由水泥砂浆、粗骨料及两者间的黏结带所组成的复合材料。采用既考虑应变率强化效应又计及损伤弱化效应的动态本构模型反映细观单元的损伤退化。通过自编的以位移控制的有限元程序对全级配混凝土梁在不同预静载作用下的破坏机制进行了数值模拟,给出了相应的应力一应变曲线和动弯拉强度。计算结果显示：全级配混凝土梁的动弯拉强度随着预静载的增加而上升。     

基于OpenSees平台的钢管混凝土结构力学性能数值模拟

基于非线性纤维梁-柱单元理论,以OpenSees为求解平台分别进行了钢管混凝土结构滞回曲线计算和弹塑性动力时程分析等数值模拟,计算结果与试验吻合良好。钢管内核心混凝土采用考虑钢管约束效应的应力—应变关系,钢材采用随动强化本构模型。在传统纤维模型法的基础上,通过直接在截面层次定义非线性剪切恢复力的方法建立了考虑非线性剪切效应的剪力墙结构数值模型,结果表明该模型能较好地模拟组合剪力墙的抗剪承载力、捏缩效应以及刚度退化等力学性能。对输入不同地震波下钢管混凝土框架体系的动力时程分析表明,基于OpenSees求解平台的非线性纤维模型法能够较好地模拟钢管混凝土框架结构的非线性动力特性。     

基于数字图像的真实细观非均质岩土力学分析数值方法

本文介绍基于真实非均质岩土材料的数值方法与研究进展.这些方法运用新发展的数字图像技术,获取真实岩土和混凝土材料的细观非均质分布,再进行定量细观结构研究,采用数值计算程序,定量分析它们的物理力学响应,为解决限制岩土和混凝土力学进一步发展的非均质材料假设问题提供了有效途径.本文介绍该方法的研究背景和三项主要内容.包括真实细...     

冲击荷载作用下混凝土破坏强度的确定及CT验证

从细观结构出发,把混凝土看作由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料,建立随机骨料模型,应用损伤塑性本构,对试件进行了冲击荷载作用下的数值模拟,通过施加不同的加载方式,研究材料的损伤破坏过程,最终以位移加载得出荷载-位移曲线的峰值强度作为细观混凝土试样的破坏强度.通过对混凝土进行冲击荷载作用下的实时CT扫描,得出试件的荷载位移曲线及各个应力阶段的CT图像,发现数值模拟所得混凝土强度及破坏过程与CT观测到的结果有较好的相似性.结果表明,利用该方法研究混凝土在冲击荷载作用下的损伤破坏过程是合适的,以荷载-位移曲线的峰值点作为混凝土破坏强度点是合理的.     

混凝土重力坝FRP片材表面加固抗震性能研究

如何提高混凝土重力坝薄弱位置的抗震性能是国内外大坝抗震研究的热点问题。本文基于等价静力非线性方法,采用考虑混凝土细观非均匀特性的混凝土损伤模型,研究FRP片材表面加固大坝薄弱位置的抗震有效性。以2座不同形态的混凝土重力坝A、B为例,分别进行坝踵FRP片材表面加固研究和折坡处FRP片材表面加固研究,分析加固前后坝体的应力状态、裂缝扩展情况和破坏形态。数值模拟结果表明：坝踵处采用FRP片材加固可以很好地增强坝体的抗震性能,有效地抑制裂缝的产生和发展;折坡处采用FRP片材加固在一定程度上可以提高坝体的抗震性能,下游坝身加固与否对提高大坝的抗震性能影响不大。     

三级配混凝土梁在动荷载作用下的数值模拟

从三级配混凝土的细观层次出发,将梁的纯弯段视为由水泥砂浆,粗骨料及两者间的粘结带所组成的复合材料.采用既考虑应变率强化效应又计及损伤弱化效应的动力本构模型反映细观单元的损伤退化.通过自编的以位移控制的有限元程序对三级配混凝土梁在冲击荷载和三角形循环荷载作用下的破坏机制进行了数值模拟,给出了相应的应力-应变曲线和动弯拉强度.研究结果表明数值模拟所得的结果与实验结果吻合较好.     

E-Defense振动台试验预测性分析比赛的研究综述

文中介绍了日本E-Defense的足尺钢框架振动台试验预测性分析比赛的情况,研究了分析人员对该钢框架结构所采用不同的数值分析方法。分析方法大致分为纤维模型,塑性铰模型,微观单元模型及结构协同分析方法4种。纤维模型与塑性铰模型属于宏观单元,假定条件较多但自由度数少适用于整体结构分析。微观单元假定条件较少,力学概念明确,能准确反映构件局部破坏,整体分析比较困难。结构协同分析方法属于混合单元法,通过不同单元甚至不同程序模拟各个构件,再通过主程序组装总刚度进行动力分析,该方法发挥了微观单元和宏观单元各自的优点。     

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。     

EPS混凝土试验、本构模型及节能评价研究

正发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene,简称EPS)混凝土是一种新型节能建筑材料。由于利用废弃的塑料泡沫作为主要骨料代替混凝土中的部分沙石,所以具有轻质、保温、节能、利废、环保的特性,EPS混凝土的材料研发与工程应用在建筑领域和环境科学领域中固体废弃物回收利用方面逐渐成为研究热点。本文在国内外EPS混凝土前期工作的基础上,针对东北地区建筑高能耗问题,从宏观、粗观、细观、微观4个层次对EPS混凝土的材料组成、结     

地震动作用下单层砌体结构倒塌模拟

地震发生时建筑物的倒塌是造成人员伤亡的最直接原因。在地震救援时,救援人员对废墟形式的准确了解能够有效地提高救援效率。倒塌废墟形成规律的研究方法多种多样,利用数值方法模拟建筑物倒塌也是一种值得尝试的方法。利用数值方法进行结构倒塌模拟时可以通过程序开发分析,也可以直接使用显示动力分析软件分析。不管使用何种数值方法,结构构件的材料特性和断裂处理都直接影响着计算结果的准确度。本文基于显式动力分析软件LS-DYNA,使用winfrith材料模型和基于裂缝宽度相关的失效准则,进行了单层砌体振动台试验模型的倒塌模拟分析,并与试验结果进行了对比。结果表明,此方法较为可靠,可进行砌体结构的倒塌模拟。     

移动荷载对桥梁动力响应的影响研究——以开裂预应力混凝土简支梁为例

混凝土桥梁在工作过程中会产生裂缝,为分析移动荷载对开裂混凝土桥梁结构刚度的影响,对开裂梁动力响应进行分析。建立简支T梁桥有限元模型,并将移动荷载施加至有限元模型中。根据简支T梁桥破坏横向分布位置和强度的不同,研究不同工况下各梁荷载横向分布及不同移动速度对裂缝扩展宽度的影响。结果表明,数值模拟结果能较好地验证计算模型的准确性;在较大的移动荷载作用下,混凝土开裂,导致结构刚度减小、位移增大;随着移动荷载和速度的增加,开裂时间增加,结构刚度降低,持续时间增加,位移增大,使结构响应呈现明显非线性。     

地震作用下隧道洞口段岩质边坡损伤演化分析

从岩石材料细观非均匀性特点出发,运用连续介质损伤力学理论,推导了岩石材料细观损伤本构关系式。以ANSYS二次开发平台为主体,基于细观损伤力学,提出基于宏观均质假定的等效损伤单元来模拟隧道洞口段岩质边坡的损伤开裂过程。计算结果表明:在细观方面边坡损伤破坏是个不断损伤的过程,在地震荷载作用下,边坡结构首先会出现微裂纹,随着地震动时间增加,已出现的微裂纹逐渐扩展形成可见的裂缝,最后形成连续的损伤区域;尤其在隧道拱顶上方形成连续贯通的损伤区域,可看出拱顶已完全破坏,给隧道安全运行带来不利影响,因此在设计施工时要对拱顶上方进行加固处理。该计算方法和分析成果可用于同类复杂结构的损伤破坏分析。     

型钢混凝土压弯构件受力性能数值模拟及影响参数分析

准确地预测地震荷载作用下型钢混凝土压弯构件的受力性能,对评估带有该类构件的超高层建筑结构的震害程度和分析其地震安全性具有重要意义。因型钢混凝土压弯构件复杂的材料特性和受力行为,在反复荷载作用下其受力性能的数值模拟尚存欠缺。本文采用开源有限元结构分析软件Open Sees,基于柔度法纤维模型,将型钢混凝土压弯构件中的混凝土按受约束情况,划分为3部分:箍筋以外的无约束混凝土,受型钢翼缘约束的强约束混凝土,位于上述两者之间的弱约束混凝土,并确定了相应的钢和混凝土材料本构模型,给出了型钢混凝土压弯构件数值模拟方法。采用该方法对低周反复荷载作用下9个不同轴压比的型钢混凝土压弯试验构件进行了全过程有限元数值模拟。得到的数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明本文所建立的型钢混凝土压弯构件的数值模拟模型和方法是合理、可行的,达到了精度和效率的统一,可进一步推广应用到带有该类构件的大型复杂超高层建筑结构的动力非线性分析中。采用本文模型和方法还分析了轴压比、混凝土强度等级、型钢强度等级和含钢率等对构件骨架曲线的影响,结果表明这些参数均对型钢混凝土构件的刚度、强度和延性有不同程度的影响。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的动力性能分析

地震作用在混凝土结构上会在其材料中产生较高的应变率,混凝土材料具有一定的率敏感性,准确模拟混凝土结构在地震作用下的反应需采用混凝土动态本构模型。为评估ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型模拟混凝土动力性能的能力,采用该模型对混凝土材料和构件在不同加载速度下的动态反应进行了有限元数值分析。结果表明,随着加载速度的提高,混凝土的抗压强度提高,下降段坡度增大,混凝土梁的承载能力提高,模拟结果与相关试验结果吻合较好;该混凝土损伤塑性模型可以模拟混凝土材料和构件的主要动力特性,但也存在不足之处。     

基于IDA方法的小雁塔结构抗震性能评估

以小雁塔结构为原型,通过试验研究建立其材料本构模型;应用IDA分析方法,建立IDA分析曲线并对小雁塔结构进行增量动力弹塑性分析,判断小雁塔结构的最不利位置,定义IDA分析的极限状态;将IDA曲线的斜率下降幅值与小雁塔结构性能水准相对应,划分小雁塔结构的性能水准指标;通过对小雁塔结构在增量地震动强度作用下地震响应分析和不同性能状态下各层的楼层位移和层间位移角的变化规律,对小雁塔结构进行了抗震性能评估;研究表明:基于IDA分析方法的小雁塔抗震性能评估可以考虑结构抗震能力的随机因素,精确地描述小雁塔结构在地震过程中的行为。该方法为类似砖石古塔结构的抗震性能评估提供了新途径。     

钢筋混凝土柱考虑损伤累积的反复荷载-位移关系分析

为能在反复荷载作用下钢筋混凝土柱的荷载-位移关系分析中考虑柱低周疲劳性能,提出了一损伤模型,对柱中纵向受力钢筋和混凝土的损伤状态作评估与记录。将这一记录材料性能信息的损伤指标带入材料各自的恢复力模型以考虑产生损伤后材料的强度和刚度退化。基于多弹簧模型对不同变幅加载路径下及等幅低周疲劳加载下钢筋混凝土柱的空间反应进行了数值计算模拟。与已有试验结果比较表明,所提材料层次上的损伤累积模型以及考虑损伤累积效应的柱构件空间荷载-位移关系分析方法具有一定的精度,为钢筋混凝土柱的抗震性能分析提供了一个辅助工具。     

饱和混凝土单轴拉伸动态统计损伤本构模型

饱和混凝土中孔隙自由水的存在对材料的力学性能有显著的影响,动态工况中主要表现为自由水的粘性效应,且该效应随细观损伤引起的微裂纹密度的改变而变化。本文结合太沙基“有效应力原理”,建立了饱和混凝土考虑动态应变率效应的单轴拉伸统计损伤模型,将材料宏观力学性能同细观损伤机理有机地结合起来,综合考虑了动态条件下惯性效应和自由水粘性效应的影响,认为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;水的粘性效应则调整了混凝土基体的受力状态。通过算例和试验结果比较,表明该模型可预测等应变率加载情况下饱和混凝土材料均匀损伤阶段的动态拉伸本构行为,形象地描述了饱和混凝土材料动态损伤演化机制。