落锤冲击下钢筋对含缺口混凝土梁断裂机制的影响研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

王志勇

项目受资助机构

太原理工大学

项目编号

11702186

立项年度

2017

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

24.00万元

学科

数学物理科学-爆炸与冲击动力学-冲击动力学

学科代码

A-A12-A1202

基金类别

青年科学基金项目

关键词

结构冲击响应 ; 动态粘接 ; 断裂能 ; 结构冲击响应的数值模拟 ; 冲击变形与破坏 ; structural impact response ; impact deformation and dynamic failure ; numerical simulation of structural impact response ; fracture energy ; dynamic bond

参与者

赵隆茂;马钢;马小敏;宋敏;顾兢

参与机构

太原理工大学

项目标书摘要:作为一种异质复合结构,钢筋混凝土受其各组成部分及结合面力学性能的影响,断裂机制非常复杂。冲击载荷下钢筋与混凝土基体间的相互作用及其对结构断裂力学行为的影响是当前冲击动力学研究的难点问题。本项目针对具有较低配筋率、含缺口的钢筋混凝土梁,分别采用准静态、落锤三点弯曲实验方法,研究其在六种加载速率下的断裂行为。探讨加载速率对断裂能和峰值载荷的影响。拟建立不同加载速率下的载荷—裂缝面张开位移关系。研究加载速率及钢筋混凝土的动态粘接特性对结构响应和破坏模式的影响,分析较高加载速率下惯性效应的影响。另外,用梁单元代表钢筋,并在有限元模型中引入等效的动态粘接滑移本构关系,模拟钢筋拔出及混凝土梁的断裂行为。将数值模拟结果与实验结果进行对比,修正数值分析方法。项目的成功实施,将为相关断裂本构模型的建立提供参考依据,对深入了解钢筋混凝土结构在低速冲击下的断裂行为具有重要意义。

Application Abstract: As a kind of heterogeneous composite structure,the fracture mechanicsm of steel reinforced concrete is much complicated due to the influence of the mechanical properties of its component and the combinations.Interaction between the steel bars and concrete and its influence on the fracture mechanics behavior of the structure under impact loading become the current difficulties in the impact dynamics research.Addressing that the notched beams of reinforced concrete with low reinforcement ratio,this project aims to investigate the fracture behavior under different loading rates.Under low loading rates,the quasi-static three-point bending test is performed;In other cases,the drop-weight three-point bending test is used instead.The influence of loading rate on fracture energy and peak load are discussed,respectively.The relationship between the load and crack mouth opening displacement is established under different loading rates.The effect of the bond between reinforcement and concrete on the dynamic response and failure mode of reinforced concrete beam with different loading rates are investigated.The inertia effect under higher loading rates are also studied.Representing the reinforcement through beam element and introducing the equivalent dynamic bond-slip relationship in the finite element model,the pull-out behavior of reinforcement and the fracture process of concrete beam are simulated.The simulations will be compared with the experimental observations to improve the numerical analysis method.The research results of this project are significant for the further understand of the fracture behavior of reinforced concrete under low-velocity impact and could provide reference foundation for the related fracture constitutive model.

项目受资助省

山西省

项目结题报告(全文)

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。试验结果表明:在一定加载速率范围内(0.885m/s-1.252m/s),混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系;当加载速率增至1.771m/s时,增长趋势减弱。冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移(CMOD)逐渐减小至恒定值。对CMOD峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。建立了钢筋混凝土梁的全尺寸细观模型,可进行钢筋混凝土损伤演化与断裂过程的精确模拟,为研究该复合材料跨尺度失效问题提供了有效的工具。

  • 排序方式:
  • 1
  • /
  • 1.一种高效的混凝土三维细观建模方法及其验证

    • 《2018年全国固体力学学术会议》
    • 2018-11-23
    • 中国黑龙江哈尔滨
    • 会议

    对传统的基于Voronoi方法建立混凝土随机骨料模型的思路进行了改进。克服了骨料随机性和级配难以满足实际要求的先天性缺点,同时保留了该方法快速建模的特点。采用隐式算法,分别模拟了混凝土试块在单轴压缩和单轴拉伸下的塑性损伤失效过程,通过与实验结果对比,验证了有限元模型的可靠性。同时,定量讨论了界面过渡层(ITZ)属性对混凝土损伤产生、累积和演化过程的影响。研究表明,单轴压缩状态下,砂浆主要表现为拉伸破坏形式,而界面层则由压缩损伤失效主导。混凝土三维随机骨料模型具有更强的实效性,但由于计算量巨大而难以应用于实际工程构件的失效模拟,本文给出的方法具有较高的效率和易于应用的特点,为相关领域的计算提供了一种新的选择。

    ...
  • 2.混凝土三维细观模型的建模方法与动态力学特性分析

    • 《2018年全国固体力学学术会议》
    • 2018-11-23
    • 中国黑龙江哈尔滨
    • 会议

    本文根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单轴应力状态下的准静态分析以SHPB动态有限元分析。研究了骨料几何形状,级配情况以及体积分数对混凝土宏观强度以及破坏模式的影响。结果表明,数值模拟得到的应力-应变曲线和破坏模式与试验结果基本吻合;从细观力学角度,由于材料性能与其他细观组份不同,骨料对应力波在混凝土试样中的传播有明显影响,从而对混凝土动态抗压强度以及失效模式有较大影响。

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