考虑材料层次尺寸效应影响的混凝土力学性能理论预测方法

大坝混凝土粗骨料粒径范围为5~150 mm,混凝土材料的宏观力学性能易随骨料级配等发生变化。本文从细观角度出发,提出了一种能够考虑材料层次尺寸效应影响的预测混凝土宏观力学性能的理论分析方法。结合混凝土材料内部细观结构形式,将其看作由粗骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区组成的三相复合材料。假定骨料颗粒在混凝土受力过程中不发生破坏,采用双线性本构模型描述砂浆基质和界面过渡区的材料力学行为,基于断裂力学基本理论框架,推导得到了混凝土细观裂缝长度、宏观断裂能、单轴拉伸强度、特征长度以及脆性指数等力学参数的理论公式。基于本文提出的理论预测方法,分析了界面过渡区力学性能以及粗骨料级配、含量对混凝土宏观力学性能的影响。     

基于细观结构性能和尺度的混凝土材料层次尺寸效应解析理论

本文以细观为基本研究尺度,认为混凝土材料层次尺寸效应主要根源于粗骨料、砂浆以及界面等细观结构性能和尺度的不确定性。首先,基于建立的能够考虑细观结构影响的混凝土I-型裂缝断裂破坏分析模型,采用理论解析法对不同级配混凝土宏观力学性能预测方法进行了修正;进而,提出了一套混凝土材料层次尺寸效应解析理论,并分析了混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。分析结果表明:单轴拉伸加载条件下,强骨料夹杂混凝土中界面力学性能、骨料含量和最大骨料粒径均显著影响细观断裂裂缝中界面裂缝的占比,从而影响到混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。     

细观均匀化方法预测非饱和混凝土宏观力学性质

混凝土宏观力学行为由其细观结构和组成决定,孔隙水的存在影响湿态混凝土的力学性质。在细观尺度下,将非饱和混凝土看作是由混凝土基质、孔隙水、干燥及非饱和孔隙组成的多相复合材料,提出了预测非饱和混凝土力学性质的两步均匀化方法。基于该方法建立了非饱和混凝土宏观力学性质,包括弹性模量、泊松比、拉伸强度及峰值拉伸应变与孔隙率及饱和度之间的定量关系。本文理论结果与试验结果吻合良好,证明了方法的合理性。研究表明：湿态混凝土弹性模量、泊松比、拉伸强度和峰值拉伸应变均随饱和度的增大而增大;低饱和度混凝土的峰值拉伸应变随孔隙率的增大而减小,而高饱和度混凝土则呈现先减小后逐渐增大的趋势。     

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。     

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。     

混凝土三轴动态强度准则

动态荷载作用下,混凝土材料存在着明显的率相关性,建立混凝土材料在动态荷载作用下的三轴动态强度准则具有重要的科学意义。本文在广义非线性强度理论的框架下,结合混凝土材料的非线性单轴、双轴动态强度特性,推导了广义非线性强度理论材料参数的率效应公式,从而得到了考虑率效应的混凝土材料的三轴动态强度准则。双轴情况下,所建立的动态强度准则与动态试验数据吻合较好;根据混凝土材料强度参数的率效应公式,探讨了混凝土材料的多轴非线性强度特性。     

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。     

饱和混凝土有效模量及有效抗拉强度研究

孔隙水的存在对混凝土的有效弹性模量及强度等力学性能产生很大的影响。采用三相球模型理论分析得到了饱和混凝土的有效体积模量与孔隙率之间的定量关系;不考虑孔隙水的抗剪能力,获得了饱和混凝土的有效弹性模量、泊松比与孔隙率的定量关系。基于最大拉应力准则,推导得到了饱和混凝土的有效抗拉强度及其峰值应变与孔隙率之间的关系。理论分析结果与Yaman等的试验结果吻合良好,表明本文方法能够用来预测饱和混凝土的有效弹性模量;与干燥混凝土相比,孔隙水的存在使得饱和混凝土弹性模量和有效抗拉强度均有所提高。     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料的细观力学分析模型基础上,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。使用本文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很好,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。     

GFRP增强混凝土圆柱轴压强度尺寸效应：细观分析

混凝土柱外包纤维增强复合材料FRP是一种行之有效的约束方式,目前针对FRP约束混凝土柱轴向压缩行为的研究多以小试件为主,而对于大尺寸FRP约束混凝土构件的真实破坏机理及力学性能的研究仍不足。以玻璃纤维GFRP约束混凝土圆柱为研究对象,考虑混凝土细观非均质性及GFRP-混凝土间相互作用,建立了其轴压作用下的三维细观数值模型。以GFRP体积配置率为主导参数,在已有试验成果基础上,扩展模拟和研究了不同尺寸和不同体积配置率下柱的轴压破坏机理和失效模式,进而揭示了横向约束作用对GFRP混凝土柱名义轴压强度及其尺寸效应的影响机制与规律。研究发现:(1)GFRP约束混凝土柱存在尺寸效应现象;(2)随体积配置率的增大,试件名义轴压强度的尺寸效应被削弱。最后在经典材料层次尺寸效应律基础上,结合体积配置率的影响机制与规律,建立了GFRP约束混凝土圆柱轴压强度尺寸效应的半经验-半理论公式,相关试验和模拟结果证实了该公式的合理性。