混凝土动力破损性能的细观仿真与试验验证

本项研究基于混凝土细观颗粒元仿真模型，考虑骨料、砂浆、交界面三相的强度非均匀性，考察混凝土材料的动力损伤断裂破坏全过程，并分析应变能-动能-摩阻耗能的全程变化。基于细观颗粒元建立落锤-结构全系统仿真模型，对冲击试验进行全过程模拟，研究了系统能量的转化过程，并提出颗粒元能量模式与传统断裂能的转换关系。基于颗粒元-有限差耦合方法，建立无粘结预应力混凝土梁冲击试验仿真模型，其中混凝土颗粒单元和钢筋杆单元在锚固点交互作用，对混凝土损伤断裂和钢筋屈服的动力破坏过程进行模拟，并与试验结果进行了比较研究。细观数值仿真成果与混凝土动力试验进行全面对比，从而进一步解释率相关效应的机理，并验证与改进细观模型。 在试验验证方面，建立稳定可靠的混凝土落锤冲击试验测试系统，通过改变重锤质量、下落高度和锤头材料完成了不同加载速率的冲击试验，对试验中混凝土梁的承载力、动态位移、应变、断裂过程、动量-冲量平衡关系、惯性力和断裂能等动力特性进行了测量和分析。设计了无粘结预应力混凝土梁冲击试验，对钢筋屈服-混凝土断裂的非线性相互作用过程进行系统分析，证明预应力钢筋限制了混凝土的变形和裂纹扩展，钢筋的屈服程度决定了混凝土的裂纹扩展程度和多次冲击的剩余承载力。 2100433B

混凝土在地震动与高速冲击荷载作用下其强度本构关系与破坏性能显示出明显的与加载速率密切相关的特征。随加载速率的提高，其强度表现出显著增长的率效应，这一现象对高坝等大型结构的动力安全稳定性评价具有重大影响。本项研究目标是探索混凝土动力率相关效应和不同荷载环境及初载历史的影响机理。 基于混凝土细观颗粒元仿真模型，考虑骨料、砂浆、交界面三相的强度非均匀性，考虑初始静力加载等初载条件，以不同加载速率施加荷载，考察混凝土材料的动力损伤断裂破坏全过程，并分析应变能-动能-摩阻耗能的全程变化，从而揭示混凝土动力率相关效应的内在机理。 在试验验证方面，在霍普金森杆冲击劈拉试验基础上，采用中-高速率的重力落锤试验装置，进行混凝土动力弯曲试验，研究其动力本构关系与应变率的关系，观察不同速率的损伤断裂过程与破坏形态。据此与细观数值仿真成果进行全面对比，从而进一步解释率相关效应的机理，并验证与改进细观模型。

本文基于细观颗粒元数值模型和动力试验相结合的方法，分析了混凝土直拉、劈拉、弯拉强度等性能；建立了落锤结构全系统仿真模型，对混凝土梁落锤冲击试验进行仿真分析提出了颗粒元能量模式与传统断裂能的转换关系；基于颗粒元有限差耦合方法进行了无黏结预应力混凝土梁冲击试验仿真，论证了钢筋混凝土类复合材料的动力特性与破坏机理。

本书适合高校和科研院所水利、土木建筑、力学、材料等专业的师生阅读。

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2混凝土动力性能研究

1.2.1混凝土动力试验方法

1.2.2混凝土强度率相关规律

1.2.3动力破坏机理研究

1.2.4水工混凝土动力性能研究

1.3混凝土细观数值模型方法

1.3.1有限元模型

1.3.2格构模型

1.3.3离散元模型

1.4论文主要内容与创新点

1.4.1论文主要内容

1.4.2论文创新点

第2章混凝土细观颗粒元模型验证与轴拉、劈拉、弯拉强度试验仿真

2.1概述

2.2混凝土细观颗粒元模型

2.2.1颗粒元平行黏结模型

2.2.2颗粒元能量理论

2.2.3混凝土细观结构预处理及参数反演

2.3混凝土细观颗粒元模型验证与轴拉、劈拉、弯拉强度对比

2.3.1混凝土静动力强度试验及细观模型

2.3.2静力抗拉强度对比与分析

2.3.3动力抗拉强度对比与分析

2.4本章小结第3章混凝土动力冲击性能试验研究

3.1概述

3.2试验设计

3.2.1试验设备及试件

3.2.2预备试验

3.3试验数据分析

3.3.1加速度信号处理

3.3.2惯性力分析

3.4试验结果

3.4.1铝锤头不同落锤高度试验结果

3.4.2铝锤头不同落锤质量试验结果

3.4.3橡胶锤头不同落锤高度试验结果

3.5试验分析及讨论

3.5.1动量冲量平衡关系

3.5.2率相关效应

3.5.3系统能量平衡与混凝土梁能量组成

3.6本章小结

第4章落锤结构全系统细观模型仿真与分析

4.1概述

4.2细观颗粒元全系统模型仿真分析

4.3数值模型结果和对比

4.3.1力时程结果对比

4.3.2竖向位移结果对比

4.3.3混凝土应变结果对比

4.3.4高应变率试验模拟

4.4分析及讨论

4.4.1率相关效应

4.4.2破坏现象

4.4.3系统能量转换过程

4.4.4颗粒元能量转化及对比

4.5本章小结第5章无黏结预应力混凝土动力冲击性能试验研究

5.1概述

5.2试件及试验装置

5.2.1无黏结预应力混凝土试件

5.2.2试验装置及测量

5.3不同配筋率混凝土梁有效预应力影响研究

5.3.1钢筋动应变

5.3.2混凝土梁开裂过程

5.3.3混凝土梁动力承载力变化及竖向变形

5.3.4能量分析

5.4不同配筋率混凝土梁率相关研究

5.4.1钢筋动应变

5.4.2承载力率相关分析

5.5不同配筋率混凝土梁多次冲击影响研究

5.5.1钢筋动应变

5.5.2承载力及竖向位移变化

5.5.3混凝土裂纹宽度变化

5.6本章小结

第6章颗粒元有限差耦合模型及预应力混凝土冲击试验仿真

6.1概述

6.2颗粒元有限差耦合模型

6.2.1有限差分法

6.2.2颗粒元有限差耦合算法

6.2.3颗粒元有限差全系统模型

6.3数值模型结果和对比分析

6.3.1数值结果对比

6.3.2能量过程分析与对比

6.4本章小结

第7章混凝土梁初始静载影响的细观动力仿真与研究

7.1概述

7.2初始静载影响的试验研究

7.3基于细观颗粒元的初始静载影响分析

7.3.1动力强度增长段

7.3.2动力强度下降段

7.4本章小结

第8章结论及展望

8.1主要研究成果和结论

8.2研究展望

参考文献在学期间发表的学术论文与研究项目致谢2100433B

第1章 绪论

1.1 混凝土类材料的破损过程

1.2 混凝土静态力学理论研究

1.2.1 断裂力学模型

1.2.2 损伤力学模型

1.2.3 细观损伤模型

1.3 混凝土动态力学性能研究

1.3.1 动态试验研究成果

1.3.2 理论研究成果

1.4 混凝土细观力学的研究

1.4.1 混凝土力学行为研究的层次方法

1.4.2 混凝土细观力学试验研究现状

1.4.3 细观力学数值仿真预处理研究

1.4.4 混凝土细观力学的数值仿真研究

1.5 本书的框架与内容简介

本章参考文献

第2章 混凝土细观力学预处理方法

2.1 概述

2.2 随机变量及其产生方法

2.2.1 蒙特卡罗方法简介

2.2.2 随机数及其产生

2.3 随机骨料的生长

2.3.1 二维骨料的生长

2.3.2 三维骨料的生长

2.4 基于分层摆放法的混凝土细观力学预处理方法

2.4.1 随机骨料的投放

2.4.2 随机骨料有限元网格坐标的生成

2.5 基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

2.5.1 背景网格的生成

2.5.2 基于背景网格的骨料侵入的判定方法

2.5.3 分级配投放

2.5.4 混凝土细观三相介质识别

2.6 两种预处理方法对比

本章参考文献。

第3章 混凝土多相细观力学有限元模型

3.1 混凝土多相细观力学损伤断裂模型

3.1.1 数值模型的基本思路

3.1.2 细观单元的损伤本构关系

3.2 非线性损伤断裂分析的有限元法

3.2.1 有限元隐式解法

3.2.2 有限元显式解法

3.2.3 算法对比分析

3.3 算例分析

3.3.1 Petersson三点弯曲切口梁试验

3.3.2 拉剪混合破坏切口梁试验

本章参考文献

第4章 细观力学参数非均质随机分布（Weibull分布）模型的改进

4.1 概述

4.2 Weibull统计分布的基本理论

4.3 Weibull统计分布的数值实现

4.4 不同均质度对混凝土性能的影响

4.4.1 随机样本的有限元模型

4.4.2 计算结果分析

4.5 随机场相关因子对材料性能的影响——Weibull分布模型的改进

4.5.1 随机场相关尺度的引入

4.5.2 相关尺度的数值实现

4.5.3 算例分析

本章参考文献

第5章 混凝土多相细观力学性能试验研究与数值仿真

5.1 概述

5.2 堆石混凝土材料的研究现状

5.3 三相介质力学性能的试验研究

5.3.1 试件的制备

5.3.2 试验装置与试验步骤

5.3.3 试验结果

5.4 用多相细观力学模型研究堆石混凝士陛能

5.4.1 基本条件

……

第6章 基于多尺度均匀化理论建立混凝土多相细观-宏观力学特性的桥梁

第7章 用混凝土等效概率模型研究强度尺寸效应——实验与数值仿真

第8章 混凝土等效概率模型在混凝土重力坝抗震分析中的应用

第9章 颗粒离散元数值模型与混凝土细观力学参数反演

第10章 混凝土动态力学特性的细观离散元数值模拟

第11章 混凝土冲击劈拉试验与细观离散元数值仿真

第12章 混凝土冲击压缩试验与细观离散元数值仿真 2100433B