开裂混凝土有效导热系数研究:三维模拟与试验验证

利用三维的细观数值模拟,研究了混凝土在单轴拉伸和压缩破坏过程中有效导热系数(ETC)的变化规律,并分别给出拉伸应变、压缩应变与ETC的定量关系。研究发现:(1)拉伸过程中,混凝土试件的ETC在塑性阶段显著下降(23%),但在软化阶段变化很小;(2)压缩过程中,混凝土试件的ETC在塑性强化阶段前期显著下降(30%),在塑性强化阶段后期趋于稳定,而在下降阶段又开始缓慢地减小;(3)骨料与砂浆间界面开裂所形成的界面热阻是导致混凝土ETC在塑性阶段急剧下降的主要原因;(4)开裂强化了混凝土导热性能的各向异性。随后,对单轴压缩破坏混凝土垂直于裂纹方向ETC(C-ETCV)进行了试验测量。数据表明:在单轴压缩过程塑性强化阶段前期,C-ETCV急剧下降20%~25%;在塑性强化阶段后期逐渐趋于稳定。随后利用模拟结果拟合确定了王家俊模型中的界面热阻因子,比较了王家俊模型与试验结果,两者比较吻合,证明了数值方法和王家俊模型的正确性。     

基于内聚力模型的混凝土细观拉压统一数值模拟方法

将混凝土内聚力模型的适用范围从原来的细观受拉断裂模拟拓展到了细观受压断裂模拟,并实现了用统一的数值方法来模拟混凝土受压和受拉的细观损伤破坏行为。参考以往的试验研究以及结合内聚力模型的特点,定义了内聚力单元的混合断裂准则以及全局接触关系;建立了不同网格精度的对照模型,讨论了网格敏感性问题;模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩作用下的受力全过程,并对断裂能、界面强度、骨料形状和骨料材料类型进行了参数研究;从破坏形态和力学响应的角度探究了混凝土细观断裂和接触行为对整体力学性能的影响。结果表明:较受拉数值模拟,受压数值模拟结果的网格敏感性问题更突出,过粗的网格划分会限制模型的内力重分布;混凝土在单轴受拉时发生的是偏向于Ⅰ型断裂的混合型断裂,其中因Ⅰ型和Ⅱ型断裂能之差所致的混合型断裂能约占受拉总断裂能的一半;骨料颗粒的光滑程度越高,混凝土的单轴极限拉压强度也越高,但颗粒间的机械咬合作用越弱,导致抗压强度退化越快。     

基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明：数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。     

骨料空间分布对混凝土压缩强度及软化曲线影响统计分析

混凝土材料的强度、宏观应力-应变曲线的软化段具有随机性和离散性,骨料分布形式是重要的影响因素。为探究混凝土强度和应力-应变曲线软化段的随机统计特性,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,建立了混凝土细观尺度力学模型与方法。以单轴压缩情况为例,对64组不同骨料分布形式下混凝土试件的单轴压缩力学行为进行了数值研究,并基于概率理论对获得的混凝土强度及软化曲线的离散性进行了统计分析。研究表明:不同骨料分布形式下混凝土压缩强度和软化曲线均服从双参数Weibull分布;软化段上应力值的离散程度相近;软化段上应力值的离散性比峰值点应力的离散性大。     

开裂混凝土有效导热系数的细观数值研究

通过建立一种细观数值模拟方法,研究了混凝土力学行为对其导热性能的影响,揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。研究发现,混凝土开裂明显阻碍热流通过,导致其有效导热系数显著下降,而且,有效导热系数变得各向异性,造成热流方向改变。因此在热-力耦合计算中不能忽略裂纹对温度场的影响。继而研究了骨料体积含量对开裂混凝土导热系数的影响,结果表明无论是开裂前还是开裂后,骨料体积含量越高,其导热性能越好,有效导热系数下降率越大。通过与已有试验成果比较,验证了本文细观数值模型的正确性,所给出的预测开裂前后混凝土导热系数的方法,可用于热-力耦合分析。     

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。     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料细观力学分析模型的基础上,提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用这种细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究,并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：（1）细观尺度上,采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合良好,验证了本文细观力学方法的有效性和准确性;（2）相比于宏观尺度分析模型,细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性,从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式,且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。     

碾压混凝土层间水分非饱和传输试验与数值分析

混凝土结构遭受环境侵蚀破坏的现象普遍存在于水利工程中,非饱和水分传输是产生环境侵蚀的一个重要因素.碾压混凝土由于自身施工特点容易出现层间、界面等薄弱面,研究非饱和水分传输行为有助于提高混凝土耐久性能.为深入分析碾压混凝土中水分传输的特点和影响机理,采用试验和细观模拟相结合的方式,在分析初始条件、吸水时间等水分传输影响因...     

高混凝土坝抗震安全评价的关键问题与研究进展

本文总结介绍了高混凝土坝抗震安全评价方面的最新研究成果,包括震源破裂-传播介质-坝址峡谷地震动的超大规模数值模拟、坝体-地基-库水系统的非线性动力损伤开裂分析、混凝土动力特性的试验与细观数值仿真、基于性能的高坝抗震安全风险评估等内容。最后总结了高坝抗震研究的发展方向,并提出了综合考虑社会、经济、环境与工程的抗震安全风险评价体系研究思路。