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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.基于三维细观模型的混凝土损伤力学行为研究

    • 关键词：
    • 混凝土;三维细观模型;损伤演化;粘接界面层（ITZ）;多轴应力状态;塑性损伤模型
    • 张煜航
    • 指导老师：太原理工大学 王志华
    • 学位论文

    混凝土已广泛应用于民用、工业和军事防护等领域,特别是在重大工程建设中,发挥着重要的基础性作用。作为一种天然与人工的结合材料,各相材料具有的物理、力学特性差异以及随机的空间分布致使混凝土比其它单一材料具有更为复杂的力学性能。近年来,针对混凝土材料的细观力学行为研究已逐渐成为学者们研究的重点。本文从细观角度出发,通过建立混凝土三维细观模型,全面、系统地研究了混凝土及其细观组分的损伤力学行为,为进一步理解混凝土类非均质材料的破坏机制,建立宏细观之间的跨尺度联系提供参考。主要研究工作包括:以三维Voronoi图形为基础,提出了一种高效的混凝土细观模型生成方法。引入随机缩放因子,向内收缩得到随机凸多面体骨料,向外延拓产生界面层;统计骨料粒径大小和颗粒数,精确控制骨料数量和级配区间;同时去除图形固有的短边,尖角等几何缺陷,优化几何形状;数值模拟实际中的振捣过程,改善骨料间的相对位置,提高骨料体积含量。得到的有限元模型具有较好的计算稳定性,可用非线性隐式求解器求解。采用塑性损伤材料本构模型,对准静态单轴、双轴以及三轴载荷下混凝土的损伤演化行为和宏细观力学响应进行了系统的数值模拟研究。揭示了损伤形成、发展及失效的细观机理,得到复杂应力条件下的混凝土典型破坏模式以及强度变化规律。从应力-应变曲线和失效模式两方面充分验证了有限元模型的有效性。分析表明,损伤始于峰值应力之后,主要从粘接界面层（Interfacial transitional zone ITZ）处产生并扩展至砂浆,随后损伤相互联结形成贯穿裂纹,最终导致试样破坏,且最终破坏模式与载荷形式有关。单向拉应力作用（双轴压-拉、三轴压-压-拉）,损伤纵向发展,裂纹平行于压应力而垂直于拉应力方向;双向拉应力作用（双轴拉-拉、三轴压-拉-拉）,损伤斜向发展,产生斜裂纹,试样发生拉剪破坏;三向压应力作用,损伤交错发展,裂纹呈相互交叉的网格状分布。最后,结合经典Ottosen破坏准则,引入大数据处理方法,用多轴强度确定函数参数,一方面再次验证了数值模拟的正确性,另一方面,与由单轴和双轴实验结果确定的经典参数相比,提高了破坏准则的拟合精度,使之更加符合三轴结果。在确保骨料级配、粒径以及分布统一的前提下,建立不同骨料体积含量的细观模型。骨料体积含量增加,一方面由于ITZ含量增加降低了混凝土整体强度,但另一方面延缓和抑制损伤发展,增加受载区域,提高了抗劈拉能力。考虑细观组分影响,建立ITZ强度、骨料体积含量与混凝土整体强度之间的比例关系。建立随机材料属性细观模型,在保留混凝土模型非均质的前提下,考虑砂浆相材料属性的随机分布影响,探究材料属性分布与损伤分布结果之间的相互关系。将非线性粘弹性朱-王-唐（ZWT）本构方程推广到混凝土类材料,引入热激活损伤演化模型。基于三维细观模型,开展了低应变率下混凝土SHPB数值实验。基于数值结果给出方程参数的确定方法,继而得到计及损伤演化的混凝土率型本构方程,扩展了ZWT方程的适用性,为进一步研究高应变率下混凝土动态本构关系提供基础。

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