落锤冲击下混凝土圆柱体动力效应数值模拟

为研究混凝土材料在低速冲击下的动力效应,对一组应变率在100/s~101/s范围内的混凝土圆柱体落锤轴向冲击试验进行数值模拟研究。以自研发混凝土动态应力传感器实测应力-应变曲线为基准,对混凝土连续面盖帽模型(CSCM模型)关键参数进行参数优选,计算得到不同冲击速度下的冲击力时程、试件应力、试件内能、侵蚀内能、应变率及动力增强系数(DIF)的变化规律,获取试件损伤破坏云图。研究结果表明:试件应力、应变率和试件内能与冲击速度大致呈线性关系,混凝土材料动力增强系数与应变率大致呈抛物线关系。对比计算损伤破坏云图与试件破坏的高速摄影照片可知,经过参数优选后的CSCM模型,在低速冲击范围内有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。     

CRTSⅠ型CA砂浆动态压缩试验及本构关系研究

研究目的:水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)层充填在CRTSⅠ型板式无砟轨道的轨道板和底座板之间,起着支承、传载、调整、减振隔振等功能,因此需要全面研究CA砂浆的力学性能。本文以现场取样CA砂浆圆柱体试件为对象,考虑10-5s-1~10-2s-1四种不同应变率,在位移和应变率双重控制下,测试动力加载条件下单轴受压应力-应变全曲线;研究抗压强度、峰值应变、弹性模量等力学参数的应变率效应以及本构方程。研究结论:(1)应变率对CA砂浆的力学性能影响显著;(2)CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变均随应变率的增加而增大,其中抗压强度应变率敏感性最强,在10-5s-1~10-2s-1应变率范围内,强度可提高2.5倍左右;(3)CA砂浆在不同应变率下的应力-应变曲线形状相似,不同应变率下CA砂浆的应力-应变关系可以用本文提出的有理分式表达;(4)通过与试验数据对比发现,本文提出的不同应变率下CA砂浆的本构方程与试验结果吻合较好,研究成果可为CA砂浆率型本构模型的建立提供试验基础,从而应用于板式轨道的动力设计中。     

机车钢化玻璃在半正弦波动态加载下的力学特性

区别以往矩形波加载技术,将SHPB半正弦波加载技术运用到测试机车钢化玻璃动态本构关系中,研究钢化玻璃在中低应变率下的力学特性;试验中利用半正弦波加载实现了恒应变率加载,并且消除P-C振荡效应,加载应力平衡,试验数据可信度较高;根据试验结果可知,钢化玻璃材料σ-ε关系具有双线性特性,且率相关性特征明显,应变率在326 s~(-1)以下时,最大主应力与应变率可拟合为较好的线性变化关系,斜率约为2.76,应变率在326 s~(-1)~529 s~(-1)之间,最大主应力随应变率增加增幅放缓,呈现斜率逐渐减小的上凸抛物线变化规律。     

温度及应变速率对高速车轮钢形变行为的影响

为高速车轮服役性能评价及失效分析提供依据,在-60~400℃温度及6.67×10-4~3 782s-1应变速率范围内对高速车轮钢进行拉伸及压缩试验,测量其屈服应力、抗拉强度、断面收缩率、伸长率、应变硬化指数、应变硬化系数等材料力学参量,研究材料力学参量随温度和应变速率的变化。结果表明:在试验范围内高速车轮钢的屈服应力、抗拉强度随应变速率常用对数的升高而线性增加,随温度的升高而基本呈线性降低;屈服应力在试验温度上升范围内下降了225 MPa,在试验应变速率增加范围内上升了270 MPa,而断面收缩率和伸长率则随温度的升高而增加、随应变速率的增加而略有降低;应变硬化指数基本不随温度的变化而变化,但随加载速率的增加而降低;应变硬化系数随温度和应变速率的增加而降低;温度及加载速率对高速车轮钢材料塑性本构关系的定量影响可通过包含温度和应变速率参数的Hollomon方程描述。     

S500MC钢动态力学性能试验研究

为了得到S500MC钢的动态力学性能,分别对S500MC钢板样件进行0.1/s,10/s,100/s,1 000/s等4个不同应变率水平的动态拉伸试验,得到不同应变率下的应力-应变曲线,并与其准静态试验结果进行对比。结果表明:S500MC钢具有较强的应变率效应,延展性随着应变率的增加而提升;CowperSymonds模型可以对各应变率下的屈服强度和拉伸极限进行数值拟合。     

循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性研究

新建隧道钻爆施工过程中,邻近既有隧道机制砂喷射混凝土支护结构往往会承受循环冲击荷载。为研究轴压对循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土动力特性的影响,采用改进的大直径分离式霍普金森压杆试验装置,开展4个轴压水平下的机制砂喷射混凝土循环冲击试验,分析循环冲击荷载下机制砂喷射混凝土的动力特性。研究结果表明：轴压和冲击速度对机制砂喷射混凝土的破坏形态、峰值应力、峰值应变和应变率均有较大影响,轴压的增加能够有效抑制试样的变形;轴压相同时,冲击速度越大试样破坏所需的冲击次数越少,冲击速度相同时,试样破坏所需要的冲击次数随轴压增大而不断增加;冲击速度和轴压均相同时,随着冲击次数的增加,试样峰值应力和动弹性模量不断降低,峰值应变和应变率不断增加,轴压对试样动弹性模量的影响不显著;随着冲击次数增加,试样的累计比能量吸收值呈线性增加趋势,冲击速度相同时,轴压越大,试样破坏时所需累计比能量吸收值越大,亦即轴压的增加可以显著提高试样的耗能能力,从而减缓试样力学性能的劣化进程。     

常、低温下橡胶集料混凝土抗冲击性能研究

为了减小强度因素对混凝土材料抗冲击性能的影响,配制了强度等级相同(等强)的素混凝土和橡胶集料混凝土,橡胶的体积掺量分别为5%、10%和15%;同时考虑温度因素的影响,利用本课题组自行设计的U形试件和自主研发的落锤冲击试验装置,分别测试了在常温(25℃)和低温(-20℃)下不同龄期的抗冲击性能。试验结果表明:橡胶集料混凝土的抗冲击次数符合双参数威布尔分布,并且在室温和低温下,橡胶集料混凝土的抗冲击性能均随着橡胶掺量的增加而提高。     

板式轨道充填层自密实混凝土的动态力学特性

为掌握高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层自密实混凝土(SCC)在高速列车等动载作用下的力学特性,采用Ф75mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法,研究充填层SCC在10~100 s~(-1)条件下的动态力学性能,并基于应变等价性假说和统计损伤理论建立充填层SCC动态本构模型。研究结果表明:随着应变率增加,SCC的破碎程度增大;SCC的峰值强度、峰值应变和比能量吸收均随应变率的增大而增大,表现出明显的应变率敏感性,且其应变率敏感性大于普通混凝土;建立的动态本构模型可用来描述SCC在相应应变率下的应力应变关系。     

微掺碳纳米管泡沫混凝土特性演化规律研究

为研究以微掺量碳纳米管(CNTs)纤维制备的CNTs泡沫混凝土(CNTFC)作为隧道卸压吸能材料的适用性，联合单轴加载和数字散斑采集技术，通过室内试验研究不同CNTs纤维掺量对CNTFC试件受载变形特征影响规律，并结合SEM-EDS测试技术分析CNTFC试样强度形成机理；针对不同CNTs掺入率CNTFC试件应力-应变、位移场、最大剪应变场演化规律进行研究。结果表明：CNTFC材料极限应变远大于普通混凝土脆性材料的极限应变，随CNTs掺量增加CNTFC试件峰后在保持一定变形条件下仍能提供较高抗压阻力，该特性是围岩支护卸压材料必有性能；提出CNTFC试件变形局部化启动条件分为应变判定条件和应力判定条件，应变判定条件为达到峰值应变的86.7%,应力判定条件为达到峰值应力的80.1%,以应变条件作为CNTFC试件变形局部化启动判定条件更为合理；微观测试结果表明水泥基材料水化产物与CNTs纤维所形成的复杂网络结构使CNTFC试件宏观力学性能得以提高。     

级配钢纤维活性粉末混凝土的动态拉伸性能的试验研究

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对直径为70 mm的圆柱体试件的动态拉伸性能进行研究,得到了不同应变率下的混凝土劈裂拉伸强度和拉伸应力-时间曲线,并与静态劈裂拉伸强度进行了对比。根据试验结果,讨论了含不同种类钢纤维的活性粉末混凝土的动态拉伸性能,以及3种钢纤维级配下的钢纤维活性粉末混凝土的动态拉伸性能;总结了级配钢纤维活性粉末混凝土的应变率效应,以及影响钢纤维混凝土动态拉伸性能的因素。     

高速列车荷载作用下水泥乳化沥青砂浆层的应变速率研究

水泥乳化沥青砂浆主要承受列车垂向荷载,且处于动态加载过程。为研究CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率,基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立列车-CRTSⅠ型板式无砟轨道-路基垂向耦合振动模型,研究CA砂浆层的应变速率及其影响因素。结果表明:路基上板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率大于其他基础。随着CA砂浆层和列车速度的增加,CA砂浆层的应变速率增大。CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层的应变速率在4.763×10-3/s~2.025×10-2/s范围内变化。与仿真得到的应变速率相比,规范规定的应变速率不能完全反映CA砂浆层的实际应变速率。     

循环荷载历史下CA砂浆的动态受压试验研究

研究目的:为研究历经不同循环荷载历史和不同应变速率对铁路轨道系统CRTSI型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的抗压强度、弹性模量和峰值应变的影响规律,进行CA砂浆圆柱体试件历经循环加载历史后,在应变速率为1×10~(-5)~1×10~(-2)s~(-1)时的单轴受压特性试验。研究结论:(1)应变速率和循环荷载历史对CA砂浆的力学性能影响显著;(2)CA砂浆的抗压强度、弹性模量和峰值应变均随应变速率的增大而提高;(3)在相同的应变速率下,CA砂浆的抗压强度随循环荷载次数和循环荷载幅值的增加而降低,最大降低幅度为8.34%;(4)当循环荷载幅值较小时,CA砂浆的弹性模量随循环荷载次数的增加而增大,最大增加幅度为59.17%;(5)在相同的应变速率下,CA砂浆的峰值应变随循环荷载次数及循环荷载幅值的增大呈降低趋势,且应变速率对峰值应变的影响小于循环荷载历史的影响;(6)该研究成果为进一步了解历经循环加载历史后板式无砟轨道的力学性能提供必要的试验依据,进而应用于指导CA砂浆材料优化设计中。     

圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力机理分析

应用连续介质力学理论,建立圆钢管套箍混凝土同心圆柱体混凝土受压计算模型,建立圆钢管套箍混凝土组合弹性模量理论计算公式和组合应力—应变关系全曲线理论表达式。编制相应的计算程序,进行圆钢管套箍混凝土受力全过程数值分析。从圆钢管套箍混凝土加载过程的钢管环向应力—应变关系以及核心混凝土的轴向应力—应变关系、径向应力—应变关系等方面,探讨圆钢管套箍混凝土和圆钢管混凝土力学性能之间的差别,并用试验结果验证。分析结果表明:与钢管混凝土力学性能相比,钢管套箍混凝土中核心混凝土的径向压应力、纵向强度和钢管环向拉应力增加;圆钢管套箍混凝土将套箍约束作用发挥至最大,且其极限承载力和剩余承载力高,延性好,但组合弹性模量偏小。     

三轴压下活性粉末混凝土的力学性能研究

活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)是一种新型超高性能混凝土材料,作为新材料在铁路工程中应用的基础,对其多轴力学性能进行研究有重要意义。在6种不同的应力比下,对活性粉末混凝土立方体试件进行三轴定侧压加载试验,分析活性粉末混凝土在三轴压下的强度特征、变形性能及破坏形态。结果表明:在本研究的应力比范围内,活性粉末混凝土的破坏模式主要为斜剪破坏;三轴抗压强度约为单轴抗压强度的3~4倍,抗压强度最大值出现在第二主应力与第三主应力比值为0.25时;三轴主压向峰值应变为单轴压峰值应变的5~10倍,随着第二主应力的增大,主压向峰值应变逐渐增大;主压向的应力-应变曲线在峰值后没有下降段,而是出现了明显的"应力平台";根据实测的三轴抗压强度,建议了适用于活性粉末混凝土的八面体空间破坏准则的相关参数。     

超固结土三轴率敏性特性及影响因素分析

为建立超固结土的弹黏塑性本构模型并预测其长期变形,研究土体不同应力历史的时间相依变形特性,采用土体率敏性三轴试验,对预加800k Pa有效应力历史的饱和黏土开展不同加载速率下的三轴剪切试验,并通过改变有效围压(50,100,200和400kPa)、细砂含量(占比0%,10%和20%)和加载速率(0.5625%/min,0.037 5%/min和0.002 5%/min)等方式,深入探讨超固结比、黏性以及应变速率对土体变形特征的影响,引入能通过试验测定的应变率参数ρ来表征黏土率敏性大小。试验结果表明:归一化不排水抗剪强度随超固结比(OCR)单调递增;随着OCR的增大,土体剪胀软化越明显;应变速率与土体的抗剪强度呈半对数线性关系;随着含砂的降低,土体的黏性增大,剪胀软化也越明显;率敏性随超固结比的增大而增强,土体黏性越大率敏性就越显著。     

钢筋混凝土柱抗车辆侧向冲击研究

从实车碰撞试验、混凝土结构及构件抗侧向冲击试验模拟和数值模拟研究等方面系统总结国内外学者在钢筋混凝土(RC)柱抗车辆冲击问题的最新进展。在此基础上,分析现有落锤试验技术在研究车辆冲击问题中的不足,针对柱易遭受车辆碰撞部位冲击加载的试验方法,提出采用可溃缩变刚度锤头模拟车辆碰撞。在RC柱抗车辆冲击分析中,混凝土本构模型参数在低速冲击条件下的动态校准,车辆冲击荷载的合理简化也应是今后研究的重点。     

泡沫轻质混凝土单轴循环加卸载试验研究

为研究循环加卸载对泡沫轻质混凝土力学性能的影响,采用微机控制电子万能试验机对湿密度为700 kg/m~3的泡沫轻质混凝土试样开展3组方案的循环加卸载试验,重点研究循环加卸载对其应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量的影响。研究结果表明:随着循环加卸载的进行,应力-应变曲线出现不断迁移的现象,且对于3种试验方案,第一次循环加卸载引起的迁移值最大,而后,采用加卸载方案1、方案2,迁移值随着加卸载次数增加而减小,采用加卸载方案3,迁移值随着加卸载次数的增加先减小后增加;对于3种加卸载方案,峰值强度随着加载幅值的增加而增大,且随着循环加卸载次数的增加而增大;对于3种加卸载方案,第1次加卸载对弹性模量影响最大,而后,对于试验方案1、方案2,弹性模量随着循环加卸载次数的增加而增加,而对于试验方案3,弹性模量随着循环加卸载次数的增加而减小。     

不锈钢蜂窝轴向压缩特性研究

不锈钢蜂窝在相同体积下,与铝蜂窝相比,吸能能力更强。通过对不同规格的不锈钢蜂窝进行准静态压缩试验与落锤动态冲击试验,研究其动、静轴向压缩特性。试验结果表明,由于不锈钢材料强度对冲击速度较为敏感,在动态冲击下,蜂窝的压溃强度是准静态压溃强度的1.36～1.40倍。采用数值模拟方法分析了冲击速度、孔格壁厚以及孔格边长3个因素对蜂窝压溃强度的影响。分析结果显示,不锈钢蜂窝压溃强度会随着冲击速度和孔格壁厚的增加而增加,随着孔格边长的增加而减小。     

显式积分技术求解橡胶元件大变形问题的研究及应用

利用隐式积分技术求解橡胶元件非线性刚度问题时,因大变形造成网格过度畸变或体积自锁从而导致程序收敛失败。以分析某款橡胶弹簧垂向准静态刚度为目标,探讨利用显式积分技术求解橡胶产品的准静态刚度基本原理,提出在确保计算质量前提下加快分析效率的基本措施。分析与试验结果表明:橡胶为应变率相关材料,不能通过改变加载速率来提高计算速率,而应使加载速率维持正常状态,并通过选取适当的质量缩放因子和采用材料的黏性阻尼来获取计算效率;金属的最小稳定时间远小于橡胶,为提高模型的稳定时间增量,可将金属定义为刚体;显式积分技术可得到橡胶弹簧良好的准静态结果,但橡胶被高度约束时,体积变形的局限性会导致分析结果具有一定的误差。这些结论为分析类似橡胶弹簧提供了一种思路和评估方法。     

偏心加载下确定混凝土应力应变曲线的试验与电算方法

历来混凝土的应力应变关系采用轴心加载试验取得。本文介绍一种新的方法:偏心加载求应力应变曲线法。“偏心法”将试验、数学分析及电子计算机综合运用,并已付之实践。“偏心法”取得的结果,在曲线完善程度,模拟压弯构件存在应变梯度等方面均优于“轴心法”所取得的结果。