混凝土结构破坏机理的数值试验研究

论文摘要

混凝土材料结构的破坏过程，是一个极其复杂极富挑战的研究课题，一直是力学、材料和工程等各学科的研究热点和难点之一。研究混凝土结构的破坏过程，对揭示混凝土结构破坏过程的宏观非线性力学行为本质及其破坏机理，评价混凝土结构以及混凝土结构工程的安全状态，都具有重要的理论意义和工程实用价值。 实验室试验和现场测试作为研究混凝土结构破坏过程最为直接的手段，为促进其破坏过程的研究发展起了决定性作用。然而，由于受人力、物力、财力等因素的制约，试验和现场测试工作往往受到限制。理论解析通过对材料进行简化，运用数学和力学等研究方法，对其破坏过程的应力与应变关系及诱发的声发射等进行解析，为研究混凝土结构破坏过程提供了重要途径。然而，限于目前数学、力学等的发展水平，解析方法还难以解析混凝土材料内部微破裂之间以及由于非均匀性而引起的局部破坏。数值方法为研究混凝土结构的破坏过程提供了重要手段。除少数的混凝土力学问题可以简化为平面问题外，二维模型的应用是有限的，大多混凝土结构的破坏问题是三维的力学问题，需要采用三维破坏过程分析工具进行研究。由于混凝土材料非均匀性的存在，很容易产生不对称破坏，此时二维破坏问题就变成了三维破坏问题。 本文首先从混凝土材料的非均匀性出发，采用Weibull随机统计分布理论引入材料的非均匀性，在考虑细观单元非均匀性的基础上，建立了三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混凝土宏观变形非线性的本质特征。为研究混凝土材料结构的破坏过程提供了力学理论基础；此外，计算机硬件及计算力学的飞速发展，为从细观结构层次上研究混凝土等固体材料的破坏过程提供了强有力的数值计算工具。 其次，通过对钢筋混凝土杆件在轴向拉伸作用下破坏过程的数值模拟，得到破坏过程中所出现的等间距裂缝现象，并通过对二裂缝间的应力进行分析，探讨了等间距裂缝产生的机理，所得的结果与前人的理论分析结果相一致，并通过对轴向受拉构件二裂缝之间间距理论公式的推导，得出影响裂缝间距的因素，并通过三维材料破坏过程分析系统对此影响参数进行了分析研究，得出影响裂缝间距及裂缝数目及分布规律的因素，在此基础上，又分析了材料的不同力学参数等对构件在轴向拉伸作用下破坏时裂缝产生的数目及裂缝间距的影响。并模拟分析了不同混凝土保护层厚度构件的破坏过程及对钢筋的受拉刚化作用的影响。

论文目录

• 独创性声明
• 使用授权书
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 混凝土结构破坏机理的研究意义
• 1.2 研究现状及特点
• 1.2.1 试验研究进展
• 1.2.2 理论研究进展
• 1.2.3 数值研究进展
• 1.3 本研究的主要内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 混凝土结构破坏过程数值模型
• 2.1 混凝土破坏过程的非线性
• 2.2 数值模型的基本思路
• 2.2.1 材料非均匀性描述
• 2.2.2 混凝土等脆性材料应力应变关系
• 2.3 细观单元带有残余强度的弹脆性本构关系
• 2.3.1 拉伸损伤演化方程
• 2.3.2 剪切损伤演化方程
• 2.3.3 关于钢筋和FRP材料本构方程
• 2.4 破坏准则
• 2.5 有限元应力分析
• 2.5.1 单元的位移函数
• 2.5.2 单元的力学分析
• 2.5.3 单元刚度矩阵建立
• 2.5.4 混凝土结构数值模型的分析过程
• 2D和MFPA^3D数值模型验证'>2.6 MFPA^2D和MFPA^3D数值模型验证
• 2.6.1 二维程序验证
• 2.6.2 三维模型验证
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第三章 钢筋混凝土构件拉伸作用下等间距裂缝产生机理
• 3.1 钢筋对混凝土构件破坏的影响
• 3.1.1 模型建立
• 3.1.2 数值模拟结果
• 3.1.3 小结
• 3.2 钢筋混凝土构件在受拉条件下等间距裂缝现象
• 3.3 等间距裂缝现象产生机理
• 3.3.1 裂缝间距不同时的应力场分析
• 3.3.2 混凝土保护层厚度不同时的应力场分布
• 3.3.3 钢筋与混凝土之间的粘结应力
• 3.3.4 相邻裂缝水平剖线的不同应力分布情况
• 3.4 钢筋混凝土中心受拉的应力状态
• 3.4.1 钢筋应力
• 3.4.2 混凝土截面的应力
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 钢筋混凝土基本力学参数对构件破坏的影响
• 4.1 混凝土保护层厚度对结构裂缝及其他参数影响
• 4.1.1 对初始峰值荷载的影响及受拉刚化效应影响
• 4.1.2 混凝土保护层厚度对裂缝数及裂缝间距影响
• 4.1.3 破坏过程中的声发射现象
• 4.1.4 不同混凝土保护层厚度对单元位移的影响
• 4.2 两裂缝间裂缝插入过程模拟
• 4.3 钢筋力学性能的影响
• 4.3.1 钢筋强度影响
• 4.3.2 钢筋弹性模量值的影响
• 4.4 混凝土强度的影响
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 FRP加固混凝土结构破坏机理的分析
• 5.1 FRP板对混凝土梁的影响
• 5.1.1 数值模型建立
• 5.1.2 数值模拟结果
• 5.2 混凝土和粘结层强度对结构梁破坏模式的影响
• 5.2.1 材料参数选取
• 5.2.2 数值模拟结果
• 5.2.3 小结
• 5.3 粘结层力学参数对构件中裂纹扩展规律的影响
• 5.3.1 模型建立及参数选取
• 5.3.2 数值模拟结果
• 5.3.3 小结
• 参考文献
• 第六章 FRP材料力学参数及加固结构对加固梁的影响
• 6.1 FRP力学参数对加固结构的影响
• 6.1.1 模型参数取值
• 6.1.2 数值模拟结果
• 6.2 FRP板的长度对构件影响
• 6.2.1 应力应变曲线及破坏单元柱状图
• 6.2.2 加固长度结构破坏过程图及应力分布
• 6.2.3 荷载位移比较曲线
• 6.2.4 小结
• 6.3 FRP板粘结宽度的影响
• 6.3.1 模型建立及参数选取
• 6.3.2 数值模拟结果
• 参考文献
• 第七章 钢筋混凝土桥墩破坏过程数值试验研究
• 7.1 偏心位移加载钢筋混凝土结构破坏过程的模拟
• 7.1.1 数值模型建立
• 7.1.2 计算结果与分析
• 7.1.3 小结
• 7.2 荷载作用下模型破坏过程分析
• 7.2.1 数值模型建立
• 7.2.2 模拟结果分析
• 7.2.3 小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后期工作与展望
• 作者简介
• 致谢